L'humanité a parcouru un long chemin vers la création d'ordinateurs, sans lesquels il est impossible d'imaginer la société moderne avec tous les aspects de sa vie dans les domaines de l'industrie, de l'économie nationale et de l'électroménager. Mais aujourd'hui encore, le progrès ne s'arrête pas, ouvrant de nouvelles formes d'informatisation. Au centre du développement technologique depuis plusieurs décennies, la structure du microprocesseur (MP) est en cours d'amélioration dans ses paramètres fonctionnels et de conception.
Concept de microprocesseur
Dans un sens général, le concept d'un microprocesseur est présenté comme un dispositif ou un système commandé par programme basé sur un grand circuit intégré (LSI). Avec l'aide de MP, des opérations de traitement de données ou de gestion de systèmes qui traitent des informations sont effectuées. Aux premières étapesLe développement du MP était basé sur des microcircuits séparés à faible fonctionnalité, dans lesquels des transistors étaient présents en quantités allant de quelques centaines à des centaines. La structure de microprocesseur typique la plus simple pourrait contenir un groupe de microcircuits avec des paramètres électriques, structurels et électriques communs. De tels systèmes sont appelés un ensemble de microprocesseurs. Avec le MP, un système pourrait également être composé de dispositifs de mémoire à accès permanent et aléatoire, ainsi que de contrôleurs et d'interfaces pour connecter des équipements externes - encore une fois, via des communications compatibles. À la suite du développement du concept de microcontrôleurs, le kit de microprocesseur a été complété par des dispositifs de service plus complexes, des registres, des pilotes de bus, des minuteries, etc.
Aujourd'hui, le microprocesseur est de moins en moins considéré comme un appareil à part entière dans le cadre des applications pratiques. La structure fonctionnelle et le principe de fonctionnement du microprocesseur déjà au stade de la conception sont guidés par l'utilisation dans le cadre d'un dispositif informatique conçu pour effectuer un certain nombre de tâches liées au traitement et à la gestion de l'information. Le maillon clé dans les processus d'organisation du fonctionnement d'un dispositif à microprocesseur est le contrôleur, qui maintient la configuration de contrôle et les modes d'interaction entre le cœur de calcul du système et les équipements externes. Un processeur intégré peut être considéré comme un lien intermédiaire entre le contrôleur et le microprocesseur. Sa fonctionnalité est axée sur la résolution de tâches auxiliaires qui ne sont pas directement liées à l'objectif du MT principal. Il peut notamment s'agir de fonctions de réseau et de communication qui assurent le fonctionnement du dispositif à microprocesseur.
Classifications des microprocesseurs
Même dans les configurations les plus simples, les MP disposent de nombreux paramètres techniques et opérationnels qui peuvent être utilisés pour définir des fonctionnalités de classification. Pour justifier les principaux niveaux de classification, on distingue généralement trois systèmes fonctionnels - opérationnel, d'interface et de contrôle. Chacune de ces pièces de travail fournit également un certain nombre de paramètres et de caractéristiques distinctives qui déterminent la nature du fonctionnement de l'appareil.
Du point de vue de la structure typique des microprocesseurs, la classification divisera principalement les appareils en modèles multipuces et monopuces. Les premiers se caractérisent par le fait que leurs unités de travail peuvent fonctionner hors ligne et exécuter des commandes prédéterminées. Et dans cet exemple, les députés seront prononcés, dans lesquels l'accent est mis sur la fonction opérationnelle. Ces sous-traitants se concentrent sur le traitement des données. Dans le même groupe, par exemple, les microprocesseurs à trois puces peuvent être le contrôle et l'interface. Cela ne signifie pas qu'ils n'ont pas de fonction opérationnelle, mais à des fins d'optimisation, la plupart des ressources de communication et d'alimentation sont allouées aux tâches de génération de micro-instructions ou à la capacité d'interagir avec des systèmes périphériques.
