بشریت راه درازی را به سوی ایجاد رایانه طی کرده است که بدون آن تصور جامعه مدرن با تمام جنبه های زندگی آن در زمینه های صنعت، اقتصاد ملی و لوازم خانگی غیرممکن است. اما حتی امروز، پیشرفت هنوز متوقف نشده و اشکال جدیدی از کامپیوتری شدن را باز می کند. در مرکز توسعه فناوری برای چندین دهه اکنون ساختار ریزپردازنده (MP) قرار دارد که در پارامترهای عملکردی و طراحی آن در حال بهبود است.
مفهوم ریزپردازنده
در یک مفهوم کلی، مفهوم ریزپردازنده به عنوان یک دستگاه یا سیستم کنترل شده با برنامه بر اساس یک مدار مجتمع بزرگ (LSI) ارائه می شود. با کمک MP عملیات پردازش داده یا مدیریت سیستم هایی که اطلاعات را پردازش می کنند انجام می شود. در مراحل اولتوسعه MP بر اساس ریزمدارهای کم کارکرد جداگانه است که در آن ترانزیستورها در مقادیر از چند تا صدها وجود داشتند. ساده ترین ساختار ریزپردازنده معمولی می تواند شامل گروهی از ریزمدارها با پارامترهای الکتریکی، ساختاری و الکتریکی مشترک باشد. چنین سیستم هایی مجموعه ریزپردازنده نامیده می شوند. همراه با MP، یک سیستم همچنین می‌تواند شامل دستگاه‌های حافظه با دسترسی دائمی و تصادفی، و همچنین کنترل‌کننده‌ها و رابط‌هایی برای اتصال تجهیزات خارجی - دوباره از طریق ارتباطات سازگار باشد. در نتیجه توسعه مفهوم میکروکنترلرها، کیت ریزپردازنده با دستگاه های سرویس پیچیده تر، رجیسترها، درایورهای اتوبوس، تایمرها و غیره تکمیل شد.
امروزه، ریزپردازنده کمتر و کمتر به عنوان یک دستگاه جداگانه در زمینه کاربردهای عملی مورد توجه قرار می گیرد. ساختار عملکردی و اصل عملکرد ریزپردازنده در مراحل طراحی با استفاده به عنوان بخشی از یک دستگاه محاسباتی طراحی شده برای انجام تعدادی از وظایف مربوط به پردازش و مدیریت اطلاعات هدایت می شود. پیوند کلیدی در فرآیندهای سازماندهی عملکرد یک دستگاه ریزپردازنده، کنترل کننده است که پیکربندی کنترل و حالت های تعامل بین هسته محاسباتی سیستم و تجهیزات خارجی را حفظ می کند. یک پردازنده یکپارچه را می توان به عنوان یک پیوند میانی بین کنترل کننده و ریزپردازنده در نظر گرفت. عملکرد آن بر حل وظایف کمکی متمرکز است که مستقیماً با هدف اصلی MT مرتبط نیستند.به ویژه، اینها می توانند توابع شبکه و ارتباطی باشند که عملکرد دستگاه ریزپردازنده را تضمین می کنند.
طبقه بندی ریزپردازنده ها
حتی در ساده ترین پیکربندی ها، MP ها پارامترهای فنی و عملیاتی زیادی دارند که می توان از آنها برای تنظیم ویژگی های طبقه بندی استفاده کرد. برای توجیه سطوح اصلی طبقه بندی، معمولاً سه سیستم عملکردی - عملیاتی، رابط و کنترل متمایز می شوند. هر یک از این بخش‌های کاری تعدادی پارامتر و ویژگی‌های متمایز را ارائه می‌کنند که ماهیت عملکرد دستگاه را تعیین می‌کنند.
