האנושות עברה דרך ארוכה לקראת יצירת מחשבים, שבלעדיהם אי אפשר לדמיין את החברה המודרנית על כל היבטי חייה בתחומי התעשייה, הכלכלה הלאומית ומכשירי חשמל ביתיים. אבל גם היום, הקידמה לא עומדת מלכת ופותחת צורות חדשות של מחשוב. במרכז הפיתוח הטכנולוגי מזה כמה עשורים עומד מבנה המיקרו-מעבד (MP), המשתפר בפרמטרים הפונקציונליים והעיצוביים שלו.
קונספט מיקרו-מעבד
במובן כללי, הרעיון של מיקרו-מעבד מוצג כהתקן או מערכת נשלטת על ידי תוכנה המבוססת על מעגל משולב גדול (LSI). בעזרת MP מבוצעות פעולות עיבוד נתונים או ניהול מערכות המעבדות מידע. בשלבים הראשוניםהפיתוח של MP התבסס על מיקרו-מעגלים נפרדים בתפקוד נמוך, שבהם היו טרנזיסטורים בכמויות של כמה עד מאות. מבנה המיקרו-מעבד הטיפוסי הפשוט ביותר יכול להכיל קבוצה של מיקרו-מעגלים עם פרמטרים חשמליים, מבניים וחשמליים משותפים. מערכות כאלה נקראות סט מיקרו-מעבד. יחד עם ה-MP, מערכת אחת יכולה להיות מורכבת גם מהתקני זיכרון קבועים ואקראיים, כמו גם בקרים וממשקים לחיבור ציוד חיצוני - שוב, באמצעות תקשורת תואמת. כתוצאה מפיתוח הקונספט של מיקרו-בקרים, לערכת המיקרו-מעבד נוספו התקני שירות מורכבים יותר, רגיסטרים, נהגי אוטובוס, טיימרים וכו'.
היום, המיקרו-מעבד פחות ופחות נחשב כמכשיר נפרד בהקשר של יישומים מעשיים. המבנה הפונקציונלי ועקרון הפעולה של המיקרו-מעבד כבר בשלבי התכנון מונחים על ידי השימוש כחלק ממכשיר מחשוב המיועד לבצע מספר משימות הקשורות לעיבוד וניהול מידע. החוליה המרכזית בתהליכי ארגון הפעולה של התקן מיקרו-מעבד הוא הבקר, השומר על תצורת הבקרה ואופני האינטראקציה בין ליבת המחשוב של המערכת לציוד חיצוני. מעבד משולב יכול להיחשב כקשר ביניים בין הבקר למיקרו-מעבד. הפונקציונליות שלו מתמקדת בפתרון משימות עזר שאינן קשורות ישירות למטרה של ה-MT הראשי.בפרט, אלו יכולות להיות פונקציות רשת ותקשורת המבטיחות את פעולת התקן המיקרו-מעבד.
סיווגים של מיקרו-מעבדים
אפילו בתצורות הפשוטות ביותר, לחברי פרלמנט יש פרמטרים טכניים ותפעוליים רבים שניתן להשתמש בהם כדי להגדיר תכונות סיווג. כדי להצדיק את רמות הסיווג העיקריות, בדרך כלל מבחינים בשלוש מערכות פונקציונליות - תפעולית, ממשק ובקרה. כל אחד מחלקי העבודה הללו מספק גם מספר פרמטרים ומאפיינים מבדילים הקובעים את אופי הפעולה של המכשיר.
מנקודת המבט של המבנה הטיפוסי של מיקרו-מעבדים, הסיווג יחלק בעיקר מכשירים לדגמים מרובי-שבבים ושבב בודד. הראשונים מאופיינים בעובדה שיחידות העבודה שלהם יכולות לתפקד במצב לא מקוון ולבצע פקודות מוגדרות מראש. ובדוגמה זו יובעו חברי פרלמנט, שבהם הדגש הוא על הפונקציה המבצעית. מעבדים כאלה מתמקדים בעיבוד נתונים. באותה קבוצה, למשל, מיקרו-מעבדים שלושה שבבים יכולים להיות בקרה וממשק. זה לא אומר שאין להם פונקציה תפעולית, אבל למטרות אופטימיזציה, רוב משאבי התקשורת והכוח מוקצים למשימות של הפקת הוראות מיקרו או ליכולת ליצור אינטראקציה עם מערכות היקפיות.
