Nhân loại đã trải qua một chặng đường dài hướng tới việc tạo ra máy tính, không thể thiếu nó mà không thể hình dung xã hội hiện đại với tất cả các khía cạnh của cuộc sống trong các lĩnh vực công nghiệp, kinh tế quốc dân và thiết bị gia dụng. Nhưng ngay cả ngày nay, sự tiến bộ vẫn không dừng lại, mở ra các hình thức tin học hóa mới. Trung tâm của sự phát triển công nghệ trong vài thập kỷ hiện nay là cấu trúc của bộ vi xử lý (MP), đang được cải thiện về các thông số thiết kế và chức năng của nó.
Khái niệm vi xử lý
Theo nghĩa chung, khái niệm vi xử lý được trình bày như một thiết bị hoặc hệ thống được điều khiển bằng chương trình dựa trên một mạch tích hợp lớn (LSI). Với sự trợ giúp của MP, các hoạt động xử lý dữ liệu hoặc quản lý hệ thống xử lý thông tin được thực hiện. Ở những giai đoạn đầu tiênSự phát triển của MP dựa trên các vi mạch chức năng thấp riêng biệt, trong đó các bóng bán dẫn có mặt với số lượng từ vài đến hàng trăm. Cấu trúc bộ vi xử lý điển hình đơn giản nhất có thể chứa một nhóm vi mạch với các thông số điện, cấu trúc và điện chung. Các hệ thống như vậy được gọi là một bộ vi xử lý. Cùng với MP, một hệ thống cũng có thể bao gồm các thiết bị nhớ truy cập vĩnh viễn và ngẫu nhiên, cũng như bộ điều khiển và giao diện để kết nối thiết bị bên ngoài - một lần nữa, thông qua các giao tiếp tương thích. Do sự phát triển của khái niệm vi điều khiển, bộ vi xử lý đã được bổ sung với các thiết bị dịch vụ phức tạp hơn, thanh ghi, trình điều khiển xe buýt, bộ định thời, v.v.
Ngày nay, bộ vi xử lý ngày càng ít được coi là một thiết bị riêng biệt trong bối cảnh ứng dụng thực tế. Cấu trúc chức năng và nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý đã ở giai đoạn thiết kế được hướng dẫn sử dụng như một phần của thiết bị tính toán được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ liên quan đến xử lý và quản lý thông tin. Liên kết quan trọng trong các quá trình tổ chức hoạt động của thiết bị vi xử lý là bộ điều khiển, bộ điều khiển duy trì cấu hình điều khiển và các phương thức tương tác giữa lõi tính toán của hệ thống và thiết bị bên ngoài. Bộ xử lý tích hợp có thể được coi là liên kết trung gian giữa bộ điều khiển và bộ vi xử lý. Chức năng của nó là tập trung vào việc giải quyết các nhiệm vụ phụ trợ không liên quan trực tiếp đến mục đích của MT chính. Đặc biệt, đây có thể là các chức năng mạng và truyền thông đảm bảo hoạt động của thiết bị vi xử lý.
Phân loại bộ vi xử lý
Ngay cả trong những cấu hình đơn giản nhất, MP cũng có nhiều thông số kỹ thuật và hoạt động có thể được sử dụng để thiết lập các tính năng phân loại. Để biện minh cho các cấp độ phân loại chính, ba hệ thống chức năng thường được phân biệt - hoạt động, giao diện và điều khiển. Mỗi bộ phận làm việc này cũng cung cấp một số thông số và các tính năng phân biệt xác định bản chất hoạt động của thiết bị.