Quant aux MP à puce unique, ils sont développés avec un ensemble fixe d'instructions et un placement compact de tout le matérielsur un noyau. En termes de fonctionnalité, la structure d'un microprocesseur monopuce est assez limitée, bien qu'elle soit plus fiable que les configurations de segment d'analogues multipuces.
Une autre classification importante fait référence à la conception de l'interface des microprocesseurs. Nous parlons des moyens de traiter les signaux d'entrée, qui continuent aujourd'hui à être divisés en numérique et analogique. Bien que les processeurs eux-mêmes soient des appareils numériques, dans certains cas, l'utilisation de flux analogiques se justifie en termes de prix et de fiabilité. Pour la conversion, cependant, des convertisseurs spéciaux doivent être utilisés, qui contribuent à la charge énergétique et à la plénitude structurelle de la plate-forme de travail. Les MP analogiques (généralement à puce unique) exécutent les tâches des systèmes analogiques standard - par exemple, ils produisent une modulation, génèrent des oscillations, encodent et décodent un signal.
Selon le principe d'organisation temporaire du fonctionnement du MP, ils sont divisés en synchrone et asynchrone. La différence réside dans la nature du signal pour démarrer une nouvelle opération. Par exemple, dans le cas d'un dispositif synchrone, de telles commandes sont données par des modules de contrôle, indépendamment de l'exécution des opérations en cours. Dans le cas de MP asynchrones, un signal similaire peut être donné automatiquement à la fin de l'opération précédente. Pour ce faire, un circuit électronique est prévu dans la structure logique du microprocesseur de type asynchrone, qui assure le fonctionnement des composants individuels en mode hors ligne, si nécessaire. La complexité de mise en œuvre de ce mode d'organisation du travail du député tient au fait quetoujours au moment de l'achèvement d'une opération, il y a suffisamment de ressources certaines pour commencer la suivante. La mémoire du processeur est généralement utilisée comme lien de priorisation dans le choix même des opérations ultérieures.
Microprocesseurs à usage général et spécial
Le champ d'application principal de MP à usage général est les postes de travail, les ordinateurs personnels, les serveurs et les appareils électroniques destinés à un usage de masse. Leur infrastructure fonctionnelle est axée sur l'exécution d'un large éventail de tâches liées au traitement de l'information. De tels dispositifs sont développés par SPARC, Intel, Motorola, IBM et d'autres.
Des microprocesseurs spécialisés, dont les caractéristiques et la structure reposent sur de puissants contrôleurs, mettent en œuvre des procédures complexes de traitement et de conversion de signaux numériques et analogiques. Il s'agit d'un segment très diversifié avec des milliers de types de configuration. Les particularités de la structure MP de ce type incluent l'utilisation d'un cristal comme base pour le processeur central, qui, à son tour, peut être interfacé avec un grand nombre de périphériques. Parmi eux se trouvent les moyens d'entrée / sortie, les blocs avec minuteries, les interfaces, les convertisseurs analogique-numérique. Il est également pratiqué de connecter des dispositifs spécialisés tels que des blocs pour générer des signaux de largeur d'impulsion. En raison de l'utilisation de la mémoire interne, ces systèmes disposent d'un petit nombre de composants auxiliaires qui prennent en charge le fonctionnementmicrocontrôleur.
Spécifications du microprocesseur
Les paramètres de fonctionnement définissent la gamme des tâches de l'appareil et l'ensemble des composants qui, en principe, peuvent être utilisés dans une structure de microprocesseur particulière. Les principales caractéristiques de MP peuvent être représentées comme suit:
- Fréquence d'horloge. Indique le nombre d'opérations élémentaires que le système peut effectuer en 1 seconde. et est exprimé en MHz. Malgré les différences de structure, différents députés effectuent pour la plupart des tâches similaires, mais dans chaque cas, cela nécessite du temps individuel, ce qui se reflète dans le nombre de cycles. Plus le MP est puissant, plus il peut effectuer de procédures dans une unité de temps.
