La humanidad ha recorrido un largo camino hacia la creación de computadoras, sin las cuales es imposible imaginar la sociedad moderna con todos los aspectos de su vida en los campos de la industria, la economía nacional y los electrodomésticos. Pero aún hoy, el progreso no se detiene, abriendo nuevas formas de informatización. En el centro del desarrollo tecnológico desde hace varias décadas se encuentra la estructura del microprocesador (MP), que se está mejorando en sus parámetros funcionales y de diseño.
Concepto de microprocesador
En un sentido general, el concepto de microprocesador se presenta como un dispositivo o sistema controlado por programa basado en un gran circuito integrado (LSI). Con la ayuda de MP se realizan operaciones de procesamiento de datos o gestión de sistemas que procesan información. En las primeras etapasEl desarrollo del MP se basó en microcircuitos separados de baja funcionalidad, en los que los transistores estaban presentes en cantidades que iban desde unos pocos hasta cientos. La estructura de microprocesador típica más simple podría contener un grupo de microcircuitos con parámetros eléctricos, estructurales y eléctricos comunes. Estos sistemas se denominan conjunto de microprocesadores. Junto con el MP, un sistema también podría consistir en dispositivos de memoria de acceso permanente y aleatorio, así como controladores e interfaces para conectar equipos externos, nuevamente, a través de comunicaciones compatibles. Como resultado del desarrollo del concepto de microcontroladores, el kit de microprocesador se complementó con dispositivos de servicio más complejos, registros, controladores de bus, temporizadores, etc.
Hoy en día, el microprocesador se considera cada vez menos como un dispositivo separado en el contexto de las aplicaciones prácticas. La estructura funcional y el principio de funcionamiento del microprocesador ya en las etapas de diseño están guiados por el uso como parte de un dispositivo informático diseñado para realizar una serie de tareas relacionadas con el procesamiento y la gestión de la información. El eslabón clave en los procesos de organización del funcionamiento de un dispositivo con microprocesador es el controlador, que mantiene la configuración de control y los modos de interacción entre el núcleo informático del sistema y el equipo externo. Un procesador integrado puede considerarse como un enlace intermedio entre el controlador y el microprocesador. Su funcionalidad está enfocada a resolver tareas auxiliares que no están directamente relacionadas con el propósito del MT principal. En particular, pueden ser funciones de red y comunicación que aseguren el funcionamiento del dispositivo con microprocesador.
Clasificaciones de microprocesadores
Incluso en las configuraciones más simples, los MP tienen muchos parámetros técnicos y operativos que se pueden usar para establecer funciones de clasificación. Para justificar los principales niveles de clasificación, se suelen distinguir tres sistemas funcionales: operativo, de interfaz y de control. Cada una de estas partes de trabajo también proporciona una serie de parámetros y características distintivas que determinan la naturaleza del funcionamiento del dispositivo.
Desde el punto de vista de la estructura típica de los microprocesadores, la clasificación dividirá principalmente los dispositivos en modelos multichip y monochip. Los primeros se caracterizan por el hecho de que sus unidades de trabajo pueden funcionar fuera de línea y ejecutar comandos predeterminados. Y en este ejemplo, se pronunciarán los diputados, en los que el énfasis está en la función operativa. Dichos procesadores se centran en el procesamiento de datos. En el mismo grupo, por ejemplo, los microprocesadores de tres chips pueden ser control e interfaz. Esto no quiere decir que no tengan una función operativa, pero con fines de optimización, la mayor parte de los recursos de comunicación y energía se destinan a las tareas de generación de microinstrucciones o capacidad de interacción con sistemas periféricos.
En cuanto a los MP de un solo chip, se desarrollan con un conjunto fijo de instrucciones y una ubicación compacta de todo el hardwareen un núcleo. En términos de funcionalidad, la estructura de un microprocesador de un solo chip es bastante limitada, aunque es más confiable que las configuraciones de segmento de análogos de múltiples chips.
Otra clasificación importante se refiere al diseño de la interfaz de los microprocesadores. Hablamos de formas de procesar las señales de entrada, que a día de hoy se siguen dividiendo en digitales y analógicas. Aunque los procesadores en sí son dispositivos digitales, en algunos casos el uso de flujos analógicos se justifica en términos de precio y confiabilidad. Para la conversión, sin embargo, se deben utilizar convertidores especiales, que contribuyen a la carga de energía y la plenitud estructural de la plataforma de trabajo. Los MP analógicos (generalmente de un solo chip) realizan las tareas de los sistemas analógicos estándar; por ejemplo, producen modulación, generan oscilaciones, codifican y decodifican una señal.
