Lidstvo ušlo dlouhou cestu k vytvoření počítačů, bez kterých si nelze představit moderní společnost se všemi aspekty jejího života v oblastech průmyslu, národního hospodářství a domácích spotřebičů. Ale ani dnes pokrok nestojí a otevírá nové formy informatizace. V centru technologického vývoje je již několik desetiletí struktura mikroprocesoru (MP), který se zdokonaluje ve svých funkčních i konstrukčních parametrech.
Koncept mikroprocesoru
V obecném smyslu je pojem mikroprocesor prezentován jako programově řízené zařízení nebo systém založený na velkém integrovaném obvodu (LSI). Pomocí MP jsou prováděny operace zpracování dat nebo správa systémů, které zpracovávají informace. V prvních fázíchVývoj MP byl založen na samostatných nízkofunkčních mikroobvodech, ve kterých byly tranzistory přítomny v množství od několika do stovek. Nejjednodušší typická struktura mikroprocesoru by mohla obsahovat skupinu mikroobvodů se společnými elektrickými, strukturálními a elektrickými parametry. Takové systémy se nazývají mikroprocesorová sada. Spolu s MP by se jeden systém mohl skládat také z paměťových zařízení s permanentním a náhodným přístupem, stejně jako z řadičů a rozhraní pro připojení externích zařízení – opět prostřednictvím kompatibilní komunikace. V důsledku vývoje koncepce mikrokontrolérů byla mikroprocesorová sada doplněna o složitější servisní zařízení, registry, ovladače sběrnic, časovače atd.
Mikroprocesor je dnes v kontextu praktických aplikací stále méně považován za samostatné zařízení. Funkční struktura a princip činnosti mikroprocesoru již ve fázi návrhu jsou řízeny použitím jako součásti výpočetního zařízení určeného k provádění řady úkolů souvisejících se zpracováním a správou informací. Klíčovým článkem v procesech organizace provozu mikroprocesorového zařízení je řadič, který udržuje konfiguraci řízení a režimy interakce mezi výpočetním jádrem systému a externím zařízením. Integrovaný procesor lze považovat za mezičlánek mezi řadičem a mikroprocesorem. Jeho funkčnost je zaměřena na řešení pomocných úloh, které přímo nesouvisí s účelem hlavního MT. Zejména se může jednat o síťové a komunikační funkce, které zajišťují provoz mikroprocesorového zařízení.
Klasifikace mikroprocesorů
I v těch nejjednodušších konfiguracích mají MP mnoho technických a provozních parametrů, které lze použít k nastavení klasifikačních funkcí. Pro zdůvodnění hlavních úrovní klasifikace se obvykle rozlišují tři funkční systémy – provozní, rozhraní a řídicí. Každá z těchto pracovních částí také poskytuje řadu parametrů a rozlišovacích znaků, které určují povahu činnosti zařízení.
Z hlediska typické struktury mikroprocesorů bude klasifikace primárně rozdělovat zařízení na vícečipové a jednočipové modely. První jmenované se vyznačují tím, že jejich pracovní jednotky mohou fungovat offline a provádět předem určené příkazy. A v tomto příkladu budou vyslovováni poslanci, ve kterých je kladen důraz na provozní funkci. Takoví zpracovatelé jsou zaměřeni na zpracování dat. Ve stejné skupině mohou být řízením a rozhraním například tříčipové mikroprocesory. To neznamená, že nemají provozní funkci, ale pro účely optimalizace je většina komunikačních a energetických zdrojů přidělena úkolům generování mikroinstrukcí nebo schopnosti interakce s periferními systémy.
Pokud jde o jednočipové MP, jsou vyvíjeny s pevnou sadou instrukcí a kompaktním umístěním veškerého hardwaruna jednom jádru. Z hlediska funkčnosti je struktura jednočipového mikroprocesoru značně omezená, i když je spolehlivější než segmentové konfigurace vícečipových analogů.
Další důležitá klasifikace se týká návrhu rozhraní mikroprocesorů. Hovoříme o způsobech zpracování vstupních signálů, které se dnes nadále dělí na digitální a analogové. Přestože samotné procesory jsou digitální zařízení, v některých případech se použití analogových toků ospravedlňuje z hlediska ceny a spolehlivosti. Pro přestavbu je však nutné použít speciální měniče, které přispívají k energetickému zatížení a konstrukční plnosti pracovní plošiny. Analogové MP (obvykle jednočipové) plní úkoly standardních analogových systémů - například produkují modulaci, generují oscilace, kódují a dekódují signál.