از نقطه نظر ساختار معمولی ریزپردازنده ها، طبقه بندی در درجه اول دستگاه ها را به مدل های چند تراشه ای و تک تراشه ای تقسیم می کند. مشخصه اولی این است که واحدهای کاری آنها می توانند به صورت آفلاین عمل کنند و دستورات از پیش تعیین شده را اجرا کنند. و در این مثال MPs تلفظ می شود که در آن تاکید بر عملکرد عملیاتی است. چنین پردازنده هایی بر پردازش داده ها متمرکز هستند. در همین گروه، به عنوان مثال، ریزپردازنده های سه تراشه ای می توانند کنترل و رابط باشند. این بدان معنا نیست که آنها عملکرد عملیاتی ندارند، اما برای اهداف بهینه‌سازی، بیشتر منابع ارتباطی و توان به وظایف تولید ریزدستورالعمل یا توانایی تعامل با سیستم‌های جانبی اختصاص داده می‌شود.
درمورد MP های تک تراشه، آنها با مجموعه ای ثابت از دستورالعمل ها و قرار دادن فشرده همه سخت افزارها توسعه یافته اند.روی یک هسته از نظر عملکرد، ساختار یک ریزپردازنده تک تراشه کاملاً محدود است، اگرچه قابل اعتمادتر از پیکربندی های بخش آنالوگ های چند تراشه است.
طبقه بندی مهم دیگر به طراحی رابط ریزپردازنده ها اشاره دارد. ما در مورد روش هایی برای پردازش سیگنال های ورودی صحبت می کنیم که امروزه همچنان به دو دسته دیجیتال و آنالوگ تقسیم می شوند. اگرچه خود پردازنده ها دستگاه های دیجیتالی هستند، اما در برخی موارد استفاده از جریان های آنالوگ از نظر قیمت و قابلیت اطمینان خود را توجیه می کند. با این حال، برای تبدیل، باید از مبدل های ویژه ای استفاده شود که به بار انرژی و پر بودن ساختار پلت فرم کار کمک می کند. MP های آنالوگ (معمولا تک تراشه ای) وظایف سیستم های آنالوگ استاندارد را انجام می دهند - به عنوان مثال، آنها مدولاسیون تولید می کنند، نوسان ایجاد می کنند، یک سیگنال را رمزگذاری و رمزگشایی می کنند.
طبق اصل سازماندهی موقت عملکرد MP، آنها به سنکرون و ناهمزمان تقسیم می شوند. تفاوت در ماهیت سیگنال برای شروع یک عملیات جدید است. به عنوان مثال، در مورد یک دستگاه سنکرون، بدون توجه به اجرای عملیات جاری، چنین دستوراتی توسط ماژول های کنترل داده می شود. در مورد MP های ناهمزمان، سیگنال مشابهی می تواند به طور خودکار پس از اتمام عملیات قبلی داده شود. برای انجام این کار، یک مدار الکترونیکی در ساختار منطقی ریزپردازنده نوع ناهمزمان ارائه شده است که در صورت لزوم عملکرد اجزای جداگانه را در حالت آفلاین تضمین می کند. پیچیدگی اجرای این روش سازماندهی کار نماینده مجلس به این دلیل است کههمیشه در لحظه اتمام یک عملیات منابع معین کافی برای شروع عملیات بعدی وجود دارد. حافظه پردازنده معمولاً به عنوان پیوند اولویت‌بندی در انتخاب عملیات بعدی استفاده می‌شود.
ریزپردازنده برای مقاصد عمومی و ویژه
حوزه اصلی MP همه منظوره ایستگاه های کاری، رایانه های شخصی، سرورها و دستگاه های الکترونیکی است که برای استفاده انبوه در نظر گرفته شده اند. زیرساخت عملکردی آنها بر انجام طیف وسیعی از وظایف مربوط به پردازش اطلاعات متمرکز است. چنین دستگاه هایی توسط SPARC، Intel، Motorola، IBM و دیگران در حال توسعه هستند.