Theo quan điểm của cấu trúc điển hình của bộ vi xử lý, việc phân loại chủ yếu sẽ chia thiết bị thành mô hình đa chip và đơn chip. Các thiết bị trước có đặc điểm là các đơn vị làm việc của chúng có thể hoạt động ngoại tuyến và thực hiện các lệnh định trước. Và trong ví dụ này, các nghị sĩ sẽ được phát âm, trong đó nhấn mạnh vào chức năng hoạt động. Các bộ xử lý như vậy tập trung vào việc xử lý dữ liệu. Trong cùng một nhóm, chẳng hạn, bộ vi xử lý ba chip có thể là điều khiển và giao diện. Điều này không có nghĩa là chúng không có chức năng hoạt động, nhưng vì mục đích tối ưu hóa, hầu hết các tài nguyên giao tiếp và điện năng được phân bổ cho các nhiệm vụ tạo vi lệnh hoặc khả năng tương tác với các hệ thống ngoại vi.
Đối với MP đơn chip, chúng được phát triển với một bộ hướng dẫn cố định và vị trí nhỏ gọn của tất cả phần cứngtrên một lõi. Về mặt chức năng, cấu trúc của bộ vi xử lý đơn chip khá hạn chế, mặc dù nó đáng tin cậy hơn so với cấu hình phân khúc của bộ vi xử lý đa chip.
Một phân loại quan trọng khác đề cập đến thiết kế giao diện của bộ vi xử lý. Chúng ta đang nói về các cách xử lý tín hiệu đầu vào, ngày nay tiếp tục được chia thành tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Mặc dù bản thân các bộ xử lý là thiết bị kỹ thuật số, trong một số trường hợp, việc sử dụng các luồng tương tự tự chứng minh về giá cả và độ tin cậy. Tuy nhiên, để chuyển đổi, phải sử dụng các bộ chuyển đổi đặc biệt, góp phần vào tải năng lượng và sự đầy đủ về cấu trúc của nền tảng làm việc. Các MP tương tự (thường là chip đơn) thực hiện các nhiệm vụ của hệ thống tương tự tiêu chuẩn - ví dụ: chúng tạo ra điều chế, tạo dao động, mã hóa và giải mã tín hiệu.
Theo nguyên tắc tổ chức tạm thời hoạt động của MP, chúng được chia thành đồng bộ và không đồng bộ. Sự khác biệt nằm ở bản chất của tín hiệu bắt đầu một hoạt động mới. Ví dụ, trong trường hợp của một thiết bị đồng bộ, các lệnh như vậy được đưa ra bởi các mô-đun điều khiển, không phụ thuộc vào việc thực hiện các hoạt động hiện tại. Trong trường hợp MP không đồng bộ, một tín hiệu tương tự có thể được đưa ra tự động sau khi hoàn thành thao tác trước đó. Để làm điều này, một mạch điện tử được cung cấp trong cấu trúc logic của bộ vi xử lý kiểu không đồng bộ, đảm bảo hoạt động của các thành phần riêng lẻ ở chế độ ngoại tuyến, nếu cần. Sự phức tạp của việc thực hiện phương pháp tổ chức công việc này của MP là do thực tế làLuôn luôn có đủ tài nguyên nhất định tại thời điểm hoàn thành một thao tác để bắt đầu thao tác tiếp theo. Bộ nhớ bộ xử lý thường được sử dụng như một liên kết ưu tiên trong việc lựa chọn các hoạt động tiếp theo.
Vi xử lý cho các mục đích chung và đặc biệt
Phạm vi chính của MP mục đích chung là máy trạm, máy tính cá nhân, máy chủ và thiết bị điện tử được sử dụng đại trà. Cơ sở hạ tầng chức năng của họ tập trung vào việc thực hiện một loạt các nhiệm vụ liên quan đến xử lý thông tin. Các thiết bị như vậy đang được phát triển bởi SPARC, Intel, Motorola, IBM và các hãng khác.
