Kirish. Mikroprotsessorlar va mikro-ehm, asosiy tushunchalar. Mikroprotsessorlarni tasniflanishi

1.3. KATTA INTEGRAL SXEMALAR

Mikroprosessor majmui ichida katta integral sxemalar (BIS) soniga ko'ra, mikroprosessorlar quyidagilarga ajratiladi: bitta kristalli, ko’p kristalli va ko’p kristalli seksionli.

Eng oddiy kompyuterlarning prosessorlari juda murakkab funksional tuzilishga ega, ko'p sonli elektron elementlar va keng tarqalgan aloqalari mavjud. Prosessor to'liq elektron diagrammasi yoki uning qismlari BIS funktsiyalari bilan mos keladigan bir qator element va ulanishga ega bo'lishi uchun tarkibini o'zgartirish kerak.
Shu bilan birga, mikroprosessorlar ichki orqa miya tuzilishini ega, ya'ni barcha asosiy funktsional bloklar (arifmetik mantiq, ishchi registrlar, stack, uzulishlar, interfeys, boshqarish va sinxronizatsiya va boshqalar) yagona ichki ma'lumot yo'llariga ulanadi.
Mikroprosessorlarning BIS-lariga muvofiq tasnifini oqlash uchun barcha prosessorlarning apparat bloklarini asosiy uchta funktsional qismlar: operatsion, boshqarish va interfeys qismlari o'rtasida taqsimlash kerak. Prosessorning operatsion va boshqaruv qismlarining murakkabligi ularning bit kengligi, ko'rsatmalar to'plami va chiqib ketish tizimiga qo'yiladigan talablar bilan belgilanadi; boshqa kompyuterlar (xotira, tashqi qurilmalar, sensorlar va akumlyatorlar va boshqalar) imkoniyatlarining interfeys qismi va ulanishining murakkabligi. Prosessor interfeysi bir necha o'nlab ma'lumotli ma'lumot uzatish (SHD), manzilli (SHA) va boshqaruv (SHU) ni o'z ichiga oladi.
Faqatgina chipli mikroprosessorlar yagona BIS yoki SBIS (juda kattalikdagi integrallangan) shaklida barcha prosessor apparatini qo'llash bilan erishiladi. Chipdagi elementlarning integratsiyalashuv darajasi va ishlarning soni ortishi sababli, bitta chipli mikroprosessorlarning parametrlari yaxshilanadi. Biroq, bitta chipli mikroprosessorlarning qobiliyati kristalning apparat resurslari va ish bilan cheklangan. Ko'p chipli mikroprosessorni olish uchun uning funktsional komponentlariga o'z mantiqiy tuzilishini ajratib olish va ularni BIS (SBIS) shaklida amalga oshirish kerak. BIS ko'p o'lchamli mikroprosessorning funktsionalligi uning qismlari oldindan belgilangan funktsiyalarni bajarishi va avtonom tarzda ishlashi demakdir.
1-rasmda, a BIS operatsion (OP), BIS boshqaruvi (UP) va interfeys (IP) prosessorlarini o'z ichiga olgan uch chipli mikroprosessor (nuqtali chiziqlar) yaratishda prosessor tuzilmasining funktsional buzilganligini ko'rsatadi.

1-rasm. Prosessorning funktsional tuzilishi (a) va prosessorni qismli BIS-lar to'plami sifatida amalga oshirish uchun ajratish (b)

Operatsion prosessor ma'lumotlarni qayta ishlashga xizmat qiladi, nazorat prosessor protsedura funktsiyalarini bajaradi, operandlarning manzillarini dekodlash va hisoblash funktsiyasini bajaradi, shuningdek mikrokontroller yo'riqnomalar ketma-ketligini ishlab chiqaradi. Ishning avtonom va yuqori tezlikli BIS UP dasturi uning BIS OP tezligidan tezroq buyruqlarni tanlash imkonini beradi. Bunday holda, UPda hali bajarilmagan buyruqlar navbati, shuningdek, zarur bo'lgan ma'lumotlarni quyidagi ish sikllarida oldindan tayyorlanadi. Bunday buyruqlar tanlovi dasturlarning ko'rsatmalarini bajarish uchun zarur bo'lgan operandlarni kutish uchun OP vaqtini tejaydi. Interfeys prosessori xotira va tashqi qurilmalarni mikroprosessorga ulash imkonini beradi; kirish/chiqish qurilmalari uchun asosan murakkab nazoratchi hisoblanadi. BIS IP shuningdek, to'g'ridan-to'g'ri xotira kirish kanalining funksiyasini ham bajaradi.