ریزپردازنده های تخصصی که ویژگی ها و ساختار آنها مبتنی بر کنترل کننده های قدرتمند است، رویه های پیچیده ای را برای پردازش و تبدیل سیگنال های دیجیتال و آنالوگ اجرا می کنند. این یک بخش بسیار متنوع با هزاران نوع پیکربندی است. ویژگی های ساختار MP این نوع شامل استفاده از یک کریستال به عنوان پایه برای پردازنده مرکزی است که به نوبه خود می تواند با تعداد زیادی از دستگاه های جانبی ارتباط برقرار کند. از جمله آنها می توان به وسایل ورودی / خروجی، بلوک های دارای تایمر، رابط ها، مبدل های آنالوگ به دیجیتال اشاره کرد. همچنین برای اتصال دستگاه‌های تخصصی مانند بلوک‌ها برای تولید سیگنال‌های عرض پالس نیز تمرین می‌شود. به دلیل استفاده از حافظه داخلی، چنین سیستم هایی دارای تعداد کمی از اجزای کمکی هستند که عملیات را پشتیبانی می کنندمیکروکنترلر.
مشخصات ریزپردازنده
پارامترهای عملیاتی محدوده وظایف دستگاه و مجموعه اجزایی را که اصولاً می‌توان در یک ساختار ریزپردازنده خاص استفاده کرد، مشخص می‌کند. ویژگی های اصلی MP را می توان به صورت زیر نشان داد:
- فرکانس ساعت. تعداد عملیات ابتدایی که سیستم می تواند در 1 ثانیه انجام دهد را نشان می دهد. و بر حسب مگاهرتز بیان می شود. علیرغم تفاوت در ساختار، نمایندگان مجلس مختلف عمدتا وظایف مشابهی را انجام می دهند، اما در هر مورد نیاز به زمان فردی دارد که در تعداد چرخه ها منعکس می شود. هرچه MP قدرتمندتر باشد، می‌تواند رویه‌های بیشتری را در یک واحد زمانی انجام دهد.
- عرض. تعداد بیت هایی که دستگاه می تواند همزمان اجرا کند. تخصیص عرض گذرگاه، سرعت انتقال داده، رجیسترهای داخلی و غیره.
- مقدار حافظه کش. این حافظه ای است که در ساختار داخلی ریزپردازنده گنجانده شده است و همیشه در فرکانس های محدود کار می کند. در نمایش فیزیکی، این یک کریستال است که روی تراشه MP اصلی قرار گرفته و به هسته گذرگاه ریزپردازنده متصل شده است.
- پیکربندی. در این مورد، ما در مورد سازماندهی دستورات و روش های آدرس دهی صحبت می کنیم. در عمل، نوع پیکربندی می تواند به معنای امکان ترکیب فرآیندهای اجرای چندین دستور به طور همزمان، حالت ها و اصول عملکرد MP و وجود دستگاه های جانبی در سیستم ریزپردازنده پایه باشد.
معماری ریزپردازنده
به طور کلی، MP جهانی استپردازشگر اطلاعات، اما در برخی از مناطق عملیاتی آن، اغلب به تنظیمات خاصی برای اجرای ساختار آن نیاز است. معماری ریزپردازنده ها منعکس کننده ویژگی های کاربرد یک مدل خاص است که باعث ویژگی های سخت افزار و نرم افزار یکپارچه شده در سیستم می شود. به طور خاص، ما می توانیم در مورد محرک های ارائه شده، ثبات های برنامه، روش های آدرس دهی و مجموعه دستورالعمل ها صحبت کنیم.
در نمایش معماری و ویژگی‌های عملکرد MP، اغلب از نمودارهای دستگاه و تعامل ثبات‌های نرم‌افزاری موجود که حاوی اطلاعات کنترلی و عملوندها (داده‌های پردازش شده) هستند، استفاده می‌کنند. بنابراین، در مدل ثبات گروهی از ثبات های خدمات و همچنین بخش هایی برای ذخیره عملوندهای همه منظوره وجود دارد. بر این اساس، روش اجرای برنامه ها، طرح سازماندهی حافظه، نحوه عملکرد و ویژگی های ریزپردازنده تعیین می شود. به عنوان مثال، ساختار MP همه منظوره ممکن است شامل یک شمارنده برنامه و همچنین ثبت کننده هایی برای وضعیت و کنترل حالت های عملکرد سیستم باشد. گردش کار یک دستگاه در زمینه یک پیکربندی معماری می تواند به عنوان مدلی از انتقال ثبت، ارائه آدرس، انتخاب عملوندها و دستورالعمل ها، انتقال نتایج و غیره نمایش داده شود. اجرای دستورالعمل های مختلف، صرف نظر از انتساب، بر وضعیت تأثیر می گذارد. ثبت نام که محتویات آن نشان دهنده وضعیت فعلی پردازنده است.