- Largeur. Le nombre de bits que le périphérique peut exécuter en même temps. Allouez la largeur de bus, le taux de transfert de données, les registres internes, etc.
- La quantité de mémoire cache. Il s'agit de la mémoire incluse dans la structure interne du microprocesseur et fonctionnant toujours à des fréquences limites. Dans la représentation physique, il s'agit d'un cristal placé sur la puce MP principale et couplé au cœur du bus du microprocesseur.
- Configuration. Dans ce cas, nous parlons de l'organisation des commandes et des méthodes d'adressage. En pratique, le type de configuration peut signifier la possibilité de combiner les processus d'exécution de plusieurs commandes en même temps, les modes et principes de fonctionnement MP, et la présence de périphériques dans le système à microprocesseur de base.
Architecture du microprocesseur
Dans l'ensemble, MP est universelprocesseur d'informations, mais dans certains domaines de son fonctionnement, des configurations spéciales pour l'exécution de sa structure sont souvent nécessaires. L'architecture des microprocesseurs reflète les spécificités de l'application d'un modèle particulier, entraînant les caractéristiques du matériel et des logiciels intégrés au système. Plus précisément, nous pouvons parler des actionneurs fournis, des registres de programme, des méthodes d'adressage et des jeux d'instructions.
Dans la représentation de l'architecture et des caractéristiques de fonctionnement du MP, ils utilisent souvent des schémas de dispositifs et l'interaction des registres logiciels disponibles qui contiennent des informations de contrôle et des opérandes (données traitées). Par conséquent, dans le modèle de registre, il existe un groupe de registres de service, ainsi que des segments pour stocker des opérandes à usage général. Sur cette base, la méthode d'exécution des programmes, le schéma d'organisation de la mémoire, le mode de fonctionnement et les caractéristiques du microprocesseur sont déterminés. La structure MP polyvalente, par exemple, peut comprendre un compteur de programme, ainsi que des registres pour l'état et la commande des modes de fonctionnement du système. Le flux de travail d'un appareil dans le cadre d'une configuration architecturale peut être représenté comme un modèle de transferts de registre, fournissant l'adressage, la sélection d'opérandes et d'instructions, le transfert de résultats, etc. L'exécution d'instructions différentes, quelle que soit l'affectation, affectera l'état registre, dont le contenu reflète l'état actuel du processeur.
Informations générales sur la structure des microprocesseurs
Dans ce cas, la structure doit être comprise non seulement comme un ensemble de composants du système de travail, mais aussides moyens de connexion entre eux, ainsi que des dispositifs qui assurent leur interaction. Comme dans la classification fonctionnelle, le contenu de la structure peut être exprimé à travers trois composants - le contenu opérationnel, les moyens de communication avec le bus et l'infrastructure de contrôle.
Le dispositif de la partie opérative détermine la nature du décodage des commandes et du traitement des données. Ce complexe peut comprendre des blocs fonctionnels arithmétiques-logiques, ainsi que des résistances pour le stockage temporaire d'informations, y compris des informations sur l'état du microprocesseur. La structure logique prévoit l'utilisation de résistances 16 bits qui exécutent non seulement des procédures logiques et arithmétiques, mais également des opérations de décalage. Le travail des registres peut être organisé selon différents schémas, qui déterminent, entre autres, leur accessibilité au programmeur. Un registre séparé est réservé à la fonction de batterie.
Les coupleurs de bus sont responsables des connexions aux équipements périphériques. L'éventail de leurs tâches comprend également la récupération de données en mémoire et la formation d'une file d'attente de commandes. La structure typique du microprocesseur comprend un pointeur de commande IP, des additionneurs d'adresses, des registres de segments et des tampons, à travers lesquels les liaisons avec les bus d'adresses sont desservies.
Le dispositif de contrôle, à son tour, génère des signaux de contrôle, décrypte la commande et assure également le fonctionnement du système informatique, émettant des micro-commandes pour les opérations MP internes.