Các bộ vi xử lý chuyên biệt, đặc điểm và cấu trúc của chúng dựa trên các bộ điều khiển mạnh mẽ, thực hiện các quy trình phức tạp để xử lý và chuyển đổi tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Đây là phân khúc rất đa dạng với hàng nghìn kiểu cấu hình. Các đặc thù của cấu trúc MP kiểu này bao gồm việc sử dụng một tinh thể làm cơ sở cho bộ xử lý trung tâm, do đó, có thể được giao tiếp với một số lượng lớn các thiết bị ngoại vi. Trong số đó có các phương tiện đầu vào / đầu ra, các khối với bộ định thời, giao diện, bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số. Nó cũng được thực hành để kết nối các thiết bị chuyên dụng như khối để tạo ra tín hiệu độ rộng xung. Do sử dụng bộ nhớ trong, các hệ thống như vậy có một số ít các thành phần phụ trợ hỗ trợ hoạt độngvi điều khiển.
Thông số kỹ thuật vi xử lý
Các thông số vận hành xác định phạm vi nhiệm vụ của thiết bị và tập hợp các thành phần, về nguyên tắc, có thể được sử dụng trong một cấu trúc bộ vi xử lý cụ thể. Các đặc điểm chính của MP có thể được biểu diễn như sau:
- Tần số đồng hồ. Cho biết số hoạt động cơ bản mà hệ thống có thể thực hiện trong 1 giây. và được biểu thị bằng MHz. Mặc dù có sự khác biệt về cấu trúc, các MP khác nhau hầu hết thực hiện các nhiệm vụ tương tự nhau, nhưng trong mỗi trường hợp, nó đòi hỏi thời gian riêng, được phản ánh qua số chu kỳ. MP càng mạnh thì càng có thể thực hiện nhiều quy trình hơn trong một đơn vị thời gian.
- Chiều rộng. Số lượng bit mà thiết bị có thể thực thi cùng một lúc. Phân bổ độ rộng bus, tốc độ truyền dữ liệu, thanh ghi nội bộ, v.v.
- Dung lượng bộ nhớ đệm. Đây là bộ nhớ nằm trong cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý và luôn hoạt động ở tần số giới hạn. Trong biểu diễn vật lý, đây là một tinh thể được đặt trên chip MP chính và được ghép nối với lõi bus của bộ vi xử lý.
- Cấu hình. Trong trường hợp này, chúng ta đang nói về việc tổ chức các lệnh và các phương pháp định địa chỉ. Trong thực tế, kiểu cấu hình có thể có nghĩa là khả năng kết hợp các quá trình thực hiện một số lệnh cùng một lúc, các chế độ và nguyên tắc hoạt động của MP và sự hiện diện của các thiết bị ngoại vi trong hệ thống vi xử lý cơ bản.
Kiến trúc bộ vi xử lý
Nói chung, MP là phổ quátbộ xử lý thông tin, nhưng trong một số lĩnh vực hoạt động của nó, các cấu hình đặc biệt để thực hiện cấu trúc của nó thường được yêu cầu. Kiến trúc của bộ vi xử lý phản ánh các chi tiết cụ thể của ứng dụng của một mô hình cụ thể, gây ra các tính năng của phần cứng và phần mềm được tích hợp vào hệ thống. Cụ thể, chúng ta có thể nói về bộ truyền động được cung cấp, thanh ghi chương trình, phương pháp định địa chỉ và tập lệnh.
Trong biểu diễn kiến trúc và tính năng hoạt động của MP, chúng thường sử dụng sơ đồ thiết bị và sự tương tác của các thanh ghi phần mềm có sẵn chứa thông tin điều khiển và toán hạng (dữ liệu đã xử lý). Do đó, trong mô hình thanh ghi có một nhóm các thanh ghi dịch vụ, cũng như các phân đoạn để lưu trữ các toán hạng có mục đích chung. Trên cơ sở này xác định phương thức thực hiện chương trình, sơ đồ tổ chức bộ nhớ, phương thức hoạt động và các đặc tính của vi xử lý. Ví dụ, cấu trúc MP có mục đích chung có thể bao gồm một bộ đếm chương trình, cũng như các thanh ghi trạng thái và điều khiển các chế độ hoạt động của hệ thống. Dòng công việc của một thiết bị trong ngữ cảnh cấu hình kiến trúc có thể được biểu diễn dưới dạng mô hình chuyển thanh ghi, cung cấp địa chỉ, chọn toán hạng và lệnh, chuyển kết quả, v.v. Việc thực hiện các lệnh khác nhau, bất kể việc gán là gì, sẽ ảnh hưởng đến trạng thái đăng ký, nội dung phản ánh trạng thái hiện tại của bộ xử lý.
