Manusia telah menempuh perjalanan panjang menuju penciptaan komputer, yang tanpanya mustahil membayangkan masyarakat modern dengan segala aspek kehidupannya di bidang industri, ekonomi nasional, dan peralatan rumah tangga. Tetapi bahkan hari ini, kemajuan tidak berhenti, membuka bentuk-bentuk baru komputerisasi. Di pusat pengembangan teknologi selama beberapa dekade sekarang adalah struktur mikroprosesor (MP), yang sedang ditingkatkan dalam parameter fungsional dan desainnya.
Konsep mikroprosesor
Secara umum, konsep mikroprosesor disajikan sebagai perangkat atau sistem yang dikendalikan program berdasarkan sirkuit terintegrasi besar (LSI). Dengan bantuan MP, operasi pemrosesan data atau manajemen sistem yang memproses informasi dilakukan. Pada tahap pertamaPengembangan MP didasarkan pada sirkuit mikro fungsional rendah yang terpisah, di mana transistor hadir dalam jumlah dari beberapa hingga ratusan. Struktur mikroprosesor tipikal yang paling sederhana dapat berisi sekelompok sirkuit mikro dengan parameter listrik, struktural, dan listrik yang sama. Sistem seperti itu disebut set mikroprosesor. Bersamaan dengan MP, satu sistem juga dapat terdiri dari perangkat memori akses permanen dan acak, serta pengontrol dan antarmuka untuk menghubungkan peralatan eksternal - sekali lagi, melalui komunikasi yang kompatibel. Sebagai hasil pengembangan konsep mikrokontroler, kit mikroprosesor dilengkapi dengan perangkat layanan yang lebih kompleks, register, driver bus, timer, dll.
Saat ini, mikroprosesor semakin tidak dianggap sebagai perangkat terpisah dalam konteks aplikasi praktis. Struktur fungsional dan prinsip pengoperasian mikroprosesor yang sudah pada tahap desain dipandu oleh penggunaan sebagai bagian dari perangkat komputasi yang dirancang untuk melakukan sejumlah tugas yang terkait dengan pemrosesan dan pengelolaan informasi. Tautan kunci dalam proses pengorganisasian pengoperasian perangkat mikroprosesor adalah pengontrol, yang mempertahankan konfigurasi kontrol dan mode interaksi antara inti komputasi sistem dan peralatan eksternal. Prosesor terintegrasi dapat dianggap sebagai penghubung antara pengontrol dan mikroprosesor. Fungsionalitasnya difokuskan pada penyelesaian tugas bantu yang tidak terkait langsung dengan tujuan utama MT. Secara khusus, ini dapat berupa fungsi jaringan dan komunikasi yang memastikan pengoperasian perangkat mikroprosesor.
Klasifikasi mikroprosesor
Bahkan dalam konfigurasi yang paling sederhana, MP memiliki banyak parameter teknis dan operasional yang dapat digunakan untuk mengatur fitur klasifikasi. Untuk membenarkan tingkat klasifikasi utama, tiga sistem fungsional biasanya dibedakan - operasional, antarmuka, dan kontrol. Masing-masing bagian kerja ini juga menyediakan sejumlah parameter dan fitur pembeda yang menentukan sifat pengoperasian perangkat.
Dari sudut pandang struktur khas mikroprosesor, klasifikasi utamanya akan membagi perangkat menjadi model multi-chip dan single-chip. Yang pertama dicirikan oleh fakta bahwa unit kerja mereka dapat berfungsi secara offline dan menjalankan perintah yang telah ditentukan. Dan dalam contoh ini, anggota parlemen akan diucapkan, di mana penekanannya adalah pada fungsi operasional. Prosesor semacam itu difokuskan pada pemrosesan data. Dalam kelompok yang sama, misalnya, mikroprosesor tiga chip dapat menjadi kontrol dan antarmuka. Ini tidak berarti bahwa mereka tidak memiliki fungsi operasional, tetapi untuk tujuan pengoptimalan, sebagian besar sumber daya komunikasi dan daya dialokasikan untuk tugas menghasilkan instruksi mikro atau kemampuan untuk berinteraksi dengan sistem periferal.