באשר לחברי פרלמנט עם שבב יחיד, הם פותחו עם סט קבוע של הוראות ומיקום קומפקטי של כל החומרהעל ליבה אחת. מבחינת פונקציונליות, המבנה של מעבד מיקרו-שבב יחיד מוגבל למדי, אם כי הוא אמין יותר מתצורות פלחים של אנלוגים מרובי-שבבים.
סיווג חשוב נוסף מתייחס לעיצוב הממשק של מעבדים. אנחנו מדברים על דרכים לעיבוד אותות קלט, שהיום ממשיכים להיות מחולקים לדיגיטלי ואנלוגי. למרות שהמעבדים עצמם הם מכשירים דיגיטליים, בחלק מהמקרים השימוש בזרמים אנלוגיים מצדיק את עצמו מבחינת המחיר והאמינות. להמרה, לעומת זאת, יש להשתמש בממירים מיוחדים, התורמים לעומס האנרגיה ולמלאות המבנית של פלטפורמת העבודה. MPs אנלוגיים (בדרך כלל שבב בודד) מבצעים את המשימות של מערכות אנלוגיות סטנדרטיות - למשל, הם מייצרים אפנון, יוצרים תנודות, מקודדים ומפענחים אות.
לפי עקרון הארגון הזמני של תפקוד חבר הפרלמנט, הם מחולקים לסינכרוני ולא-סינכרוני. ההבדל טמון באופי האות להתחיל פעולה חדשה. לדוגמה, במקרה של מכשיר סינכרוני, פקודות כאלה ניתנות על ידי מודולי בקרה, ללא קשר לביצוע הפעולות הנוכחיות. במקרה של חברי MP אסינכרוניים, ניתן לתת אות דומה באופן אוטומטי עם השלמת הפעולה הקודמת. לשם כך, מסופק מעגל אלקטרוני במבנה הלוגי של המיקרו-מעבד מסוג אסינכרוני, המבטיח את פעולתם של רכיבים בודדים במצב לא מקוון, במידת הצורך. המורכבות של יישום שיטה זו לארגון עבודתו של חבר הפרלמנט נובעת מכךתמיד ברגע של השלמת פעולה אחת יש מספיק משאבים מסוימים כדי להתחיל את הבאה. זיכרון המעבד משמש בדרך כלל כקישור לתעדוף בעצם הבחירה של הפעולות הבאות.
מיקרו-מעבדים למטרות כלליות ומיוחדות
ההיקף העיקרי של MP למטרות כלליות הוא תחנות עבודה, מחשבים אישיים, שרתים והתקנים אלקטרוניים המיועדים לשימוש המוני. התשתית הפונקציונלית שלהם מתמקדת בביצוע מגוון רחב של משימות הקשורות לעיבוד מידע. מכשירים כאלה מפותחים על ידי SPARC, אינטל, מוטורולה, יבמ ואחרות.
מעבדים מיוחדים, שמאפיינים ומבנהם מבוססים על בקרים רבי עוצמה, מיישמים נהלים מורכבים לעיבוד והמרת אותות דיגיטליים ואנלוגיים. זהו פלח מגוון מאוד עם אלפי סוגי תצורה. המוזרויות של מבנה MP מסוג זה כוללות שימוש בגביש אחד כבסיס למעבד המרכזי, אשר, בתורו, יכול להיות ממשק עם מספר רב של התקנים היקפיים. ביניהם אמצעי קלט/פלט, בלוקים עם טיימרים, ממשקים, ממירים אנלוגיים לדיגיטליים. נהוג גם לחבר מכשירים מיוחדים כמו בלוקים להפקת אותות ברוחב פולסים. בשל השימוש בזיכרון פנימי, למערכות כאלה יש מספר קטן של רכיבי עזר התומכים בפעולהמיקרו-בקר.
מפרטי מיקרו-מעבד
פרמטרי תפעול מגדירים את טווח משימות ההתקן ואת מערך הרכיבים שבאופן עקרוני, ניתן להשתמש בהם במבנה מיקרו-מעבד מסוים. ניתן לייצג את המאפיינים העיקריים של MP באופן הבא:
- תדר שעון. מציין את מספר הפעולות היסודיות שהמערכת יכולה לבצע בשנייה אחת. ומתבטא ב-MHz. למרות ההבדלים במבנה, חברי פרלמנט שונים מבצעים לרוב משימות דומות, אך בכל מקרה זה דורש זמן אינדיבידואלי, המתבטא במספר המחזורים. ככל שה-MP חזק יותר, כך הוא יכול לבצע יותר הליכים ביחידת זמן אחת.