اطلاعات عمومی درباره ساختار ریزپردازنده ها
در این مورد، ساختار را نه تنها باید به عنوان مجموعه ای از اجزای سیستم کاری درک کرد، بلکه باید آن را نیز درک کرد.وسایل ارتباط بین آنها و همچنین وسایلی که تعامل آنها را تضمین می کند. همانطور که در طبقه بندی عملکردی، محتوای ساختار را می توان از طریق سه جزء بیان کرد - محتوای عملیاتی، وسایل ارتباطی با اتوبوس و زیرساخت کنترل.
دستگاه بخش عامل ماهیت رمزگشایی دستور و پردازش داده را تعیین می کند. این مجموعه ممکن است شامل بلوک های عملکردی حسابی-منطقی و همچنین مقاومت هایی برای ذخیره موقت اطلاعات، از جمله اطلاعات مربوط به وضعیت ریزپردازنده باشد. ساختار منطقی امکان استفاده از مقاومت های 16 بیتی را فراهم می کند که نه تنها رویه های منطقی و حسابی را انجام می دهند، بلکه عملیات شیفت را نیز انجام می دهند. کار رجیسترها را می‌توان بر اساس طرح‌های مختلفی سازماندهی کرد، که از جمله، دسترسی آنها به برنامه‌نویس را تعیین می‌کند. یک ثبت جداگانه برای عملکرد بسته باتری رزرو شده است.
کوپلرهای اتوبوس مسئول اتصال به تجهیزات جانبی هستند. دامنه وظایف آنها همچنین شامل واکشی داده ها از حافظه و تشکیل یک صف از دستورات است. ساختار ریزپردازنده معمولی شامل یک اشاره گر فرمان IP، جمع کننده آدرس، ثبات بخش و بافر است که از طریق آنها پیوندها با گذرگاه های آدرس سرویس می شوند.
دستگاه کنترل به نوبه خود سیگنال های کنترلی تولید می کند، فرمان را رمزگشایی می کند و همچنین عملکرد سیستم محاسباتی را تضمین می کند و دستورات میکرو را برای عملیات MP داخلی صادر می کند.
ساختار MP پایه
ساختار ساده شده این ریزپردازنده دو عملکرد را ارائه می دهدقطعات:
- اتاق عمل. این واحد شامل امکانات کنترل و پردازش داده و همچنین حافظه ریزپردازنده می باشد. بر خلاف پیکربندی کامل، ساختار اصلی ریزپردازنده، ثبت بخش‌ها را مستثنی می‌کند. برخی از دستگاه های اجرایی در یک واحد عملکردی ترکیب شده اند که بر ماهیت بهینه سازی این معماری نیز تأکید دارد.
- رابط. در اصل وسیله ای برای برقراری ارتباط با بزرگراه اصلی است. این بخش شامل رجیسترهای حافظه داخلی و جمع کننده آدرس است.
اصل مالتی پلکس کردن سیگنال اغلب در کانال های خروجی خارجی MPs اصلی استفاده می شود. این بدان معنی است که سیگنال دهی از طریق کانال های اشتراک زمانی مشترک انجام می شود. علاوه بر این، بسته به حالت عملکرد فعلی سیستم، می توان از همان خروجی برای انتقال سیگنال برای اهداف مختلف استفاده کرد.
ساختار دستورالعمل ریزپردازنده
این ساختار تا حد زیادی به پیکربندی کلی و ماهیت تعامل بلوک های عملکردی MP بستگی دارد. با این حال، حتی در مرحله طراحی سیستم، توسعه دهندگان امکاناتی را برای اعمال یک آرایه خاصی از عملیات تعیین می کنند که بر اساس آن مجموعه ای از دستورات متعاقبا تشکیل می شود. متداول ترین توابع فرمان عبارتند از:
- انتقال داده. دستور عملیات تخصیص مقادیر عملوندهای مبدا و مقصد را انجام می دهد. از رجیسترها یا سلول های حافظه می توان به عنوان دومی استفاده کرد.