Podle principu dočasné organizace fungování MP se dělí na synchronní a asynchronní. Rozdíl spočívá v povaze signálu k zahájení nové operace. Například v případě synchronního zařízení jsou takové příkazy vydávány řídicími moduly bez ohledu na provádění aktuálních operací. V případě asynchronních MP může být podobný signál dán automaticky po dokončení předchozí operace. K tomu je v logické struktuře mikroprocesoru asynchronního typu zajištěn elektronický obvod, který v případě potřeby zajišťuje provoz jednotlivých komponent v offline režimu. Složitost provádění tohoto způsobu organizace práce MP je dána tím, ževždy v okamžiku dokončení jedné operace je dostatek určitých zdrojů pro zahájení další. Paměť procesoru se obvykle používá jako upřednostňující článek při samotné volbě následných operací.
Mikroprocesory pro obecné a speciální účely
Hlavním rozsahem univerzálního MP jsou pracovní stanice, osobní počítače, servery a elektronická zařízení určená pro hromadné použití. Jejich funkční infrastruktura je zaměřena na provádění široké škály úkolů souvisejících se zpracováním informací. Taková zařízení vyvíjejí společnosti SPARC, Intel, Motorola, IBM a další.
Specializované mikroprocesory, jejichž vlastnosti a struktura jsou založeny na výkonných řídicích jednotkách, implementují složité postupy pro zpracování a převod digitálních a analogových signálů. Jedná se o velmi rozmanitý segment s tisíci typy konfigurací. Mezi zvláštnosti struktury MP tohoto typu patří použití jednoho krystalu jako základny pro centrální procesor, který zase může být propojen s velkým počtem periferních zařízení. Mezi nimi jsou prostředky vstupu / výstupu, bloky s časovači, rozhraní, analogově-digitální převodníky. Praktikuje se také připojení specializovaných zařízení, jako jsou bloky pro generování signálů o šířce pulzu. Kvůli použití vnitřní paměti mají takové systémy malý počet pomocných komponent, které podporují provozmikrokontrolér.
Specifikace mikroprocesoru
Provozní parametry definují rozsah úloh zařízení a sadu komponent, které lze v zásadě použít v konkrétní struktuře mikroprocesoru. Hlavní charakteristiky MP lze znázornit takto:
- Frekvence hodin. Udává počet základních operací, které může systém provést za 1 sekundu. a je vyjádřen v MHz. Navzdory rozdílům ve struktuře plní různí poslanci většinou podobné úkoly, ale v každém případě to vyžaduje individuální čas, což se odráží v počtu cyklů. Čím výkonnější je MP, tím více procedur může provést v rámci jedné časové jednotky.
- Šířka. Počet bitů, které může zařízení provést současně. Přidělte šířku sběrnice, rychlost přenosu dat, interní registry atd.
- Velikost mezipaměti. Jedná se o paměť obsaženou ve vnitřní struktuře mikroprocesoru a vždy pracující na limitních frekvencích. Ve fyzické reprezentaci se jedná o krystal umístěný na hlavním čipu MP a spojený s jádrem sběrnice mikroprocesoru.
- Konfigurace. V tomto případě mluvíme o organizaci příkazů a metodách adresování. V praxi může typ konfigurace znamenat možnost kombinace procesů provádění několika příkazů současně, režimy a principy činnosti MP a přítomnost periferních zařízení v základním mikroprocesorovém systému.
Architektura mikroprocesoru
Celkově je MP univerzálníinformační procesor, ale v některých oblastech jeho provozu jsou často vyžadovány speciální konfigurace pro provádění jeho struktury. Architektura mikroprocesorů odráží specifika aplikace konkrétního modelu, což způsobuje vlastnosti hardwaru a softwaru integrovaného do systému. Konkrétně můžeme mluvit o poskytovaných aktuátorech, programových registrech, metodách adresování a instrukčních sadách.
Při znázornění architektury a funkcí fungování MP často používají schémata zařízení a interakci dostupných softwarových registrů, které obsahují řídicí informace a operandy (zpracovaná data). Proto v modelu registrů existuje skupina registrů služeb a také segmenty pro ukládání všeobecných operandů. Na tomto základě je určen způsob provádění programů, schéma organizace paměti, způsob činnosti a vlastnosti mikroprocesoru. Struktura MP pro obecné účely může například zahrnovat čítač programů, stejně jako registry pro stav a řízení režimů provozu systému. Pracovní postup zařízení v kontextu architektonické konfigurace může být reprezentován jako model přenosů registrů, poskytování adresování, výběr operandů a instrukcí, přenos výsledků atd. Provedení různých instrukcí, bez ohledu na přiřazení, ovlivní stav registru, jehož obsah odráží aktuální stav procesoru.