- רוחב. מספר הביטים שהמכשיר יכול לבצע בו-זמנית. הקצאת רוחב אוטובוס, קצב העברת נתונים, אוגרים פנימיים וכו'.
- כמות זיכרון המטמון. זהו הזיכרון הכלול במבנה הפנימי של המיקרו-מעבד ופועל תמיד בתדרים מגבילים. בייצוג הפיזי, זהו גביש הממוקם על שבב MP הראשי ומקושר לליבה של אוטובוס המיקרו-מעבד.
- תצורה. במקרה זה, אנו מדברים על ארגון הפקודות ושיטות ההתייחסות. בפועל, סוג התצורה יכול להיות אפשרות לשלב בין תהליכי ביצוע מספר פקודות בו-זמנית, מצבי ועקרונות פעולת MP ונוכחות של התקנים היקפיים במערכת המיקרו-מעבד הבסיסית.
ארכיטקטורת מיקרו-מעבד
בגדול, MP הוא אוניברסלימעבד מידע, אך בחלק מתחומי פעולתו נדרשות לרוב תצורות מיוחדות לביצוע המבנה שלו. הארכיטקטורה של המיקרו-מעבדים משקפת את הפרטים של היישום של דגם מסוים, מה שגורם לתכונות החומרה והתוכנה המשולבות במערכת. באופן ספציפי, אנו יכולים לדבר על המפעילים שסופקו, אוגרי התוכניות, שיטות הפנייה וערכות ההוראות.
בייצוג של הארכיטקטורה והתכונות של תפקוד ה-MP, הם משתמשים לעתים קרובות בדיאגרמות התקנים ובאינטראקציה של אוגרי תוכנה זמינים המכילים מידע בקרה ואופרנדים (נתונים מעובדים). לכן, במודל הרגיסטר ישנה קבוצה של אוגרי שירות, וכן מקטעים לאחסון אופרנדים למטרות כלליות. על בסיס זה נקבעים שיטת ביצוע תוכניות, סכימת ארגון הזיכרון, אופן הפעולה והמאפיינים של המיקרו-מעבד. מבנה MP למטרות כלליות, למשל, עשוי לכלול מונה תוכניות, כמו גם אוגרים למצב ולבקרת מצבי הפעולה של המערכת. זרימת העבודה של התקן בהקשר של תצורה ארכיטקטונית יכולה להיות מיוצגת כמודל של העברות אוגר, מתן כתובת, בחירת אופרנדים והוראות, העברת תוצאות וכו'. ביצוע הוראות שונות, ללא קשר להקצאה, ישפיע על המצב רישום, שתוכנו משקף את המצב הנוכחי של המעבד.
מידע כללי על מבנה המיקרו-מעבדים
במקרה זה, יש להבין את המבנה לא רק כסט של רכיבים של מערכת העבודה, אלא גםאמצעי חיבור ביניהם, כמו גם מכשירים המבטיחים את האינטראקציה ביניהם. כמו בסיווג הפונקציונלי, ניתן לבטא את תוכן המבנה באמצעות שלושה מרכיבים - תוכן תפעולי, אמצעי תקשורת עם האוטובוס ותשתית בקרה.
התקן של החלק ההפעלה קובע את אופי פענוח הפקודות ועיבוד הנתונים. קומפלקס זה עשוי לכלול בלוקים פונקציונליים אריתמטיים-לוגיים, כמו גם נגדים לאחסון זמני של מידע, כולל מידע על מצב המיקרו-מעבד. המבנה הלוגי מספק שימוש בנגדים של 16 סיביות המבצעים לא רק הליכים לוגיים ואריתמטיים, אלא גם פעולות העברה. ניתן לארגן את עבודת הרשמים לפי סכמות שונות, הקובעות בין היתר את נגישותם למתכנת. אוגר נפרד שמור עבור פונקציית ערכת הסוללות.
מצמדי אוטובוס אחראים לחיבורים לציוד היקפי. מגוון המשימות שלהם כולל גם שליפת נתונים מהזיכרון ויצירת תור של פקודות. מבנה המיקרו-מעבד הטיפוסי כולל מצביע פקודה IP, מוספי כתובות, אוגרי מקטעים ומאגרים, שדרכם מטופלים קישורים עם אפיקי כתובות.
התקן הבקרה, בתורו, מייצר אותות בקרה, מפענח את הפקודה, וגם מבטיח את פעולת מערכת המחשוב, מוציא פקודות מיקרו לפעולות MP פנימיות.