Structure de MP de base
La structure simplifiée de ce microprocesseur offre deux fonctionsparties:
- Salle d'opération. Cette unité comprend des installations de contrôle et de traitement des données, ainsi qu'une mémoire à microprocesseur. Contrairement à la configuration complète, la structure de base du microprocesseur exclut les registres de segment. Certains dispositifs d'exécution sont combinés en une seule unité fonctionnelle, ce qui souligne également la nature optimisée de cette architecture.
- Interface. Essentiellement, un moyen de communication avec l'autoroute principale. Cette partie contient les registres de la mémoire interne et l'additionneur d'adresses.
Le principe du multiplexage du signal est souvent utilisé sur les canaux de sortie externes des MP de base. Cela signifie que la signalisation s'effectue sur des canaux communs en temps partagé. De plus, selon le mode de fonctionnement actuel du système, la même sortie peut être utilisée pour transmettre des signaux à des fins différentes.
Structure des instructions du microprocesseur
Cette structure dépend largement de la configuration générale et de la nature de l'interaction des blocs fonctionnels MP. Cependant, même au stade de la conception du système, les développeurs définissent les possibilités d'application d'un certain nombre d'opérations sur la base desquelles un ensemble de commandes est ensuite formé. Les fonctions de commande les plus courantes incluent:
- Transfert de données. La commande effectue les opérations d'attribution des valeurs des opérandes source et destination. Des registres ou des cellules de mémoire peuvent être utilisés comme ces derniers.
- Entrée-sortie. À traversLes périphériques d'interface d'E/S transfèrent les données aux ports. Conformément à la structure du microprocesseur et à son interaction avec le matériel périphérique et les unités internes, les commandes définissent les adresses de port.
- Conversion de type. Les formats et les valeurs de taille des opérandes utilisés sont déterminés.
- Interruptions. Ce type d'instruction est conçu pour contrôler les interruptions logicielles - par exemple, il peut s'agir d'un arrêt de la fonction du processeur pendant que les périphériques d'E / S commencent à fonctionner.
- Organisation des cycles. Les instructions modifient la valeur du registre ECX, qui peut être utilisé comme compteur lors de l'exécution de certains codes de programme.
En règle générale, des restrictions sont imposées sur les commandes de base liées à la capacité de fonctionner avec certaines quantités de mémoire, de gérer simultanément les registres et leur contenu.
Structure de gestion MP
Le système de contrôle MP est basé sur l'unité de contrôle, qui est associée à plusieurs parties fonctionnelles:
- Capteur de signal. Détermine la séquence et les paramètres des impulsions, en les répartissant uniformément dans le temps sur les bus. Parmi les caractéristiques du fonctionnement des capteurs figure le nombre de cycles et de signaux de commande nécessaires pour effectuer les opérations.
- Source des signaux. L'une des fonctions de l'unité de commande dans la structure du microprocesseur est affectée à la génération ou au traitement de signaux, c'est-à-dire à leur commutation dans un cycle spécifique sur un bus spécifique.
- Décodeur de code d'opération. Effectue le déchiffrement des codes opération présents dans le registre d'instructions surce moment. En plus de déterminer le bus actif, cette procédure permet également de générer une séquence d'impulsions de commande.
D'une importance non négligeable dans l'infrastructure de contrôle est un dispositif de stockage permanent qui contient dans ses cellules les signaux nécessaires pour effectuer des opérations de traitement. Pour compter les commandes lors du traitement des données d'impulsions, une unité de génération d'adresses peut être utilisée - il s'agit d'un composant nécessaire de la structure interne du microprocesseur, qui est inclus dans l'unité d'interface du système et vous permet de lire les détails des registres de mémoire avec des signaux en entier.