Xotiradan tanlangan buyruqlar mikroprosessorning har bir qismi tomonidan avtonom tarzda qabul qilinadi va amalga oshiriladi, shuning uchun barcha BIS MPlarining bir vaqtning o'zida ishlash tartibi, ya'ni, dasturiy ko'rsatmalar ketma-ketligini (kichik vaqtni o'zgartirish bilan ketma-ketlikni bajarish) onlayn rejimida bajaradi. Ushbu operatsion rejimida mikroprosessor ishlashi sezilarli darajada yaxshilanadi.
Ko'p kristalli mikroprosessorlarni, prosessorning mantiqiy tuzilmasi (qismlari) BIS sifatida vertikal tekislikda bo'linish bilan amalga oshiriladi (2.1 b-rasm).
Ko'p bitli mikroprosessorlarni yaratishda BIS qismlarini parallel kiritish shu jumladan, ularga "to’qnashishlar" vositalariga qo'shiladi.
Yuqori darajada ishlaydigan ko'p bitli mikroprosessorlarni yaratish uchun mavjud BIS-da amalga oshirilmaydigan juda ko'p qo'shimcha qurilmani talab qilish uchun mikroprosessor strukturasining funktsional dekompozitsiyasida gorizontal tekisliklarda ham zarur bo'lishi mumkin. Mikroprosessor strukturasini funktsional va strukturaviy jihatdan to'la qismlarga ajratish funktsional ajratish natijasida ularning har birini BIS shaklida amalga oshirish shartlari yaratilgan. Ularning barchasi BIS seksiyasining bir qatorini tashkil qiladi.
Shunday qilib, mikroprosessor qismi BIS bo'lib, bir necha bit ma'lumotni ishlash yoki muayyan nazorat operatsiyalarini bajarish uchun mo'ljallangan. Seksiyali BIS MP, qayta ishlanadigan ma'lumotlarning bitishini yoki "parallel" mikroprosessor nazorat qilish qurilmalarining murakkabligini "kuchaytirish" imkoniyatini aniqlaydi.
Bitta chipli va uch chipli BIS MPlari, odatda, yarimo'tkazgichli qurilmalarning mikroelektronik texnologiyalari asosida ishlab chiqariladi, va ko'p seksiyali BIS MPlari bipolyar yarimo'tkazgichli qurilmalar texnologiyasiga asoslangan. Ko'p sonli chiqishlar bilan ishlov beriladigan va o'rnatiladigan ma'lumotlarning past imkoniyatlari bilan ishlashning to'liqlik bilan ishlaydigan ko'p o'lchamli mikroprosessorli yuqori tezlikli bipolyar BIS-lardan foydalanish prosessorda kommunikatsiya tarmoqlarini tashkil etishga imkon beradi, shuningdek, uning ishlashini oshirish uchun konveyerning axborot qayta ishlash printsiplarini amalga oshirishga imkon beradi.
Universal va ixtisoslashgan mikroprosessorlar mavjud. Universal mikroprosessorlar turli xil vazifalarni hal qilish uchun foydalanish mumkin. Shu bilan birga, ularning samarali ishlashi quyidagi tarzda hal qilinadigan vazifalarning muayyan o'ziga xosligiga bog'liq. Ixtisoslashgan MP, ya'ni, muayyan funktsiyalarni tezkor bajarishga yo'naltirilgan faqat muayyan vazifalarni hal etishda samarali ishlashni imkonini beradi.
Ixtisoslashgan mikroprosessorlar orasida turli xil mikrokontrollerlar ajratilishi mumkin, ular mantiqiy operatsiyalarning murakkab ketma-ketligini bajarishga qaratilgan, masalan, arifmetik operatsiyalarni bajarishda ishlashni yaxshilashga mo'ljallangan matematik MPlar, masalan, ularni amalga oshirishning matritsa usullari, turli sohalarda ma'lumotlarni qayta ishlash bo'yicha MPlar va boshqalar. Ixtisoslashgan MPlar yordamida parallel ma'lumotlarni qayta ishlashning yangi murakkab muammolarini samarali hal etish mumkin. Misol uchun, konvolusiya signallarni yanada murakkab matematik ishlov berish keng tarqalgan ishlatiladigan korrelyatsiya usullaridan ko'ra katta imkon beradi. Keyinchalik, asosan, faqat ikkita ma'lumot ketma-ketligini taqqoslash uchun qisqartiriladi: kirish, to'lqini yuborish shaklida va ularning tutib turuvchisini qayt qiluvchilarga o'xshash bo’ladi. Konvolyutsiyani real vaqt rejimida turli formatdagi signallarga mos keladigan turli mos yozuvlar signallari bilan taqqoslab topish imkonini beradi, bu esa, masalan, foydali signalni shovqin fonida samarali ravishda etal signal qilishga imkon beradi.
Ma'lumotni yig'ish qobiliyatlari tizimning ushbu ma'lumotni qayta ishlash qobiliyatidan ustun bo'lgan holatlarda ishlab chiqilgan bitta chip konveyerlari tasvirni aniqlash qurilmalarida qo'llaniladi.