מבנה של MP בסיסי
המבנה הפשוט של המיקרו-מעבד הזה מספק שניים פונקציונלייםחלקים:
- חדר ניתוח. יחידה זו כוללת מתקני בקרה ועיבוד נתונים, כמו גם זיכרון מיקרו-מעבד. שלא כמו התצורה המלאה, מבנה המיקרו-מעבד הבסיסי אינו כולל אוגרי מקטעים. חלק מהתקני הביצוע משולבים ליחידה פונקציונלית אחת, מה שמדגיש גם את האופי האופטימלי של ארכיטקטורה זו.
- ממשק. בעצם, אמצעי לספק תקשורת עם הכביש הראשי. חלק זה מכיל את אוגרי הזיכרון הפנימיים ואת מוסיף הכתובות.
העיקרון של ריבוי אותות משמש לעתים קרובות בערוצי הפלט החיצוניים של חברי MP בסיסיים. משמעות הדבר היא כי האיתות מתרחש על פני ערוצי שיתוף זמן נפוצים. בנוסף, בהתאם למצב ההפעלה הנוכחי של המערכת, ניתן להשתמש באותו פלט להעברת אותות למטרות שונות.
מבנה הוראות מיקרו-מעבד
מבנה זה תלוי במידה רבה בתצורה הכללית ובאופי האינטראקציה של הבלוקים הפונקציונליים של MP. עם זאת, גם בשלב התכנון של המערכת, מפתחים קובעים את האפשרויות להחלת מערך מסוים של פעולות המבוססות על כך נוצרת קבוצה של פקודות. פונקציות הפקודה הנפוצות ביותר כוללות:
- העברת נתונים. הפקודה מבצעת את הפעולות של הקצאת ערכי המקור והיעד. ניתן להשתמש ברישומים או בתאי זיכרון בתור האחרונים.
- קלט-פלט. דרךהתקני ממשק I/O מעבירים נתונים ליציאות. בהתאם למבנה המיקרו-מעבד והאינטראקציה שלו עם חומרה היקפית ויחידות פנימיות, הפקודות קובעות את כתובות היציאה.
- המרה מסוג. הפורמטים וערכי הגודל של האופרנדים שבהם נעשה שימוש נקבעים.
- הפרעות. סוג זה של הוראה נועד לשלוט בהפרעות תוכנה - למשל, זה יכול להיות עצירה של פונקציית המעבד בזמן שהתקני I/O מתחילים לעבוד.
- ארגון מחזורים. הוראות משנות את הערך של אוגר ECX, שיכול לשמש כמונה בעת ביצוע קוד תוכנית מסוים.
ככלל, הגבלות מוטלות על פקודות בסיסיות הקשורות ליכולת לפעול עם כמויות מסוימות של זיכרון, לנהל בו-זמנית אוגרים ותכולתם.
מבנה ניהול MP
MP מערכת הבקרה מבוססת על יחידת הבקרה, המשויכת למספר חלקים פונקציונליים:
- חיישן אות. קובע את הרצף והפרמטרים של הפולסים, מחלק אותם באופן שווה בזמן על פני האוטובוסים. בין המאפיינים של פעולת חיישנים הוא מספר המחזורים ואותות הבקרה הנדרשים לביצוע פעולות.
- מקור האותות. אחת הפונקציות של יחידת הבקרה במבנה המיקרו-מעבד מוקצית להפקה או עיבוד של אותות - כלומר, מיתוג שלהם בתוך מחזור מסוים באפיק ספציפי.
- מפענח קוד פעולה. מבצע פענוח של קודי הפעולה הקיימים בפנקס ההוראות ב-הרגע הזה. יחד עם קביעת האוטובוס הפעיל, הליך זה גם עוזר ליצור רצף של פולסי בקרה.
בעל חשיבות לא קטנה בתשתית הבקרה הוא התקן אחסון קבוע המכיל בתאיו את האותות הנדרשים לביצוע פעולות עיבוד. כדי לספור פקודות בעת עיבוד נתוני דופק, ניתן להשתמש ביחידת ייצור כתובות - זהו מרכיב הכרחי במבנה הפנימי של המיקרו-מעבד, הכלול ביחידת הממשק של המערכת ומאפשר לך לקרוא את הפרטים של אוגרי הזיכרון עם אותות מלאים.