Adapun MP chip tunggal, mereka dikembangkan dengan serangkaian instruksi tetap dan penempatan semua perangkat keras yang kompakpada satu inti. Dalam hal fungsionalitas, struktur mikroprosesor chip tunggal cukup terbatas, meskipun lebih dapat diandalkan daripada konfigurasi segmen analog multi-chip.
Klasifikasi penting lainnya mengacu pada desain antarmuka mikroprosesor. Kita berbicara tentang cara memproses sinyal input, yang saat ini terus dibagi menjadi digital dan analog. Meskipun prosesor itu sendiri adalah perangkat digital, dalam beberapa kasus penggunaan aliran analog membenarkan dirinya dalam hal harga dan keandalan. Namun, untuk konversi, konverter khusus harus digunakan, yang berkontribusi pada beban energi dan kepenuhan struktural dari platform kerja. Analog MP (biasanya chip tunggal) melakukan tugas sistem analog standar - misalnya, mereka menghasilkan modulasi, menghasilkan osilasi, mengkodekan dan mendekode sinyal.
Menurut prinsip organisasi sementara fungsi MP, mereka dibagi menjadi sinkron dan asinkron. Perbedaannya terletak pada sifat sinyal untuk memulai operasi baru. Misalnya, dalam kasus perangkat sinkron, perintah tersebut diberikan oleh modul kontrol, terlepas dari eksekusi operasi saat ini. Dalam kasus MP asinkron, sinyal serupa dapat diberikan secara otomatis setelah menyelesaikan operasi sebelumnya. Untuk melakukan ini, sirkuit elektronik disediakan dalam struktur logis dari mikroprosesor tipe asinkron, yang memastikan pengoperasian masing-masing komponen dalam mode offline, jika perlu. Kompleksitas penerapan metode pengorganisasian pekerjaan MP ini disebabkan oleh kenyataan bahwaselalu pada saat penyelesaian satu operasi ada cukup sumber daya tertentu untuk memulai yang berikutnya. Memori prosesor biasanya digunakan sebagai tautan prioritas dalam pilihan operasi selanjutnya.
Mikroprosesor untuk keperluan umum dan khusus
Cakupan utama MP tujuan umum adalah workstation, komputer pribadi, server, dan perangkat elektronik yang ditujukan untuk penggunaan massal. Infrastruktur fungsional mereka difokuskan untuk melakukan berbagai tugas yang terkait dengan pemrosesan informasi. Perangkat tersebut sedang dikembangkan oleh SPARC, Intel, Motorola, IBM, dan lainnya.
Mikroprosesor khusus, yang karakteristik dan strukturnya didasarkan pada pengontrol yang kuat, menerapkan prosedur kompleks untuk memproses dan mengubah sinyal digital dan analog. Ini adalah segmen yang sangat beragam dengan ribuan jenis konfigurasi. Keunikan struktur MP jenis ini termasuk penggunaan satu kristal sebagai dasar untuk prosesor pusat, yang, pada gilirannya, dapat dihubungkan dengan sejumlah besar perangkat periferal. Diantaranya adalah sarana input/output, blok dengan timer, interface, konverter analog-ke-digital. Hal ini juga dipraktekkan untuk menghubungkan perangkat khusus seperti blok untuk menghasilkan sinyal lebar pulsa. Karena penggunaan memori internal, sistem tersebut memiliki sejumlah kecil komponen tambahan yang mendukung operasimikrokontroler.
Spesifikasi mikroprosesor
Parameter operasi menentukan rentang tugas perangkat dan kumpulan komponen yang, pada prinsipnya, dapat digunakan dalam struktur mikroprosesor tertentu. Karakteristik utama MP dapat direpresentasikan sebagai berikut:
- Frekuensi jam. Menunjukkan jumlah operasi dasar yang dapat dilakukan sistem dalam 1 detik. dan dinyatakan dalam MHz. Terlepas dari perbedaan struktur, anggota parlemen yang berbeda sebagian besar melakukan tugas yang sama, tetapi dalam setiap kasus memerlukan waktu individu, yang tercermin dalam jumlah siklus. Semakin kuat MP, semakin banyak prosedur yang dapat dilakukan dalam satu unit waktu.
