A humanidade percorreu um longo caminho até a criação dos computadores, sem os quais é impossível imaginar a sociedade moderna com todos os aspectos de sua vida nos campos da indústria, economia nacional e eletrodomésticos. Mas ainda hoje, o progresso não fica parado, abrindo novas formas de informatização. No centro do desenvolvimento tecnológico há várias décadas está a estrutura do microprocessador (MP), que está sendo aprimorada em seus parâmetros funcionais e de design.
Conceito de microprocessador
Em um sentido geral, o conceito de microprocessador é apresentado como um dispositivo ou sistema controlado por programa baseado em um grande circuito integrado (LSI). Com a ajuda do MP, são realizadas operações de processamento de dados ou gerenciamento de sistemas que processam informações. Nas primeiras etapasO desenvolvimento do MP foi baseado em microcircuitos separados de baixa funcionalidade, nos quais os transistores estavam presentes em quantidades de algumas a centenas. A estrutura típica de microprocessador mais simples pode conter um grupo de microcircuitos com parâmetros elétricos, estruturais e elétricos comuns. Tais sistemas são chamados de conjunto de microprocessadores. Junto com o MP, um sistema também poderia consistir em dispositivos de memória de acesso permanente e aleatório, bem como controladores e interfaces para conectar equipamentos externos - novamente, por meio de comunicações compatíveis. Como resultado do desenvolvimento do conceito de microcontroladores, o kit microprocessador foi complementado com dispositivos de serviço mais complexos, registradores, drivers de barramento, temporizadores, etc.
Hoje, o microprocessador é cada vez menos considerado como um dispositivo separado no contexto de aplicações práticas. A estrutura funcional e o princípio de funcionamento do microprocessador já em fase de projeto são orientados pelo uso como parte de um dispositivo computacional projetado para realizar uma série de tarefas relacionadas ao processamento e gerenciamento de informações. O elo chave nos processos de organização da operação de um dispositivo microprocessado é o controlador, que mantém a configuração de controle e os modos de interação entre o núcleo computacional do sistema e os equipamentos externos. Um processador integrado pode ser considerado como um link intermediário entre o controlador e o microprocessador. Sua funcionalidade está focada na resolução de tarefas auxiliares que não estão diretamente relacionadas à finalidade do MT principal. Em particular, estas podem ser funções de rede e comunicação que garantem a operação do dispositivo microprocessador.
Classificações de microprocessadores
Mesmo nas configurações mais simples, os MPs possuem muitos parâmetros técnicos e operacionais que podem ser usados para definir características de classificação. Para justificar os principais níveis de classificação, normalmente são distinguidos três sistemas funcionais - operacional, interface e controle. Cada uma dessas partes de trabalho também fornece uma série de parâmetros e características distintivas que determinam a natureza da operação do dispositivo.
Do ponto de vista da estrutura típica dos microprocessadores, a classificação irá principalmente dividir os dispositivos em modelos multi-chip e single-chip. Os primeiros são caracterizados pelo fato de que suas unidades de trabalho podem funcionar offline e executar comandos pré-determinados. E neste exemplo serão pronunciadas MPs, nas quais a ênfase está na função operacional. Esses processadores estão focados no processamento de dados. No mesmo grupo, por exemplo, microprocessadores de três chips podem ser controle e interface. Isso não significa que eles não tenham uma função operacional, mas para fins de otimização, a maior parte dos recursos de comunicação e energia são alocados para as tarefas de geração de microinstruções ou a capacidade de interagir com sistemas periféricos.
Quanto aos MPs de chip único, eles são desenvolvidos com um conjunto fixo de instruções e posicionamento compacto de todo o hardwareem um núcleo. Em termos de funcionalidade, a estrutura de um microprocessador de chip único é bastante limitada, embora seja mais confiável do que as configurações de segmento de análogos de vários chips.
Outra classificação importante refere-se ao design da interface dos microprocessadores. Estamos falando de formas de processar sinais de entrada, que hoje continuam sendo divididos em digitais e analógicos. Embora os próprios processadores sejam dispositivos digitais, em alguns casos o uso de streams analógicos se justifica em termos de preço e confiabilidade. Para conversão, no entanto, devem ser utilizados conversores especiais, que contribuem para a carga de energia e plenitude estrutural da plataforma de trabalho. MPs analógicos (geralmente single-chip) executam as tarefas de sistemas analógicos padrão - por exemplo, eles produzem modulação, geram oscilações, codificam e decodificam um sinal.