- ورودی-خروجی. از طریقدستگاه های رابط ورودی/خروجی داده ها را به پورت ها منتقل می کنند. مطابق با ساختار ریزپردازنده و تعامل آن با سخت‌افزار جانبی و واحدهای داخلی، دستورات آدرس‌های پورت را تنظیم می‌کنند.
- تبدیل نوع. فرمت ها و مقادیر اندازه عملوندهای مورد استفاده تعیین می شود.
- وقفه. این نوع دستورالعمل برای کنترل وقفه‌های نرم‌افزار طراحی شده است - برای مثال، می‌تواند یک توقف عملکرد پردازنده باشد در حالی که دستگاه‌های I/O شروع به کار می‌کنند.
- سازمان چرخه ها. دستورالعمل ها مقدار ثبات ECX را تغییر می دهند، که می تواند به عنوان شمارنده در هنگام اجرای کد برنامه خاص استفاده شود.
به عنوان یک قاعده، محدودیت هایی بر دستورات اساسی مربوط به توانایی کار با مقادیر مشخصی حافظه، مدیریت همزمان ثبات ها و محتویات آنها اعمال می شود.
ساختار مدیریت MP
سیستم کنترل MP بر اساس واحد کنترل است که با چندین بخش عملکردی مرتبط است:
- حسگر سیگنال. توالی و پارامترهای پالس ها را تعیین می کند و آنها را به طور مساوی در زمان بین اتوبوس ها توزیع می کند. از جمله ویژگی های عملکرد سنسورها تعداد سیکل ها و سیگنال های کنترلی مورد نیاز برای انجام عملیات است.
- منبع سیگنال ها. یکی از وظایف واحد کنترل در ساختار ریزپردازنده به تولید یا پردازش سیگنال ها اختصاص دارد - یعنی سوئیچینگ آنها در یک چرخه خاص در یک گذرگاه خاص.
- رمزگشای کد عملیات. رمزگشایی کدهای عملیات موجود در ثبت دستورالعمل را انجام می دهداین لحظه. همراه با تعیین گذرگاه فعال، این روش همچنین به تولید یک دنباله از پالس های کنترلی کمک می کند.
اهمیت چندانی در زیرساخت کنترل ندارد، یک دستگاه ذخیره سازی دائمی است که در سلول های خود سیگنال های مورد نیاز برای انجام عملیات پردازش را در خود دارد. برای شمارش دستورات هنگام پردازش داده های پالس، می توان از واحد تولید آدرس استفاده کرد - این یک جزء ضروری از ساختار داخلی ریزپردازنده است که در واحد رابط سیستم گنجانده شده است و به شما امکان می دهد جزئیات ثبت های حافظه را بخوانید. با سیگنال ها به طور کامل.
اجزای ریزپردازنده
بیشتر بلوک های کاربردی، و همچنین دستگاه های خارجی، بین خود و MP ریزمدار مرکزی از طریق گذرگاه داخلی سازماندهی شده اند. می توان گفت که این شبکه ستون فقرات دستگاه است که یک پیوند ارتباطی جامع را ارائه می دهد. نکته دیگر این است که اتوبوس همچنین می تواند حاوی عناصری با اهداف عملکردی مختلف باشد - به عنوان مثال، مدارهایی برای انتقال داده، خطوط انتقال سلول های حافظه، و همچنین زیرساختی برای نوشتن و خواندن اطلاعات. ماهیت تعامل بین بلوک های خود اتوبوس توسط ساختار ریزپردازنده تعیین می شود. دستگاه های موجود در MP، علاوه بر اتوبوس، شامل موارد زیر است:
- واحد منطق حسابی. همانطور که قبلا ذکر شد، این جزء برای انجام عملیات منطقی و حسابی طراحی شده است. با داده های عددی و کاراکتری کار می کند.