Obecné informace o struktuře mikroprocesorů
Strukturu je v tomto případě třeba chápat nejen jako soubor komponent pracovního systému, ale taképrostředky spojení mezi nimi, jakož i zařízení, která zajišťují jejich interakci. Stejně jako ve funkční klasifikaci lze obsah struktury vyjádřit třemi složkami - provozním obsahem, prostředkem komunikace se sběrnicí a řídicí infrastrukturou.
Zařízení ovládací části určuje povahu dekódování příkazů a zpracování dat. Tento komplex může zahrnovat aritmeticko-logické funkční bloky, stejně jako rezistory pro dočasné uložení informací, včetně informací o stavu mikroprocesoru. Logická struktura umožňuje použití 16bitových rezistorů, které provádějí nejen logické a aritmetické postupy, ale také posuvné operace. Práce registrů může být organizována podle různých schémat, která mimo jiné určují jejich přístupnost pro programátora. Pro funkci baterie je vyhrazen samostatný registr.
Sběrnicové vazební členy jsou zodpovědné za připojení k periferním zařízením. Rozsah jejich úkolů zahrnuje také získávání dat z paměti a vytváření fronty příkazů. Typická struktura mikroprocesoru zahrnuje ukazatel příkazu IP, sčítačky adres, segmentové registry a vyrovnávací paměti, jejichž prostřednictvím jsou obsluhována spojení s adresovými sběrnicemi.
Řídící zařízení zase generuje řídicí signály, dešifruje příkazy a také zajišťuje provoz výpočetního systému a vydává mikropříkazy pro interní operace MP.
Struktura základního MP
Zjednodušená struktura tohoto mikroprocesoru poskytuje dvě funkcedíly:
- Operační místnost. Tato jednotka obsahuje zařízení pro řízení a zpracování dat a také paměť mikroprocesoru. Na rozdíl od plné konfigurace základní struktura mikroprocesoru vylučuje segmentové registry. Některá prováděcí zařízení jsou spojena do jednoho funkčního celku, což také zdůrazňuje optimalizovanou povahu této architektury.
- Rozhraní. V podstatě prostředek zajišťující komunikaci s hlavní magistrálou. Tato část obsahuje registry vnitřní paměti a sčítačku adres.
Princip multiplexování signálu se často používá na externích výstupních kanálech základních MP. To znamená, že signalizace probíhá přes společné kanály pro sdílení času. Navíc v závislosti na aktuálním provozním režimu systému lze stejný výstup použít k přenosu signálů pro různé účely.
Struktura instrukcí mikroprocesoru
Tato struktura do značné míry závisí na obecné konfiguraci a povaze interakce funkčních bloků MP. Již ve fázi návrhu systému však vývojáři stanovují možnosti použití určitého pole operací, na základě kterých se následně tvoří sada příkazů. Mezi nejběžnější funkce příkazů patří:
- Přenos dat. Příkaz provádí operace přiřazování hodnot zdrojového a cílového operandu. Jako poslední lze použít registry nebo paměťové buňky.
- Vstup-výstup. PřesZařízení I/O rozhraní přenášejí data na porty. V souladu se strukturou mikroprocesoru a jeho interakcí s periferním hardwarem a vnitřními jednotkami nastavují příkazy adresy portů.
- Převod typu. Jsou určeny formáty a hodnoty velikosti použitých operandů.
- Přerušení. Tento typ instrukce je navržen pro řízení softwarových přerušení – například to může být zastavení funkce procesoru, když I/O zařízení začnou pracovat.
- Organizace cyklů. Instrukce mění hodnotu registru ECX, který lze použít jako čítač při provádění určitého programového kódu.
Zpravidla platí omezení na základní příkazy související se schopností pracovat s určitým množstvím paměti, současně spravovat registry a jejich obsah.
Struktura řízení MP
Řídící systém MP je založen na řídicí jednotce, která je spojena s několika funkčními částmi:
- Senzor signálu. Určuje sekvenci a parametry impulsů a rovnoměrně je rozděluje v čase po sběrnicích. Mezi charakteristiky činnosti senzorů patří počet cyklů a řídicích signálů potřebných k provedení operací.
- Zdroj signálů. Jedna z funkcí řídicí jednotky ve struktuře mikroprocesoru je přiřazena generování nebo zpracování signálů - tedy jejich spínání v rámci konkrétního cyklu na konkrétní sběrnici.