- Lebar. Jumlah bit yang dapat dieksekusi perangkat pada saat yang bersamaan. Alokasikan lebar bus, kecepatan transfer data, register internal, dll.
- Jumlah memori cache. Ini adalah memori yang termasuk dalam struktur internal mikroprosesor dan selalu beroperasi pada frekuensi yang terbatas. Dalam representasi fisik, ini adalah kristal yang ditempatkan pada chip MP utama dan digabungkan ke inti bus mikroprosesor.
- Konfigurasi. Dalam hal ini, kita berbicara tentang organisasi perintah dan metode pengalamatan. Dalam praktiknya, jenis konfigurasi dapat berarti kemungkinan menggabungkan proses eksekusi beberapa perintah secara bersamaan, mode dan prinsip operasi MP, dan keberadaan perangkat periferal dalam sistem mikroprosesor dasar.
Arsitektur mikroprosesor
Pada umumnya, MP bersifat universalpengolah informasi, tetapi di beberapa area operasinya, konfigurasi khusus untuk pelaksanaan strukturnya sering kali diperlukan. Arsitektur mikroprosesor mencerminkan kekhususan penerapan model tertentu, menyebabkan fitur perangkat keras dan perangkat lunak terintegrasi ke dalam sistem. Secara khusus, kita dapat berbicara tentang aktuator yang disediakan, register program, metode pengalamatan dan set instruksi.
Dalam representasi arsitektur dan fitur fungsi MP, mereka sering menggunakan diagram perangkat dan interaksi register perangkat lunak yang tersedia yang berisi informasi kontrol dan operan (data yang diproses). Oleh karena itu, dalam model register ada sekelompok register layanan, serta segmen untuk menyimpan operan tujuan umum. Atas dasar ini, metode pelaksanaan program, skema organisasi memori, mode operasi dan karakteristik mikroprosesor ditentukan. Struktur MP tujuan umum, misalnya, dapat mencakup penghitung program, serta register untuk status dan kontrol mode operasi sistem. Alur kerja perangkat dalam konteks konfigurasi arsitektur dapat direpresentasikan sebagai model transfer register, memberikan pengalamatan, memilih operan dan instruksi, mentransfer hasil, dll. Eksekusi instruksi yang berbeda, terlepas dari penugasannya, akan mempengaruhi status register, yang isinya mencerminkan status prosesor saat ini.
Informasi umum tentang struktur mikroprosesor
Dalam hal ini, struktur harus dipahami tidak hanya sebagai kumpulan komponen dari sistem kerja, tetapi jugasarana koneksi di antara mereka, serta perangkat yang memastikan interaksi mereka. Seperti dalam klasifikasi fungsional, isi dari struktur dapat diekspresikan melalui tiga komponen - isi operasional, sarana komunikasi dengan bus dan infrastruktur kontrol.
Perangkat bagian operasi menentukan sifat decoding perintah dan pemrosesan data. Kompleks ini dapat mencakup blok fungsional aritmatika-logika, serta resistor untuk penyimpanan informasi sementara, termasuk informasi tentang keadaan mikroprosesor. Struktur logika menyediakan penggunaan resistor 16-bit yang melakukan tidak hanya prosedur logis dan aritmatika, tetapi juga operasi shift. Pekerjaan register dapat diatur menurut skema yang berbeda, yang menentukan, antara lain, aksesibilitasnya ke programmer. Register terpisah disediakan untuk fungsi baterai.
Bus coupler bertanggung jawab untuk koneksi ke peralatan periferal. Rentang tugas mereka juga termasuk mengambil data dari memori dan membentuk antrian perintah. Struktur mikroprosesor tipikal mencakup penunjuk perintah IP, penambah alamat, register segmen, dan buffer, yang melaluinya tautan dengan bus alamat dilayani.
Perangkat kontrol, pada gilirannya, menghasilkan sinyal kontrol, mendekripsi perintah, dan juga memastikan pengoperasian sistem komputasi, mengeluarkan perintah mikro untuk operasi MP internal.