Según el principio de organización temporal del funcionamiento de los MP, se dividen en sincrónicos y asincrónicos. La diferencia radica en la naturaleza de la señal para iniciar una nueva operación. Por ejemplo, en el caso de un dispositivo síncrono, dichos comandos son dados por módulos de control, independientemente de la ejecución de las operaciones actuales. En el caso de MPs asíncronos, se puede dar una señal similar automáticamente al finalizar la operación anterior. Para hacer esto, se proporciona un circuito electrónico en la estructura lógica del microprocesador de tipo asíncrono, que garantiza el funcionamiento de los componentes individuales en un modo fuera de línea, si es necesario. La complejidad de implementar este método de organización del trabajo del MP se debe a quesiempre en el momento de la finalización de una operación hay suficientes recursos determinados para iniciar la siguiente. La memoria del procesador se utiliza normalmente como enlace de priorización en la elección de las operaciones posteriores.
Microprocesadores para fines generales y especiales
El alcance principal de MP de uso general son las estaciones de trabajo, las computadoras personales, los servidores y los dispositivos electrónicos destinados al uso masivo. Su infraestructura funcional está enfocada a realizar una amplia gama de tareas relacionadas con el procesamiento de la información. Dichos dispositivos están siendo desarrollados por SPARC, Intel, Motorola, IBM y otros.
Los microprocesadores especializados, cuyas características y estructura se basan en potentes controladores, implementan procedimientos complejos para procesar y convertir señales digitales y analógicas. Este es un segmento muy diverso con miles de tipos de configuración. Las peculiaridades de la estructura MP de este tipo incluyen el uso de un cristal como base para el procesador central que, a su vez, puede conectarse con una gran cantidad de dispositivos periféricos. Entre ellos se encuentran los medios de entrada/salida, bloques con temporizadores, interfaces, convertidores de analógico a digital. También se practica para conectar dispositivos especializados como bloques para generar señales de ancho de pulso. Debido al uso de la memoria interna, dichos sistemas tienen una pequeña cantidad de componentes auxiliares que respaldan la operación.microcontrolador.
Especificaciones del microprocesador
Los parámetros operativos definen el rango de tareas del dispositivo y el conjunto de componentes que, en principio, se pueden usar en una estructura de microprocesador particular. Las principales características de MP se pueden representar de la siguiente manera:
- Frecuencia de reloj. Indica el número de operaciones elementales que el sistema puede realizar en 1 segundo. y se expresa en MHz. A pesar de las diferencias en la estructura, los diferentes MP realizan en su mayoría tareas similares, pero en cada caso requiere tiempo individual, lo que se refleja en el número de ciclos. Cuanto más potente sea el MP, más procedimientos podrá realizar en una unidad de tiempo.
- Ancho. El número de bits que el dispositivo puede ejecutar al mismo tiempo. Asignar ancho de bus, velocidad de transferencia de datos, registros internos, etc.
- La cantidad de memoria caché. Esta es la memoria incluida en la estructura interna del microprocesador y siempre operando a frecuencias límite. En la representación física, este es un cristal colocado en el chip MP principal y acoplado al núcleo del bus del microprocesador.
- Configuración. En este caso, estamos hablando de la organización de comandos y métodos de direccionamiento. En la práctica, el tipo de configuración puede significar la posibilidad de combinar los procesos de ejecución de varios comandos al mismo tiempo, los modos y principios de funcionamiento del MP y la presencia de dispositivos periféricos en el sistema microprocesador básico.
Arquitectura de microprocesador
En general, MP es universalprocesador de información, pero en algunas áreas de su operación, muchas veces se requieren configuraciones especiales para la ejecución de su estructura. La arquitectura de los microprocesadores refleja las especificidades de la aplicación de un modelo particular, provocando las características del hardware y software integrado en el sistema. Específicamente, podemos hablar sobre los actuadores, registros de programa, métodos de direccionamiento y conjuntos de instrucciones provistos.
En la representación de la arquitectura y características del funcionamiento del MP, suelen utilizar diagramas de dispositivos y la interacción de registros de software disponibles que contienen información de control y operandos (datos procesados). Por lo tanto, en el modelo de registro hay un grupo de registros de servicio, así como segmentos para almacenar operandos de propósito general. Sobre esta base, se determinan el método de ejecución de programas, el esquema de organización de la memoria, el modo de operación y las características del microprocesador. La estructura MP de propósito general, por ejemplo, puede incluir un contador de programa, así como registros para el estado y control de los modos de operación del sistema. El flujo de trabajo de un dispositivo en el contexto de una configuración arquitectónica se puede representar como un modelo de transferencias de registros, proporcionando direccionamiento, seleccionando operandos e instrucciones, transfiriendo resultados, etc. La ejecución de diferentes instrucciones, independientemente de la asignación, afectará el estado. registro, cuyo contenido refleja el estado actual del procesador.
