Классификация и структура микропроцессоров

Человечество проделало огромный путь к созданию вычислительных машин, без которых невозможно представить современное общество со всеми аспектами его жизнедеятельности в сферах промышленности, народного хозяйства и бытового устройства. Но и сегодня прогресс не стоит на месте, открывая новые формы компьютеризации. В центре же технологического развития уже несколько десятилетий находится структура микропроцессора (МП), которая совершенствуется в своих функциональных и конструкционных параметрах.

Понятие микропроцессора

В общем смысле понятие микропроцессора представляется как программно-управляемое устройство или система, базирующаяся на большой интегральной схеме (БИС). С помощью МП выполняются операции обработки данных или же управление системами, обрабатывающими информацию. На первых этапах развития МП базировались на отдельных низкофункциональных микросхемах, в которых присутствовали транзисторы в количестве от нескольких единиц до сотен. Простейшая типовая структура микропроцессора могла содержать группу микросхем, имеющих общие электротехнические, конструкционные и электрические параметры. Такие системы называются микропроцессорным комплектом. Наряду с МП, в одной системе могли также состоять постоянные и оперативные запоминающие устройства, а также контроллеры и интерфейсы для подключения внешней аппаратуры – опять же, по совместимым коммуникациям. В результате развития концепции микроконтроллеров микропроцессорный комплект дополнялся более сложными сервисными устройствами, регистрами, шинными формирователями, таймерами и т. д.

На сегодняшний день микропроцессор все реже рассматривается как отдельное устройство в контексте практического применения. Функциональная структура и принцип работы микропроцессора уже на этапах проектирования ориентируются на применение в составе вычислительного устройства, предназначенного для выполнения целого ряда задач, связанных с выполнением обработки и управления информацией. Ключевым звеном в процессах организации работы микропроцессорного устройства является контроллер, который обслуживает конфигурацию управления и режимы взаимодействия вычислительного ядра системы с внешней аппаратурой. В качестве промежуточного звена между контроллером и микропроцессором можно рассматривать интегрированный процессор. Его функционал ориентируется на решение вспомогательных задач, не связанных напрямую с назначением основного МП. В частности, это могут быть сетевые и коммуникационные функции, обеспечивающие работу микропроцессорного устройства.

Классификации микропроцессоров

Даже в простейших конфигурациях исполнения МП имеют множество технико-эксплуатационных параметров, по которым можно устанавливать классификационные признаки. Для обоснования основных уровней классификации обычно выделяют три функциональных системы – операционную, интерфейсную и управляющую. В каждой из этих рабочих частей также предусматривается целый ряд параметров и отличительных признаков, определяющих характер эксплуатации устройства.

С точки зрения типовой структуры микропроцессоров классификация в первую очередь будет разделять устройства на многокристальные и однокристальные модели. Первые характеризуются тем, что их рабочие блоки могут функционировать в автономном режиме и выполнять заранее определенные команды. И в данном примере будут ярко выражены МП, в которых акцент делается на операционной функции. Такие процессоры ориентируются на обработку данных. В этой же группе, к примеру, трехкристальные микропроцессоры могут быть управляющими и интерфейсными. Это не значит, что операционная функция в них отсутствует, но в целях оптимизации большая часть коммуникационных и мощностных ресурсов отводится задачам генерации микрокоманд или возможностям взаимодействия с периферийными системами.

Что касается однокристальных МП, то они разрабатываются с фиксированным набором команд и компактным размещением всех аппаратных средств на одном ядре. С точки зрения функциональности структура однокристального микропроцессора достаточно ограничена, хотя и более надежна, чем сегментные конфигурации многокристальных аналогов.

Еще одна немаловажная классификация относится к интерфейсному исполнению микропроцессоров. Речь идет о способах обработке входных сигналов, которые и в наши дни продолжают делиться на цифровые и аналоговые. Хотя сами процессоры являются цифровыми устройствами, в некоторых случаях использование аналоговых потоков себя оправдывает по цене и надежности. Для конвертации, впрочем, должны использоваться специальные преобразователи, которые вносят свой вклад в энергетическую нагрузку и конструкционную наполненность рабочей платформы. Аналоговые МП (как правило, однокристальные) выполняют задачи стандартных аналоговых систем – например, производят модуляцию, генерируют колебания, кодирование и декодирование сигнала.