Segundo o princípio da organização temporária do funcionamento do MP, eles são divididos em síncronos e assíncronos. A diferença está na natureza do sinal para iniciar uma nova operação. Por exemplo, no caso de um dispositivo síncrono, tais comandos são dados por módulos de controle, independentemente da execução das operações atuais. No caso de MPs assíncronos, um sinal semelhante pode ser dado automaticamente após a conclusão da operação anterior. Para isso, é fornecido um circuito eletrônico na estrutura lógica do microprocessador do tipo assíncrono, que garante a operação de componentes individuais em modo offline, se necessário. A complexidade da implementação desse método de organização do trabalho do MP se deve ao fato de quesempre no momento da conclusão de uma operação existem certos recursos suficientes para iniciar a próxima. A memória do processador é normalmente usada como um link de priorização na própria escolha das operações subsequentes.
Microprocessadores para fins gerais e especiais
O principal escopo do MP de uso geral são estações de trabalho, computadores pessoais, servidores e dispositivos eletrônicos destinados ao uso em massa. Sua infraestrutura funcional está focada na execução de uma ampla gama de tarefas relacionadas ao processamento de informações. Esses dispositivos estão sendo desenvolvidos pela SPARC, Intel, Motorola, IBM e outros.
Microprocessadores especializados, cujas características e estrutura são baseados em controladores potentes, implementam procedimentos complexos de processamento e conversão de sinais digitais e analógicos. Este é um segmento muito diversificado com milhares de tipos de configuração. As peculiaridades da estrutura MP desse tipo incluem o uso de um cristal como base para o processador central, que, por sua vez, pode ser interfaceado com um grande número de dispositivos periféricos. Entre eles estão os meios de entrada/saída, blocos com temporizadores, interfaces, conversores analógico-digitais. Também é praticado para conectar dispositivos especializados como blocos para gerar sinais de largura de pulso. Devido ao uso de memória interna, tais sistemas possuem um pequeno número de componentes auxiliares que suportam a operaçãomicrocontrolador.
Especificações do microprocessador
Parâmetros operacionais definem a gama de tarefas do dispositivo e o conjunto de componentes que, em princípio, podem ser usados em uma determinada estrutura de microprocessador. As principais características do MP podem ser representadas da seguinte forma:
- Frequência do relógio. Indica o número de operações elementares que o sistema pode realizar em 1 segundo. e é expresso em MHz. Apesar das diferenças na estrutura, os diferentes MPs executam principalmente tarefas semelhantes, mas em cada caso requer tempo individual, o que se reflete no número de ciclos. Quanto mais poderoso o MP, mais procedimentos ele pode realizar em uma unidade de tempo.
- Largura. O número de bits que o dispositivo pode executar ao mesmo tempo. Alocar largura de barramento, taxa de transferência de dados, registros internos, etc.
- A quantidade de memória cache. Esta é a memória incluída na estrutura interna do microprocessador e sempre operando em frequências limitantes. Na representação física, trata-se de um cristal colocado no chip MP principal e acoplado ao núcleo do barramento do microprocessador.
- Configuração. Neste caso, estamos falando da organização de comandos e métodos de endereçamento. Na prática, o tipo de configuração pode significar a possibilidade de combinar os processos de execução de vários comandos ao mesmo tempo, os modos e princípios de operação do MP e a presença de dispositivos periféricos no sistema microprocessador básico.
Arquitetura do microprocessador
Em geral, MP é universalprocessador de informações, mas em algumas áreas de sua operação, muitas vezes são necessárias configurações especiais para a execução de sua estrutura. A arquitetura dos microprocessadores reflete as especificidades da aplicação de um determinado modelo, fazendo com que as funcionalidades do hardware e software sejam integradas ao sistema. Especificamente, podemos falar sobre os atuadores fornecidos, registradores de programa, métodos de endereçamento e conjuntos de instruções.
Na representação da arquitetura e características do funcionamento do MP, utilizam-se frequentemente diagramas de dispositivos e a interação de registradores de software disponíveis que contêm informações de controle e operandos (dados processados). Portanto, no modelo de registradores existe um grupo de registradores de serviço, além de segmentos para armazenamento de operandos de uso geral. Com base nisso, são determinados o método de execução dos programas, o esquema de organização da memória, o modo de operação e as características do microprocessador. A estrutura MP de uso geral, por exemplo, pode incluir um contador de programa, bem como registros para o status e controle dos modos de operação do sistema. O fluxo de trabalho de um dispositivo no contexto de uma configuração arquitetônica pode ser representado como um modelo de transferência de registradores, fornecendo endereçamento, selecionando operandos e instruções, transferindo resultados, etc. A execução de diferentes instruções, independentemente da atribuição, afetará o status registrador, cujo conteúdo reflete o estado atual do processador.