Thông tin chung về cấu trúc của bộ vi xử lý
Trong trường hợp này, cấu trúc không chỉ được hiểu là một tập hợp các thành phần của hệ thống làm việc, mà cònphương tiện kết nối giữa chúng, cũng như các thiết bị đảm bảo sự tương tác của chúng. Như trong phân loại chức năng, nội dung của cấu trúc có thể được thể hiện thông qua ba thành phần - nội dung hoạt động, phương tiện giao tiếp với xe buýt và cơ sở hạ tầng điều khiển.
Vùng nhớ của phần vận hành quyết định bản chất của việc giải mã lệnh và xử lý dữ liệu. Phức hợp này có thể bao gồm các khối chức năng logic số học, cũng như các điện trở để lưu trữ thông tin tạm thời, bao gồm cả thông tin về trạng thái của bộ vi xử lý. Cấu trúc logic cung cấp cho việc sử dụng các điện trở 16 bit không chỉ thực hiện các thủ tục logic và số học mà còn cả các phép toán dịch chuyển. Công việc của các thanh ghi có thể được tổ chức theo các sơ đồ khác nhau, trong đó xác định khả năng truy cập của chúng đối với lập trình viên. Một thanh ghi riêng được dành riêng cho chức năng bộ pin.
Bộ ghép nối bus chịu trách nhiệm kết nối với thiết bị ngoại vi. Phạm vi nhiệm vụ của họ cũng bao gồm tìm nạp dữ liệu từ bộ nhớ và hình thành một hàng đợi lệnh. Cấu trúc bộ vi xử lý điển hình bao gồm con trỏ lệnh IP, bộ thêm địa chỉ, thanh ghi phân đoạn và bộ đệm, qua đó các liên kết với bus địa chỉ được phục vụ.
Thiết bị điều khiển, đến lượt nó, tạo ra các tín hiệu điều khiển, giải mã lệnh và cũng đảm bảo hoạt động của hệ thống máy tính, đưa ra các lệnh vi mô cho các hoạt động của MP nội bộ.
Cấu trúc của MP cơ bản
Cấu trúc đơn giản của bộ vi xử lý này cung cấp hai chức năngcác bộ phận:
- Phòng điều hành. Thiết bị này bao gồm các phương tiện điều khiển và xử lý dữ liệu, cũng như bộ nhớ vi xử lý. Không giống như cấu hình đầy đủ, cấu trúc bộ vi xử lý cơ bản loại trừ các thanh ghi phân đoạn. Một số thiết bị thực thi được kết hợp thành một đơn vị chức năng, điều này cũng nhấn mạnh bản chất tối ưu hóa của kiến trúc này.
- Giao diện. Về bản chất, một phương tiện cung cấp thông tin liên lạc với đường cao tốc chính. Phần này chứa các thanh ghi bộ nhớ trong và bộ cộng địa chỉ.
Nguyên tắc ghép kênh tín hiệu thường được sử dụng trên các kênh đầu ra bên ngoài của các MP cơ bản. Điều này có nghĩa là tín hiệu diễn ra trên các kênh chia sẻ thời gian chung. Ngoài ra, tùy thuộc vào chế độ hoạt động hiện tại của hệ thống, cùng một đầu ra có thể được sử dụng để truyền tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Cấu trúc lệnh của bộ vi xử lý
Cấu trúc này phần lớn phụ thuộc vào cấu hình chung và bản chất của sự tương tác của các khối chức năng MP. Tuy nhiên, ngay cả ở giai đoạn thiết kế của hệ thống, các nhà phát triển đã đặt ra các khả năng áp dụng một loạt các hoạt động nhất định dựa trên đó một tập hợp các lệnh được hình thành sau đó. Các hàm lệnh phổ biến nhất bao gồm:
- Truyền dữ liệu. Lệnh thực hiện các thao tác gán giá trị của toán hạng nguồn và đích. Thanh ghi hoặc ô nhớ có thể được sử dụng như sau.