רכיבי מיקרו-מעבד
רוב הבלוקים הפונקציונליים, כמו גם התקנים חיצוניים, מאורגנים בינם לבין ה-MP של המיקרו-מעגל המרכזי דרך האפיק הפנימי. ניתן לומר כי זוהי רשת עמוד השדרה של המכשיר, המספקת קישור תקשורת מקיף. דבר נוסף הוא שהאוטובוס יכול להכיל גם אלמנטים של מטרות פונקציונליות שונות - למשל מעגלים להעברת נתונים, קווים להעברת תאי זיכרון וכן תשתית לכתיבה וקריאה של מידע. אופי האינטראקציה בין בלוקים של האוטובוס עצמו נקבע על ידי מבנה המיקרו-מעבד. המכשירים הכלולים ב-MP, בנוסף לאוטובוס, כוללים את הדברים הבאים:
- יחידת לוגיקה אריתמטית. כפי שכבר צוין, רכיב זה נועד לבצע פעולות לוגיות ואריתמטיות. זה עובד עם נתונים מספריים ותווים כאחד.
- מכשיר שליטה. אחראי לתיאום באינטראקציה של חלקים שונים של MT. בפרט, בלוק זה יוצר אותות בקרה, ומפנה אותם למודולים שונים של התקן המכונה בנקודות זמן מסוימות.
- זיכרון מיקרו-מעבד. משמש להקלטה, אחסון והנפקת מידע. ניתן לשייך נתונים הן לפעולות חישוביות עובדות והן לתהליכים המשרתים את המכונה.
- מעבד מתמטי. הוא משמש כמודול עזר להגברת המהירות בעת ביצוע פעולות חישוביות מורכבות.
תכונות של מבנה המעבד המשנה
אפילו במסגרת ביצוע פעולות אריתמטיות והגיוניות טיפוסיות, אין מספיק קיבולת של MP קונבנציונלי. לדוגמה, למיקרו-מעבד אין את היכולת לבצע הוראות אריתמטיות של נקודה צפה. עבור משימות כאלה, משתמשים במעבדים שותפים, שמבנהם מספק שילוב של מעבד מרכזי עם מספר חברי פרלמנט. יחד עם זאת, להיגיון של פעולת המכשיר עצמו אין הבדלים מהותיים מהכללים הבסיסיים לבניית מיקרו-מעגלים אריתמטיים.
Coprocessors מבצעים פקודות טיפוסיות, אך באינטראקציה הדוקה עם המודול המרכזי. תצורה זו מניחה ניטור מתמיד של תורי פקודות על פני מספר שורות. במבנה הפיזי של מיקרו-מעבד מסוג זה, מותר להשתמש במודול עצמאי למתן קלט-פלט, שתכונה שלו היא היכולת לבחור את הפקודות שלו. עם זאת, כדי שתכנית כזו תעבוד כהלכה, מעבדי שותפים חייבים להגדיר בבירור את מקור בחירת ההוראה,תיאום אינטראקציה בין מודולים.
העיקרון של בניית מבנה כללי של מיקרו-מעבד עם תצורה משולבת חזק קשור גם לרעיון של התקן משותף. אם במקרה הקודם נוכל לדבר על בלוק I/O עצמאי עם אפשרות לבחירה משלו של פקודות, אז תצורה משולבת חזק כרוכה בהכללה במבנה של מעבד עצמאי השולט בזרמי פקודות
מסקנה
עקרונות יצירת המיקרו-מעבדים עברו שינויים מעטים מאז הופעת מכשירי המחשוב הראשונים. המאפיינים, העיצובים והדרישות לתמיכה במשאבים השתנו, מה ששינה באופן קיצוני את המחשב, אך הקונספט הכללי עם הכללים הבסיסיים לארגון בלוקים פונקציונליים לרוב נשאר זהה. עם זאת, עתיד פיתוח מבנה המיקרו-מעבדים עשוי להיות מושפע מננוטכנולוגיה והופעת מערכות מחשוב קוונטי. כיום, תחומים כאלה נחשבים ברמה התיאורטית, אך תאגידים גדולים עובדים באופן פעיל על הסיכויים לשימוש מעשי במעגלים לוגיים חדשים המבוססים על טכנולוגיות חדשניות. לדוגמה, כאופציה אפשרית להמשך הפיתוח של MT, השימוש בחלקיקים מולקולריים ותת-אטומיים אינו נשלל, ומעגלים חשמליים מסורתיים יכולים לפנות מקום למערכות של סיבוב אלקטרוני מכוון. זה יאפשר ליצור מעבדים מיקרוסקופיים עם ארכיטקטורה חדשה ביסודה, שביצועיה יעלו פעמים רבות על אלה של היום. MP.