По принципу временной организации функционирования МП делят на синхронные и асинхронные. Разница заключается в характере подачи сигнала к началу новой операции. Например, в случае с синхронным устройством такие команды подают управляющие модули независимо от исполнения текущих операций. В случае с асинхронными МП аналогичный сигнал может подаваться автоматически по факту завершения предыдущей операции. Для этого в логической структуре микропроцессора асинхронного типа предусматривается электронная цепь, обеспечивающая работу отдельных компонентов в автономном режиме при необходимости. Сложность реализации такого способа организации работы МП связана с тем, что не всегда в момент завершения одной операции бывает достаточно тех или иных ресурсов для начала следующей. Память процессора обычно используется как звено, управляющее приоритетами в самом выборе последующих операций.

Микропроцессоры общего и специального назначения

Основной сферой применения МП общего назначения являются рабочие станции, персональные компьютеры, серверы и электронные устройства, предназначенные для массового использования. Их функциональная инфраструктура ориентируется на выполнение широкого спектра задач, связанных с обработкой информации. Разработкой таких устройств занимаются компании SPARC, Intel, Motorola, IBM и другие.

Специализированные микропроцессоры, характеристики и структура которых строится на базе мощных контроллеров, реализуют сложные процедуры по обработке и преобразованию цифровых и аналоговых сигналов. Это весьма разнообразный сегмент, в котором представлены тысячи типов конфигураций. К особенностям структуры МП данного типа относят использование одного кристалла в качестве базы для центрального процессора, который, в свою очередь, может быть сопряжен с большим количеством периферийных устройств. В их числе значатся средства ввода/вывода, блоки с таймерами, интерфейсы, аналого-цифровые преобразователи. Также практикуется подключение специализированных устройств наподобие блоков генерации широтно-импульсных сигналов. За счет применения внутренней памяти такие системы имеют небольшое количество вспомогательных компонентов, поддерживающих работу микроконтроллера.

Характеристики микропроцессора

Рабочие параметры определяют спектр задач устройства и набор компонентов, которые в принципе можно использовать в конкретной структуре микропроцессора. Основные характеристики МП можно представить так:

• Тактовая частота. Обозначает количество элементарных операций, которые система может выполнять за 1 сек. и выражается в Мгц. Несмотря на различия в структуре, разные МП преимущественно выполняют схожие задачи, но в каждом случае на это требуется индивидуальные время, которое отражается в количестве тактов. Чем МП мощнее, тем больше процедур он сможет выполнить в рамках одной временной единицы.
• Разрядность. Количество двоичных разрядов, которые устройство может выполнять в одно и то же время. Выделяют разрядность шин, скорости передачи данных, внутренних регистров и т. д.
• Объемом кеш-памяти. Это память, включенная во внутреннюю структуру микропроцессора и всегда работающая на предельных частотах. В физическом представлении это кристалл, размещенный на основной микросхеме МП и сопряженный с ядром микропроцессорной шины.
• Конфигурация. В данном случае речь идет об организации команд и способов адресации. Практически тип конфигурации может означать возможности совмещения процессов выполнения нескольких команд одновременно, режимы и принципы работы МП и наличие периферийных устройств в базовой системе микропроцессора.

Архитектура микропроцессора

По большому счету МП является универсальным обработчиком информации, но в некоторых сферах его эксплуатации зачастую требуются особые конфигурации исполнения его структуры. Архитектура микропроцессоров отражает специфику применения конкретной модели, обуславливая особенности интегрированных в систему аппаратно-программных средств. Конкретно речь может идти о предусмотренных исполнительных устройствах, программных регистрах, способов адресации и наборов команд.

В представлении архитектуры и особенностей функционирования МП часто используют схемы устройства и взаимодействия доступных программных регистров, которые содержат управляющую информацию и операнды (обрабатываемые данные). Следовательно, в регистровой модели присутствует группа служебных регистров, а также сегменты для хранения операндов общего назначения. На этой основе определяется способ выполнения программ, схема организации памяти, режим работы и характеристики микропроцессора. Структура МП общего назначения, к примеру, может включать программный счетчик, а также регистры состояния и управления режимами функционирования системы. Рабочий процесс устройства в контексте архитектурной конфигурации может быть представлен в виде модели регистровых пересылок, обеспечивающих адресацию, выбор операндов и команд, пересылку результатов и т. д. Выполнение разных команд независимо от назначения будет оказывать влияние на регистр состояния, содержимое которого отражает текущее состояние процессора.