Kirish signallari turiga ko'ra mikroprosessorlar quyidagilarga ajratiladi raqamli-analog va analog-raqamli. Mikroprosessorlar raqamli qurilmalaridir, ammo ularga analog-raqamli va raqamli analogli konvertorlar joylashtirilishi mumkin. Shu sababli, kirish analog signallari konvertor orqali raqamli shaklda MP ga uzatiladi, qayta ishlanadi va analog shaklga teskari konvertatsiya qilingandan so'ng chiqariladi. Arxitektura nuqtai nazaridan, bunday mikroprosessorlar analog funktsional signal konvertorlari bo'lib, ular analog mikroprosessorlar deb ataladi. Operatsion kuchaytirgichlar, induktorlar, kondansatorlar va boshqalarni o'z ichiga olgan murakkab davrlarni almashtirish bilan har qanday analog kontaktlarning funktsiyalarini bajaradilar (masalan, salqinlash, modulyatsiya, qo’shish, filtrlash, real vaqtda kodlash va dekodlash signallari yaratish). Shu bilan birga, analog mikroprosessorning ishlatilishi analog signallarni qayta ishlashning to'g'riligini sezilarli darajada yaxshilaydi va ularning qayta chiqarish, shuningdek dasturiy jihatdan mikroprosessorning raqamli qismini turli signal ishlov berish algoritmlari uchun "sozlash" bilan kengaytiradi.
Odatda, bitta chipli analog MP lar analog-raqamli va raqamli-analog konversiyani bir necha kanalga ega. Analog mikroprosessorda qayta ishlanadigan ma'lumotlarning kengligi 24 bit yoki undan ko'pni tashkil qiladi, arifmetik operatsiyalarni bajarish tezligini oshirishga katta ahamiyat beriladi.
Analog mikroprosessorlarning o'ziga xos xususiyati katta hajmdagi raqamli ma'lumotni qayta ishlash, ya'ni kerak bo'lganda yuqori tezlikda qo'shib qo'yish va ko'paytirish ishlarini bajarish qobiliyati ega, hatto chiqib ketish operatsiyalari va o'tishlarni rad etish tufayli. Raqamli shaklga aylantirilgan analog signal real vaqtda qayta ishlanadi va odatda analog shaklda raqamli-analog konvertor orqali chiqishga uzatiladi. Bu holda, Kotelnikov teoremasiga ko'ra, analog signalning kvantlama tezligi uzatishning yuqori chastotasi sifatida ikki baravar yuqori bo'lishi kerak.
Raqamli mikroprosessorlarni taqqoslash operatsiyalar ro'yxatini bajarish vaqtini taqqoslash yo'li bilan amalga oshiriladi. Analog mikroprosessorlarni taqqoslash ikkinchi darajali rekordiv filtrlarning analog-raqamli filtrlari ekvivalent ulanishlar soni bilan amalga oshiriladi. Analog mikroprosessorning ishlashi ko'paytirish amaliyotlarini tezlik bilan amalga oshirish qobiliyati bilan belgilanadi: ko'paytirish jarayoni tezroq amalga oshirilsa, analog konvertorda mos keladigan filtri yo'nalishining miqdori qanchalik ko'p bo'lsa va raqamli signallarni mikroprosessorga aylantirish uchun murakkabroq algoritm bo'ladi.
Analog mikroprosessorlarni yanada takomillashtirish yo'nalishlaridan biri ularning ko'p qirrali va moslashuvchanligini oshirishdir. Shu sababli, katta hajmli raqamli ma'lumotlarni qayta ishlash tezligining ortishi bilan, dasturni to'xtatish va dasturni o'tkazish uchun apparat bloklarini amalga oshirish orqali raqamli axborotni qayta ishlashning ilg'or hisoblash jarayonlarini ta'minlash uchun vositalar ishlab chiqiladi.
Vaqtinchalik ishni tashkil etishning mohiyati bo'yicha mikroprosessorlar sinxron va asinxronlarga bo'linadi.
Sinxronlashtirilgan mikroprosessorlar - operatsiyaning boshi va oxirigacha bo'lgan nazorat qurilmalari tomonidan o'rnatiladigan mikroprosessorlar (bu holatda operatsiyalarni bajarish vaqti komanda turiga va operandlarning qiymatiga bog'liq emas).
Asinxronlashtirilgan mikroprosessorlar har bir keyingi ishning boshlanishiga avvalgi operatsiya haqiqiy sonining signalini aniqlash imkonini beradi. Mikroprosessor tizimining har bir qurilma yanada samarali foydalanish uchun, elektron kontaktlarning zanglashiga olib ishlaydigan asinxron ishlaydigan qurilmalar ichiga kiritilib, ular qurilmalarning avtonom ishlashini ta'minlaydi. Har qanday operatsiyani bajarishdan so'ng, qurilma so’roq signalini ishlab chiqaradi, ya'ni keyingi operatsiyani bajarishga tayyor bo'ladi. Shu bilan birga, tabiiy distribyutorning roli oldindan belgilab qo'yilgan ustuvor maqsadlarga muvofiq, boshqa qurilmalarning buyruq ma'lumotlari va ma'lumotlar bilan ta'minlanishi talablarini bajaradigan xotirada amalga oshiriladi.