- Dekodér provozního kódu. Provádí dešifrování operačních kódů přítomných v registru instrukcí natento moment. Spolu s určením aktivní sběrnice tento postup také pomáhá generovat sekvenci řídicích impulsů.
Nemenší význam v řídicí infrastruktuře má trvalé paměťové zařízení, které ve svých buňkách obsahuje signály potřebné k provádění operací zpracování. Pro počítání příkazů při zpracování pulzních dat lze použít jednotku generování adresy - to je nezbytná součást vnitřní struktury mikroprocesoru, která je součástí jednotky rozhraní systému a umožňuje číst detaily paměťových registrů s plnými signály.
Součásti mikroprocesoru
Většina funkčních bloků, stejně jako externích zařízení, je organizována mezi nimi a centrálním mikroobvodem MP prostřednictvím vnitřní sběrnice. Dá se říci, že se jedná o páteřní síť zařízení zajišťující komplexní komunikační spojení. Další věcí je, že sběrnice může obsahovat i prvky různého funkčního účelu - například obvody pro přenos dat, linky pro přenos paměťových buněk, ale i infrastrukturu pro zápis a čtení informací. Charakter interakce mezi bloky samotné sběrnice je dán strukturou mikroprocesoru. Zařízení obsažená v MP kromě sběrnice zahrnují následující:
- Aritmetická logická jednotka. Jak již bylo zmíněno, tato komponenta je určena k provádění logických a aritmetických operací. Pracuje s číselnými i znakovými daty.
- Ovládací zařízení. Zodpovědný zakoordinace v interakci různých částí MT. Tento blok zejména generuje řídicí signály, které je v určitých okamžicích nasměrují do různých modulů zařízení stroje.
- Paměť mikroprocesoru. Používá se k záznamu, ukládání a vydávání informací. Data mohou být spojena jak s pracovními výpočetními operacemi, tak s procesy obsluhujícími stroj.
- Matematický procesor. Používá se jako pomocný modul pro zvýšení rychlosti při provádění složitých výpočetních operací.
Vlastnosti struktury koprocesoru
I v rámci provádění typických aritmetických a logických operací není dostatečná kapacita konvenčního MP. Mikroprocesor například nemá schopnost provádět aritmetické instrukce s pohyblivou řádovou čárkou. Pro takové úlohy se používají koprocesory, jejichž struktura umožňuje kombinaci centrálního procesoru s několika MP. Přitom logika samotné činnosti zařízení nemá zásadní rozdíly od základních pravidel pro konstrukci aritmetických mikroobvodů.
Koprocesory provádějí typické příkazy, ale v úzké interakci s centrálním modulem. Tato konfigurace předpokládá neustálé sledování front příkazů na více řádcích. Ve fyzické struktuře mikroprocesoru tohoto typu je povoleno používat nezávislý modul pro poskytování vstupů a výstupů, jehož vlastností je možnost volby jeho příkazů. Aby však takové schéma fungovalo správně, musí koprocesory jasně definovat zdroj výběru instrukcí,koordinace interakce mezi moduly.
S konceptem koprocesorového zařízení souvisí i princip budování zobecněné struktury mikroprocesoru se silně provázanou konfigurací. Pokud v předchozím případě můžeme hovořit o nezávislém I/O bloku s možností vlastního výběru příkazů, pak silně provázaná konfigurace zahrnuje zahrnutí do struktury nezávislého procesoru, který řídí toky příkazů.
Závěr
Principy tvorby mikroprocesorů prošly od příchodu prvních výpočetních zařízení několika změnami. Vlastnosti, návrhy a požadavky na podporu zdrojů se změnily, což radikálně změnilo počítač, ale obecný koncept se základními pravidly pro uspořádání funkčních bloků z větší části zůstává stejný. Budoucnost vývoje struktury mikroprocesorů však může být ovlivněna nanotechnologií a nástupem kvantových výpočetních systémů. Dnes se o takových oblastech uvažuje na teoretické úrovni, ale velké korporace aktivně pracují na vyhlídkách praktického využití nových logických obvodů založených na inovativních technologiích. Například jako možná varianta dalšího rozvoje MT není vyloučeno použití molekulárních a subatomárních částic a tradiční elektrické obvody mohou ustoupit systémům směrované rotace elektronů. To umožní vytvářet mikroskopické procesory se zásadně novou architekturou, jejichž výkon mnohonásobně předčí ten dnešní. MP.