Informações gerais sobre a estrutura dos microprocessadores
Neste caso, a estrutura deve ser entendida não apenas como um conjunto de componentes do sistema de trabalho, mas tambémmeios de conexão entre eles, bem como dispositivos que garantem sua interação. Assim como na classificação funcional, o conteúdo da estrutura pode ser expresso por meio de três componentes - conteúdo operacional, meios de comunicação com o barramento e infraestrutura de controle.
O dispositivo da parte operacional determina a natureza da decodificação do comando e do processamento de dados. Este complexo pode incluir blocos funcionais aritmético-lógicos, bem como resistores para armazenamento temporário de informações, incluindo informações sobre o estado do microprocessador. A estrutura lógica prevê o uso de resistores de 16 bits que executam não apenas procedimentos lógicos e aritméticos, mas também operações de deslocamento. O trabalho dos registradores pode ser organizado de acordo com diferentes esquemas, que determinam, entre outras coisas, sua acessibilidade ao programador. Um registro separado é reservado para a função de bateria.
Os acopladores de barramento são responsáveis pelas conexões com equipamentos periféricos. A gama de suas tarefas também inclui buscar dados da memória e formar uma fila de comandos. A estrutura típica do microprocessador inclui um ponteiro de comando IP, somadores de endereço, registradores de segmento e buffers, por meio dos quais os links com barramentos de endereço são atendidos.
O dispositivo de controle, por sua vez, gera sinais de controle, descriptografa o comando e também garante o funcionamento do sistema computacional, emitindo microcomandos para operações internas do MP.
Estrutura do MP básico
A estrutura simplificada deste microprocessador fornece duas funçõespartes:
- Sala de cirurgia. Esta unidade inclui recursos de controle e processamento de dados, bem como memória de microprocessador. Ao contrário da configuração completa, a estrutura básica do microprocessador exclui registradores de segmento. Alguns dispositivos de execução são combinados em uma unidade funcional, o que também enfatiza a natureza otimizada dessa arquitetura.
- Interface. Em essência, um meio de fornecer comunicação com a rodovia principal. Esta parte contém os registradores de memória interna e o somador de endereços.
O princípio de multiplexação de sinal é frequentemente usado nos canais de saída externos de MPs básicos. Isso significa que a sinalização ocorre em canais comuns de compartilhamento de tempo. Além disso, dependendo do modo de operação atual do sistema, a mesma saída pode ser usada para transmitir sinais para diferentes propósitos.
Estrutura de instruções do microprocessador
Esta estrutura depende muito da configuração geral e da natureza da interação dos blocos funcionais MP. No entanto, mesmo na fase de projeto do sistema, os desenvolvedores estabelecem as possibilidades de aplicação de um determinado conjunto de operações com base nas quais um conjunto de comandos é posteriormente formado. As funções de comando mais comuns incluem:
- Transferência de dados. O comando realiza as operações de atribuição dos valores dos operandos de origem e destino. Registros ou células de memória podem ser usados como o último.
- Entrada-saída. PelaOs dispositivos de interface de E/S transferem dados para as portas. De acordo com a estrutura do microprocessador e sua interação com hardware periférico e unidades internas, os comandos definem os endereços das portas.
- Conversão de tipos. Os formatos e valores de tamanho dos operandos utilizados são determinados.
- Interrupções. Este tipo de instrução é projetado para controlar interrupções de software - por exemplo, pode ser uma parada de função do processador enquanto os dispositivos de E/S começam a funcionar.
- Organização dos ciclos. As instruções alteram o valor do registrador ECX, que pode ser usado como contador ao executar determinado código de programa.
Em regra, são impostas restrições aos comandos básicos relacionados à capacidade de operar com certas quantidades de memória, gerenciar simultaneamente os registradores e seus conteúdos.
Estrutura de gestão do MP
O sistema de controle MP é baseado na unidade de controle, que está associada a várias partes funcionais:
- Sensor de sinal. Determina a sequência e os parâmetros dos pulsos, distribuindo-os uniformemente no tempo pelos barramentos. Entre as características da operação dos sensores está o número de ciclos e sinais de controle necessários para realizar as operações.
- Fonte de sinais. Uma das funções da unidade de controle na estrutura do microprocessador é atribuída à geração ou processamento de sinais - ou seja, sua comutação dentro de um ciclo específico em um barramento específico.