Общие сведения о структуре микропроцессоров

В данном случае под структурой следует понимать не только набор компонентов рабочей системы, но и средства соединения между ними, а также устройства, обеспечивающие их взаимодействие. Как и в функциональной классификации, содержание структуры можно выразить через три оставляющих – операционное наполнение, средства коммуникации с шиной и управляющую инфраструктуру.

Устройство операционной части определяет характер декодирования команд и обработки данных. В этот комплекс могут входить арифметико-логические функциональные блоки, а также резисторы для временного хранения информации – в том числе о состоянии микропроцессора. В логической структуре предусматривается использование 16-разрядных резисторов, которые выполняют не только логические и арифметические процедуры, но и операции сдвига. Работа регистров может быть организована по разным схемам, определяющим в том числе их доступность программисту. Отдельный регистр отводится для обеспечения функции аккумуляторного блока.

Устройства сопряжения с шиной отвечают за соединения с периферийной аппаратурой. В спектр их задач также входит осуществление выборки данных из памяти и формирование очереди команд. В типовую структуру микропроцессора входит указатель IP-команд, сумматоры адресов, сегментные регистры и буферы, посредством которых обслуживаются связки с шинами адреса.

Управляющее устройство, в свою очередь, формирует управляющие сигналы, выполняет дешифровку команды, а также обеспечивает работу вычислительной системы, отдавая микрокоманды по внутренним операциям МП.

Структура базового МП

В упрощенной структуре данного микропроцессора предусматриваются две функциональные части:

• Операционная. В этот блок входят средства управления и обработки данных, а также микропроцессорная память. В отличие от полной конфигурации, структура базового микропроцессора исключает наличие сегментных регистров. Некоторые исполнительные устройства объединяются в один функциональный блок, что также подчеркивает оптимизированный характер данной архитектуры.
• Интерфейсная. В сущности, средство обеспечения связи с главной магистралью. В этой части содержатся регистры внутренней памяти и сумматор адреса.

На внешних выводных каналах базовых МП часто используется принцип мультиплексирования сигналов. Это означает, что передача сигналов происходит по общим каналам с разделением времени. Помимо этого, в зависимости от текущего режима функционирования системы один и тот же вывод может применяться для передачи сигналов разного назначения.

Структура команд микропроцессора

Данная структура во многом зависит от общей конфигурации и характера взаимодействия функциональных блоков МП. Однако еще на этапе проектирования системы разработчики закладывают возможности для применения определенного массива операций исходя из которого в дальнейшем формируется и набор команд. К наиболее распространенным функциям команд можно отнести следующие:

• Передача данных. Команда осуществляет операции присваивания значений операндов источника и приемника. В качестве последних могут использоваться регистры или ячейки памяти.
• Ввод-вывод. Через интерфейсные устройства ввода-вывода осуществляется передача данных в порты. В соответствии со структурой микропроцессора и его взаимодействием с периферийными аппаратными и внутренними блоками командами задаются адреса портов.
• Преобразование типов. Определяются форматы и размерные значения используемых операндов.
• Прерывания. Данный тип команд предназначен для управления программных прерываний – например, это может быть остановка функции процессора на фоне начала работы устройств ввода-вывода.
• Организация циклов. Команды изменяют значение регистра ECX, который может использоваться в качестве счетчика при исполнении определенного программного кода.

Как правило, на базовые команды накладываются ограничения, связанные с возможностями оперирования определенными объемами памяти, одновременного управления регистрами и их содержимым.

Структура управления МП

Система управления МП базируется на управляющем блоке, который связан с несколькими функциональными частями:

• Датчик сигналов. Определяет очередность и параметры импульсов, равномерно распределяя их во времени по шинам. Среди характеристик работы датчиков значится количество тактов и управляющих сигналов, требуемых для выполнения операций.
• Источник сигналов. Одна из функций блока управления в структуре микропроцессора отводится генерации или обработке сигналов – то есть их коммутации в рамках конкретного такта на определенной шине.
• Дешифратор кода операций. Выполняет дешифровку кодов операций, присутствующих в регистре команд на текущий момент. Совместно с определением активной шины данная процедура помогает также формировать последовательность управляющих импульсов.