Struktur MP dasar
Struktur sederhana dari mikroprosesor ini menyediakan dua fungsibagian:
- Ruang operasi. Unit ini mencakup fasilitas kontrol dan pemrosesan data, serta memori mikroprosesor. Berbeda dengan konfigurasi penuh, struktur mikroprosesor dasar tidak termasuk register segmen. Beberapa perangkat eksekusi digabungkan menjadi satu unit fungsional, yang juga menekankan sifat optimal dari arsitektur ini.
- Antarmuka. Intinya, sarana menyediakan komunikasi dengan jalan raya utama. Bagian ini berisi register memori internal dan penambah alamat.
Prinsip multiplexing sinyal sering digunakan pada saluran keluaran eksternal MP dasar. Ini berarti bahwa pensinyalan terjadi melalui saluran pembagian waktu yang umum. Selain itu, tergantung pada mode operasi sistem saat ini, output yang sama dapat digunakan untuk mengirimkan sinyal untuk tujuan yang berbeda.
Struktur instruksi mikroprosesor
Struktur ini sangat bergantung pada konfigurasi umum dan sifat interaksi blok fungsional MP. Namun, bahkan pada tahap desain sistem, pengembang menetapkan kemungkinan untuk menerapkan larik operasi tertentu berdasarkan serangkaian perintah yang kemudian dibentuk. Fungsi perintah yang paling umum meliputi:
- Transfer data. Perintah melakukan operasi menetapkan nilai operan sumber dan tujuan. Register atau sel memori dapat digunakan sebagai yang terakhir.
- Masukan-keluaran. MelaluiPerangkat antarmuka I/O mentransfer data ke port. Sesuai dengan struktur mikroprosesor dan interaksinya dengan perangkat keras periferal dan unit internal, perintah mengatur alamat port.
- Konversi jenis. Format dan nilai ukuran operan yang digunakan ditentukan.
- Gangguan. Jenis instruksi ini dirancang untuk mengontrol interupsi perangkat lunak - misalnya, ini dapat berupa penghentian fungsi prosesor saat perangkat I / O mulai bekerja.
- Organisasi siklus. Instruksi mengubah nilai register ECX, yang dapat digunakan sebagai penghitung saat mengeksekusi kode program tertentu.
Sebagai aturan, pembatasan dikenakan pada perintah dasar yang terkait dengan kemampuan untuk beroperasi dengan jumlah memori tertentu, secara bersamaan mengelola register dan isinya.
struktur manajemen MP
MP sistem kontrol didasarkan pada unit kontrol, yang dikaitkan dengan beberapa bagian fungsional:
- Sensor sinyal. Menentukan urutan dan parameter pulsa, mendistribusikannya secara merata tepat waktu di seluruh bus. Di antara karakteristik operasi sensor adalah jumlah siklus dan sinyal kontrol yang diperlukan untuk melakukan operasi.
- Sumber sinyal. Salah satu fungsi unit kontrol dalam struktur mikroprosesor ditugaskan untuk menghasilkan atau memproses sinyal - yaitu, peralihannya dalam siklus tertentu pada bus tertentu.
- Dekoder kode operasi. Melakukan dekripsi kode operasi yang ada dalam register instruksi disaat ini. Bersama-sama dengan menentukan bus aktif, prosedur ini juga membantu untuk menghasilkan urutan pulsa kontrol.
Tidak kalah pentingnya dalam infrastruktur kontrol adalah perangkat penyimpanan permanen yang berisi sinyal yang diperlukan untuk melakukan operasi pemrosesan di dalam selnya. Untuk menghitung perintah saat memproses data pulsa, unit pembangkit alamat dapat digunakan - ini adalah komponen penting dari struktur internal mikroprosesor, yang termasuk dalam unit antarmuka sistem dan memungkinkan Anda membaca detail register memori dengan sinyal penuh.