- Đầu vào-đầu ra. Xuyên quaCác thiết bị giao diện I / O truyền dữ liệu đến các cổng. Phù hợp với cấu trúc của bộ vi xử lý và sự tương tác của nó với phần cứng ngoại vi và các thiết bị bên trong, các lệnh đặt địa chỉ cổng.
- Chuyển đổi loại. Định dạng và giá trị kích thước của toán hạng được sử dụng được xác định.
- Gián đoạn. Loại lệnh này được thiết kế để kiểm soát các ngắt phần mềm - ví dụ: nó có thể là lệnh dừng chức năng của bộ xử lý trong khi các thiết bị I / O bắt đầu hoạt động.
- Tổ chức các chu kỳ. Hướng dẫn thay đổi giá trị của thanh ghi ECX, có thể được sử dụng như một bộ đếm khi thực thi mã chương trình nhất định.
Theo quy định, các hạn chế được áp dụng đối với các lệnh cơ bản liên quan đến khả năng hoạt động với một số lượng bộ nhớ nhất định, quản lý đồng thời các thanh ghi và nội dung của chúng.
Cơ cấu quản lý MP
Hệ thống điều khiểnMP dựa trên thiết bị điều khiển, được liên kết với một số bộ phận chức năng:
- Cảm biến tín hiệu. Xác định trình tự và thông số của các xung, phân phối đồng đều chúng theo thời gian trên các bus. Trong số các đặc điểm của hoạt động của cảm biến là số chu kỳ và tín hiệu điều khiển cần thiết để thực hiện các hoạt động.
- Nguồn tín hiệu. Một trong những chức năng của khối điều khiển trong cấu trúc của bộ vi xử lý được chỉ định cho việc tạo hoặc xử lý tín hiệu - nghĩa là chuyển đổi của chúng trong một chu kỳ cụ thể trên một xe buýt cụ thể.
- Bộ giải mã hoạt động. Thực hiện giải mã các mã hoạt động có trong thanh ghi hướng dẫn trênthời điểm này. Cùng với việc xác định bus hoạt động, quy trình này cũng giúp tạo ra một chuỗi các xung điều khiển.
Có tầm quan trọng không nhỏ trong cơ sở hạ tầng điều khiển là một thiết bị lưu trữ vĩnh viễn chứa trong các ô của nó các tín hiệu cần thiết để thực hiện các hoạt động xử lý. Để đếm lệnh khi xử lý dữ liệu xung, có thể sử dụng đơn vị tạo địa chỉ - đây là thành phần cần thiết của cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý, được bao gồm trong đơn vị giao diện của hệ thống và cho phép bạn đọc chi tiết của các thanh ghi bộ nhớ. với đầy đủ các tín hiệu.
Thành phần vi xử lý
Hầu hết các khối chức năng, cũng như các thiết bị bên ngoài, được tổ chức giữa chúng và MP vi mạch trung tâm thông qua bus nội bộ. Có thể nói đây là mạng xương sống của thiết bị, cung cấp đường truyền liên lạc toàn diện. Một điều nữa là bus cũng có thể chứa các phần tử của các mục đích chức năng khác nhau - ví dụ, mạch để truyền dữ liệu, đường để chuyển các ô nhớ, cũng như một cơ sở hạ tầng để ghi và đọc thông tin. Bản chất của sự tương tác giữa các khối của bus được xác định bởi cấu trúc của bộ vi xử lý. Các thiết bị có trong MP, ngoài bus, bao gồm các thiết bị sau:
- Đơn vị logic số học. Như đã đề cập, thành phần này được thiết kế để thực hiện các phép toán logic và số học. Nó hoạt động với cả dữ liệu số và ký tự.