- دستگاه را کنترل کنید. مسئولهماهنگی در تعامل بخش های مختلف MT. به طور خاص، این بلوک سیگنال‌های کنترلی تولید می‌کند و آنها را در مقاطع زمانی معینی به ماژول‌های مختلف دستگاه هدایت می‌کند.
- حافظه ریزپردازنده. برای ثبت، ذخیره و صدور اطلاعات استفاده می شود. داده‌ها را می‌توان هم با عملیات محاسباتی و هم با فرآیندهایی که به ماشین خدمت می‌کنند مرتبط کرد.
- پردازنده ریاضی. این ماژول به عنوان یک ماژول کمکی برای افزایش سرعت هنگام انجام عملیات محاسباتی پیچیده استفاده می شود.
ویژگی های ساختار کمک پردازنده
حتی در چارچوب انجام عملیات معمولی حسابی و منطقی، ظرفیت کافی MP معمولی وجود ندارد. به عنوان مثال، ریزپردازنده توانایی اجرای دستورات حسابی ممیز شناور را ندارد. برای چنین وظایفی از پردازنده های مشترک استفاده می شود که ساختار آنها ترکیب یک پردازنده مرکزی با چندین MP را فراهم می کند. در عین حال، منطق عملکرد دستگاه هیچ تفاوت اساسی با قوانین اساسی برای ساخت ریزمدارهای حسابی ندارد.
Coprocessors دستورات معمولی را اجرا می کنند، اما در تعامل نزدیک با ماژول مرکزی. این پیکربندی نظارت ثابتی از صف های فرمان در چندین خط را فرض می کند. در ساختار فیزیکی یک ریزپردازنده از این نوع، مجاز به استفاده از یک ماژول مستقل برای ارائه ورودی-خروجی است که یکی از ویژگی های آن امکان انتخاب دستورات آن است. با این حال، برای اینکه چنین طرحی به درستی کار کند، پردازنده‌های مشترک باید منبع انتخاب دستورالعمل را به وضوح تعریف کنند.هماهنگی تعامل بین ماژول ها.
اصل ساخت یک ساختار تعمیم یافته یک ریزپردازنده با پیکربندی قویاً جفت شده نیز با مفهوم دستگاه کمک پردازنده مرتبط است. اگر در مورد قبلی بتوانیم در مورد یک بلوک I/O مستقل با امکان انتخاب دستورات خود صحبت کنیم، در این صورت یک پیکربندی قویاً همراه شامل گنجاندن در ساختار یک پردازنده مستقل است که جریان های فرمان را کنترل می کند.
نتیجه گیری
اصول ایجاد ریزپردازنده از زمان ظهور اولین دستگاه های محاسباتی دستخوش تغییرات اندکی شده است. ویژگی‌ها، طرح‌ها و الزامات پشتیبانی منابع تغییر کرده است، که کامپیوتر را به شدت تغییر داده است، اما مفهوم کلی با قوانین اساسی برای سازماندهی بلوک‌های عملکردی در بیشتر موارد یکسان است. با این حال، آینده توسعه ساختار ریزپردازنده ممکن است تحت تأثیر فناوری نانو و ظهور سیستم‌های محاسباتی کوانتومی باشد. امروزه، چنین حوزه هایی در سطح نظری مورد توجه قرار می گیرند، اما شرکت های بزرگ به طور فعال در حال کار بر روی چشم انداز استفاده عملی از مدارهای منطقی جدید مبتنی بر فناوری های نوآورانه هستند. به عنوان مثال، به عنوان یک گزینه احتمالی برای توسعه بیشتر MT، استفاده از ذرات مولکولی و زیر اتمی منتفی نیست و مدارهای الکتریکی سنتی می توانند جای خود را به سیستم های چرخش هدایت شده الکترون بدهند. این امکان ایجاد پردازنده های میکروسکوپی با معماری اساسی جدید را فراهم می کند که عملکرد آنها چندین برابر امروزی خواهد بود. MP.