Komponen mikroprosesor
Sebagian besar blok fungsional, serta perangkat eksternal, diatur antara mereka dan MP sirkuit mikro pusat melalui bus internal. Dapat dikatakan bahwa ini adalah jaringan tulang punggung perangkat, menyediakan tautan komunikasi yang komprehensif. Hal lain adalah bahwa bus juga dapat berisi elemen tujuan fungsional yang berbeda - misalnya, sirkuit untuk transfer data, jalur untuk mentransfer sel memori, serta infrastruktur untuk menulis dan membaca informasi. Sifat interaksi antara blok bus itu sendiri ditentukan oleh struktur mikroprosesor. Perangkat yang termasuk dalam MP, selain bus, termasuk yang berikut:
- Unit logika aritmatika. Seperti yang telah disebutkan, komponen ini dirancang untuk melakukan operasi logis dan aritmatika. Ia bekerja dengan data numerik dan karakter.
- Perangkat kontrol. Bertanggung jawab ataskoordinasi dalam interaksi berbagai bagian MT. Secara khusus, blok ini menghasilkan sinyal kontrol, mengarahkannya ke berbagai modul perangkat mesin pada titik waktu tertentu.
- Memori mikroprosesor. Digunakan untuk merekam, menyimpan dan mengeluarkan informasi. Data dapat dikaitkan dengan operasi komputasi yang berfungsi dan proses yang melayani mesin.
- Prosesor matematika. Ini digunakan sebagai modul tambahan untuk meningkatkan kecepatan saat melakukan operasi komputasi yang kompleks.
Fitur struktur koprosesor
Bahkan dalam kerangka melakukan operasi aritmatika dan logika biasa, kapasitas MP konvensional tidak cukup. Misalnya, mikroprosesor tidak memiliki kemampuan untuk mengeksekusi instruksi aritmatika floating point. Untuk tugas-tugas seperti itu, koprosesor digunakan, yang strukturnya menyediakan kombinasi prosesor pusat dengan beberapa anggota parlemen. Pada saat yang sama, logika operasi perangkat itu sendiri tidak memiliki perbedaan mendasar dari aturan dasar untuk membangun sirkuit mikro aritmatika.
Coprocessors menjalankan perintah biasa, tetapi dalam interaksi yang erat dengan modul pusat. Konfigurasi ini mengasumsikan pemantauan antrian perintah secara konstan di beberapa baris. Dalam struktur fisik mikroprosesor jenis ini, diizinkan untuk menggunakan modul independen untuk menyediakan input-output, fitur di antaranya adalah kemampuan untuk memilih perintahnya. Namun, agar skema seperti itu bekerja dengan benar, koprosesor harus secara jelas mendefinisikan sumber pemilihan instruksi,koordinasi interaksi antar modul.
Prinsip membangun struktur umum mikroprosesor dengan konfigurasi yang digabungkan secara kuat juga terhubung dengan konsep perangkat koprosesor. Jika dalam kasus sebelumnya kita dapat berbicara tentang blok I / O independen dengan kemungkinan pemilihan perintahnya sendiri, maka konfigurasi yang digabungkan secara kuat melibatkan penyertaan dalam struktur prosesor independen yang mengontrol aliran perintah.
Kesimpulan
Prinsip-prinsip pembuatan mikroprosesor telah mengalami sedikit perubahan sejak munculnya perangkat komputasi pertama. Karakteristik, desain, dan persyaratan untuk dukungan sumber daya telah berubah, yang secara radikal mengubah komputer, tetapi konsep umum dengan aturan dasar untuk mengatur blok fungsional sebagian besar tetap sama. Namun, masa depan pengembangan struktur mikroprosesor dapat dipengaruhi oleh nanoteknologi dan munculnya sistem komputasi kuantum. Saat ini, area seperti itu dianggap pada tingkat teoretis, tetapi perusahaan besar secara aktif bekerja pada prospek penggunaan praktis sirkuit logika baru berdasarkan teknologi inovatif. Misalnya, sebagai opsi yang memungkinkan untuk pengembangan MT lebih lanjut, penggunaan partikel molekuler dan subatomik tidak dikesampingkan, dan sirkuit listrik tradisional dapat menggantikan sistem rotasi elektron terarah. Ini akan memungkinkan untuk membuat prosesor mikroskopis dengan arsitektur baru yang fundamental, yang kinerjanya akan berkali-kali lipat dari hari ini. MP.