- Thiết bị điều khiển. Chịu trách nhiệm chosự phối hợp trong tương tác của các bộ phận khác nhau của MT. Đặc biệt, khối này tạo ra các tín hiệu điều khiển, hướng chúng đến các mô-đun khác nhau của thiết bị máy tại những thời điểm nhất định.
- Bộ nhớ vi xử lý. Được sử dụng để ghi, lưu trữ và phát hành thông tin. Dữ liệu có thể được liên kết với cả các hoạt động tính toán đang hoạt động và các quy trình phục vụ máy.
- Bộ xử lý toán học. Nó được sử dụng như một mô-đun phụ trợ để tăng tốc độ khi thực hiện các hoạt động tính toán phức tạp.
Đặc điểm của cấu trúc bộ đồng xử lý
Ngay cả trong khuôn khổ thực hiện các phép toán số học và logic điển hình, vẫn không có đủ năng lực của một MP thông thường. Ví dụ, bộ vi xử lý không có khả năng thực hiện các lệnh số học dấu phẩy động. Đối với các tác vụ như vậy, bộ xử lý đồng bộ được sử dụng, cấu trúc của nó cung cấp sự kết hợp của bộ xử lý trung tâm với một số MP. Đồng thời, bản thân logic hoạt động của thiết bị không có sự khác biệt cơ bản nào so với các quy tắc cơ bản để xây dựng vi mạch số học.
Bộ đồng xử lý thực hiện các lệnh điển hình, nhưng tương tác chặt chẽ với mô-đun trung tâm. Cấu hình này giả định việc giám sát liên tục các hàng đợi lệnh trên nhiều dòng. Trong cấu trúc vật lý của một bộ vi xử lý loại này, nó được phép sử dụng một mô-đun độc lập để cung cấp đầu vào-đầu ra, một tính năng của nó là khả năng chọn lệnh của nó. Tuy nhiên, để một sơ đồ như vậy hoạt động chính xác, các bộ đồng xử lý phải xác định rõ ràng nguồn lựa chọn lệnh,phối hợp tương tác giữa các mô-đun.
Nguyên tắc xây dựng cấu trúc tổng quát của bộ vi xử lý với cấu hình được kết hợp chặt chẽ cũng được kết nối với khái niệm thiết bị đồng xử lý. Nếu trong trường hợp trước, chúng ta có thể nói về một khối I / O độc lập với khả năng lựa chọn lệnh riêng của nó, thì cấu hình được kết hợp chặt chẽ bao gồm việc đưa vào cấu trúc của một bộ xử lý độc lập kiểm soát các luồng lệnh.
Kết
Các nguyên tắc tạo ra bộ vi xử lý đã có một số thay đổi kể từ khi những thiết bị máy tính đầu tiên ra đời. Các đặc điểm, thiết kế và yêu cầu hỗ trợ tài nguyên đã thay đổi, điều này đã thay đổi hoàn toàn máy tính, nhưng khái niệm chung với các quy tắc cơ bản để tổ chức các khối chức năng cho hầu hết các bộ phận vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, tương lai của sự phát triển cấu trúc vi xử lý có thể bị ảnh hưởng bởi công nghệ nano và sự ra đời của các hệ thống tính toán lượng tử. Ngày nay, các lĩnh vực như vậy được coi là ở cấp độ lý thuyết, nhưng các tập đoàn lớn đang tích cực nghiên cứu triển vọng sử dụng thực tế của các mạch logic mới dựa trên các công nghệ tiên tiến. Ví dụ, như một lựa chọn khả thi cho sự phát triển hơn nữa của MT, việc sử dụng các hạt phân tử và hạ nguyên tử không được loại trừ, và các mạch điện truyền thống có thể nhường chỗ cho các hệ thống quay điện tử có hướng. Điều này sẽ giúp chúng ta có thể tạo ra các bộ vi xử lý siêu nhỏ với một kiến trúc mới về cơ bản, hiệu suất của chúng sẽ vượt xa ngày nay nhiều lần. MP.