- Decodificador de código de operação. Realiza a descriptografia dos códigos de operação presentes no registrador de instruções noeste momento. Juntamente com a determinação do barramento ativo, este procedimento também ajuda a gerar uma sequência de pulsos de controle.
Não é de pouca importância na infraestrutura de controle um dispositivo de armazenamento permanente que contém em suas células os sinais necessários para realizar operações de processamento. Para contar comandos ao processar dados de pulso, uma unidade de geração de endereço pode ser usada - este é um componente necessário da estrutura interna do microprocessador, que está incluído na unidade de interface do sistema e permite ler os detalhes dos registros de memória com sinais completos.
Componentes do microprocessador
A maioria dos blocos funcionais, assim como os dispositivos externos, são organizados entre si e o microcircuito central MP através do barramento interno. Pode-se dizer que esta é a rede backbone do dispositivo, fornecendo um link de comunicação abrangente. Outra coisa é que o barramento também pode conter elementos de diferentes finalidades funcionais - por exemplo, circuitos para transferência de dados, linhas para transferência de células de memória, além de uma infraestrutura para gravação e leitura de informações. A natureza da interação entre os blocos do próprio barramento é determinada pela estrutura do microprocessador. Os dispositivos incluídos no MP, além do barramento, incluem o seguinte:
- Unidade lógica aritmética. Como já mencionado, este componente é projetado para realizar operações lógicas e aritméticas. Funciona com dados numéricos e de caracteres.
- Dispositivo de controle. Responsável porcoordenação na interação de diferentes partes do MT. Em particular, este bloco gera sinais de controle, direcionando-os para diferentes módulos do dispositivo da máquina em determinados momentos.
- Memória do microprocessador. Usado para gravar, armazenar e emitir informações. Os dados podem ser associados a operações computacionais de trabalho e processos que atendem à máquina.
- Processador matemático. É usado como módulo auxiliar para aumentar a velocidade ao realizar operações computacionais complexas.
Recursos da estrutura do coprocessador
Mesmo dentro da estrutura de execução de operações aritméticas e lógicas típicas, não há capacidade suficiente de um MP convencional. Por exemplo, o microprocessador não tem a capacidade de executar instruções aritméticas de ponto flutuante. Para tais tarefas, são utilizados coprocessadores, cuja estrutura prevê a combinação de um processador central com vários MPs. Ao mesmo tempo, a lógica da operação do dispositivo em si não tem diferenças fundamentais das regras básicas para a construção de microcircuitos aritméticos.
Coprocessadores executam comandos típicos, mas em estreita interação com o módulo central. Essa configuração pressupõe o monitoramento constante de filas de comandos em várias linhas. Na estrutura física de um microprocessador desse tipo, é permitido o uso de um módulo independente para fornecer entrada-saída, cuja característica é a capacidade de selecionar seus comandos. No entanto, para que tal esquema funcione corretamente, os coprocessadores devem definir claramente a fonte de seleção de instruções,coordenando a interação entre os módulos.
O princípio de construção de uma estrutura generalizada de um microprocessador com uma configuração fortemente acoplada também está relacionado com o conceito de um dispositivo coprocessador. Se no caso anterior podemos falar de um bloco de E/S independente com a possibilidade de sua própria seleção de comandos, então uma configuração fortemente acoplada envolve a inclusão na estrutura de um processador independente que controla os fluxos de comandos.
Conclusão
Os princípios da criação de microprocessadores sofreram poucas mudanças desde o advento dos primeiros dispositivos de computação. As características, designs e requisitos para suporte de recursos mudaram, o que mudou radicalmente o computador, mas o conceito geral com as regras básicas para organizar blocos funcionais em sua maioria permanece o mesmo. No entanto, o futuro do desenvolvimento da estrutura do microprocessador pode ser influenciado pela nanotecnologia e pelo advento dos sistemas de computação quântica. Hoje, essas áreas são consideradas no nível teórico, mas grandes corporações estão trabalhando ativamente nas perspectivas de uso prático de novos circuitos lógicos baseados em tecnologias inovadoras. Por exemplo, como uma possível opção para o desenvolvimento da MT, o uso de partículas moleculares e subatômicas não está descartado, e os circuitos elétricos tradicionais podem dar lugar a sistemas de rotação direcionada de elétrons. Isso possibilitará a criação de processadores microscópicos com uma arquitetura fundamentalmente nova, cujo desempenho muitas vezes excederá o atual. MP.