Немаловажное значение в управляющей инфраструктуре имеет постоянное запоминающее устройство, которое содержит в своих ячейках сигналы, требующиеся для выполнения операций обработки. Для счета команд при обработке данных импульса может применяться узел формирования адреса – это необходимый компонент внутренней структуры микропроцессора, который входит в интерфейсный блок системы и позволяет считывать реквизиты регистров памяти с сигналами в полном объеме.

Компоненты микропроцессора

Большая часть функциональных блоков, а также внешних устройства организуется между собой и центральной микросхемой МП через внутреннюю шину. Можно сказать, это магистральная сеть устройства, обеспечивающая всестороннюю коммуникационную связь. Другое дело, что и шина может иметь в составе разные по функциональному назначению элементы – например, контуры для передачи данных, линии передачи ячеек памяти, а также инфраструктура для записи и считывания информации. Характер взаимодействия между блоками самой шины определяется структурой микропроцессора. К устройствам, входящим в состав МП, помимо шины, можно отнести следующие:

• Арифметико-логическое устройство. Как уже говорилось, данный компонент предназначен для выполнения логических и арифметических операций. Он работает как с числовыми, так и с символьными данными.
• Устройство управления. Отвечает за координацию при взаимодействии разных частей МП. В частности, этот блок генерирует сигналы управления, направляя их к разным модулям устройства машины в определенные моменты времени.
• Микропроцессорная память. Используется для записи, хранения и выдачи информации. Данные могут быть связаны как с рабочими вычислительными операциями, так и с процессами, обслуживающими машину.
• Математический процессор. Применяется как вспомогательный модуль для повышения скорости при выполнении сложных вычислительных операций.

Особенности структуры сопроцессора

Даже в рамках выполнения типовых арифметико-логических операций бывает недостаточно мощностей обычного МП. Например, микропроцессор не имеет возможностей для выполнения арифметических команд, предусматривающих использование чисел с плавающей точкой. Для подобных задач применяют сопроцессоры, в структуре которых предусматривается объединение центрального процессора с несколькими МП. При этом сама логика работы устройства не имеет принципиальных отличий от базовых правил построения арифметических микросхем.

В сопроцессорах выполняются типовые команды, но в тесном взаимодействии с центральным модулем. В данной конфигурации предполагается постоянный контроль очередей команд по нескольким линиям. В физической структуре микропроцессора данного типа допускается использование независимого модуля для обеспечения ввода-вывода, особенностью которого является возможность выбора своих команд. Однако для корректной работы такой схемы сопроцессоры должны четко определять источник выбора команд, координируя взаимодействие между модулями.

С концепцией устройства сопроцессора связан и принцип построения обобщенной структуры микропроцессора с сильно связанной конфигурацией. Если в предыдущем случае речь может идти о независимом блоке ввода-вывода с возможностью собственного подбора команд, то сильно связанная конфигурация предполагает включение в структуру независимого процессора, управляющего командными потоками.

Заключение

Принципы создания микропроцессоров претерпели немного изменений с момента появления первых вычислительных устройств. Менялись характеристики, конструкции и требования к ресурсному обеспечению, что кардинально изменило ЭВМ, однако общая концепция с базовыми правилами организации функциональных блоков по большей части сохраняется прежней. Тем не менее на будущее развития структуры микропроцессора могут оказать влияние нанотехнологии и появление квантовых вычислительных систем. Сегодня подобные направления рассматриваются на теоретическом уровне, но крупные корпорации активно работают над перспективами практического использования новых логических схем на инновационных технологиях. Например, в качестве возможного варианта дальнейшего развития МП не исключено применение молекулярных и субатомных частиц, а традиционные электрические цепи могут уступить место системам направленного вращения электронов. Это позволит создавать микроскопические процессоры с принципиально новой архитектурой, эксплуатационные характеристики которой многократно будут превосходить сегодняшние МП.