Composants du microprocesseur
La plupart des blocs fonctionnels, ainsi que les dispositifs externes, sont organisés entre eux et le microcircuit central MP via le bus interne. On peut dire qu'il s'agit du réseau fédérateur de l'appareil, fournissant un lien de communication complet. Une autre chose est que le bus peut également contenir des éléments à différentes fins fonctionnelles - par exemple, des circuits de transfert de données, des lignes de transfert de cellules de mémoire, ainsi qu'une infrastructure d'écriture et de lecture d'informations. La nature de l'interaction entre les blocs du bus lui-même est déterminée par la structure du microprocesseur. Les appareils inclus dans le MP, en plus du bus, incluent les éléments suivants:
- Unité logique arithmétique. Comme déjà mentionné, ce composant est conçu pour effectuer des opérations logiques et arithmétiques. Il fonctionne à la fois avec des données numériques et des caractères.
- Dispositif de contrôle. Responsable decoordination dans l'interaction des différentes parties du MT. En particulier, ce bloc génère des signaux de commande, les dirigeant vers différents modules du dispositif de la machine à certains moments.
- Mémoire du microprocesseur. Utilisé pour enregistrer, stocker et émettre des informations. Les données peuvent être associées à la fois à des opérations de calcul et à des processus au service de la machine.
- Processeur mathématique. Il est utilisé comme module auxiliaire pour augmenter la vitesse lors de l'exécution d'opérations de calcul complexes.
Caractéristiques de la structure du coprocesseur
Même dans le cadre de l'exécution d'opérations arithmétiques et logiques typiques, la capacité d'un MP conventionnel n'est pas suffisante. Par exemple, le microprocesseur n'a pas la capacité d'exécuter des instructions arithmétiques à virgule flottante. Pour de telles tâches, des coprocesseurs sont utilisés, dont la structure prévoit la combinaison d'un processeur central avec plusieurs MP. Dans le même temps, la logique de fonctionnement de l'appareil lui-même ne présente aucune différence fondamentale par rapport aux règles de base de la construction de microcircuits arithmétiques.
Les coprocesseurs exécutent des commandes typiques, mais en interaction étroite avec le module central. Cette configuration suppose une surveillance constante des files d'attente de commandes sur plusieurs lignes. Dans la structure physique d'un microprocesseur de ce type, il est permis d'utiliser un module indépendant pour fournir une entrée-sortie, dont une caractéristique est la possibilité de sélectionner ses commandes. Cependant, pour qu'un tel schéma fonctionne correctement, les coprocesseurs doivent clairement définir la source de sélection des instructions,coordonner l'interaction entre les modules.
Le principe de construction d'une structure généralisée d'un microprocesseur avec une configuration fortement couplée est également lié au concept d'un dispositif de coprocesseur. Si dans le cas précédent, nous pouvons parler d'un bloc d'E / S indépendant avec la possibilité de sa propre sélection de commandes, alors une configuration fortement couplée implique l'inclusion dans la structure d'un processeur indépendant qui contrôle les flux de commandes.
Conclusion
Les principes de création des microprocesseurs ont subi peu de changements depuis l'avènement des premiers appareils informatiques. Les caractéristiques, les conceptions et les exigences en matière de prise en charge des ressources ont changé, ce qui a radicalement changé l'ordinateur, mais le concept général avec les règles de base pour l'organisation des blocs fonctionnels reste pour la plupart le même. Cependant, l'avenir du développement de la structure des microprocesseurs pourrait être influencé par la nanotechnologie et l'avènement des systèmes informatiques quantiques. Aujourd'hui, ces domaines sont considérés au niveau théorique, mais les grandes entreprises travaillent activement sur les perspectives d'utilisation pratique de nouveaux circuits logiques basés sur des technologies innovantes. Par exemple, comme option possible pour le développement ultérieur de la MT, l'utilisation de particules moléculaires et subatomiques n'est pas exclue, et les circuits électriques traditionnels peuvent céder la place à des systèmes de rotation électronique dirigée. Cela permettra de créer des processeurs microscopiques avec une architecture fondamentalement nouvelle, dont les performances dépasseront de nombreuses fois celles d'aujourd'hui. MP.