Información general sobre la estructura de los microprocesadores
En este caso, la estructura debe entenderse no solo como un conjunto de componentes del sistema de trabajo, sino tambiénmedios de conexión entre ellos, así como dispositivos que aseguren su interacción. Al igual que en la clasificación funcional, el contenido de la estructura se puede expresar a través de tres componentes: contenido operativo, medios de comunicación con el bus e infraestructura de control.
El dispositivo de la parte operativa determina la naturaleza de la decodificación de comandos y el procesamiento de datos. Este complejo puede incluir bloques funcionales aritmético-lógicos, así como resistencias para el almacenamiento temporal de información, incluida información sobre el estado del microprocesador. La estructura lógica prevé el uso de resistencias de 16 bits que realizan no solo procedimientos lógicos y aritméticos, sino también operaciones de desplazamiento. El trabajo de los registros se puede organizar según diferentes esquemas, que determinan, entre otras cosas, su accesibilidad para el programador. Se reserva un registro separado para la función de batería.
Los acopladores de bus son responsables de las conexiones a los equipos periféricos. El rango de sus tareas también incluye obtener datos de la memoria y formar una cola de comandos. La estructura típica del microprocesador incluye un puntero de comando IP, sumadores de direcciones, registros de segmentos y búferes, a través de los cuales se atienden los enlaces con los buses de direcciones.
El dispositivo de control, a su vez, genera señales de control, descifra el comando y también garantiza el funcionamiento del sistema informático, emitiendo microcomandos para las operaciones internas del MP.
Estructura del MP básico
La estructura simplificada de este microprocesador proporciona dos funcionespartes:
- Quirófano. Esta unidad incluye instalaciones de control y procesamiento de datos, así como memoria de microprocesador. A diferencia de la configuración completa, la estructura básica del microprocesador excluye los registros de segmento. Algunos dispositivos de ejecución se combinan en una unidad funcional, lo que también enfatiza la naturaleza optimizada de esta arquitectura.
- Interfaz. En esencia, un medio de proporcionar comunicación con la carretera principal. Esta parte contiene los registros de la memoria interna y el sumador de direcciones.
El principio de multiplexación de señales se usa a menudo en los canales de salida externos de los MP básicos. Esto significa que la señalización tiene lugar a través de canales comunes de tiempo compartido. Además, según el modo de funcionamiento actual del sistema, la misma salida se puede utilizar para transmitir señales para diferentes propósitos.
Estructura de instrucciones del microprocesador
Esta estructura depende en gran medida de la configuración general y la naturaleza de la interacción de los bloques funcionales MP. Sin embargo, incluso en la etapa de diseño del sistema, los desarrolladores establecen las posibilidades de aplicar un determinado conjunto de operaciones a partir de las cuales se forma posteriormente un conjunto de comandos. Las funciones de comando más comunes incluyen:
- Transferencia de datos. El comando realiza las operaciones de asignar los valores de los operandos de origen y destino. Se pueden usar registros o celdas de memoria como este último.
- Entrada-salida. MedianteLos dispositivos de interfaz de E/S transfieren datos a los puertos. De acuerdo con la estructura del microprocesador y su interacción con el hardware periférico y las unidades internas, los comandos establecen las direcciones de los puertos.
- Conversión de tipos. Se determinan los formatos y valores de tamaño de los operandos utilizados.
- Interrupciones. Este tipo de instrucción está diseñado para controlar las interrupciones del software, por ejemplo, puede ser una parada de la función del procesador mientras los dispositivos de E/S comienzan a funcionar.
- Organización de ciclos. Las instrucciones cambian el valor del registro ECX, que se puede utilizar como contador al ejecutar cierto código de programa.
Por regla general, se imponen restricciones a los comandos básicos relacionados con la capacidad de operar con ciertas cantidades de memoria, administrar simultáneamente registros y sus contenidos.
estructura de gestión MP
El sistema de control MP se basa en la unidad de control, que está asociada con varias partes funcionales:
- Sensor de señal. Determina la secuencia y los parámetros de los pulsos, distribuyéndolos uniformemente en el tiempo a través de los buses. Entre las características del funcionamiento de los sensores está la cantidad de ciclos y señales de control requeridas para realizar las operaciones.
- Fuente de las señales. Una de las funciones de la unidad de control en la estructura del microprocesador se asigna a la generación o procesamiento de señales, es decir, su conmutación dentro de un ciclo específico en un bus específico.
- Descodificador de código de operación. Realiza el descifrado de los códigos de operación presentes en el registro de instrucciones eneste momento. Junto con la determinación del bus activo, este procedimiento también ayuda a generar una secuencia de pulsos de control.
No es de poca importancia en la infraestructura de control un dispositivo de almacenamiento permanente que contiene en sus celdas las señales necesarias para realizar operaciones de procesamiento. Para contar comandos al procesar datos de pulso, se puede usar una unidad de generación de direcciones; este es un componente necesario de la estructura interna del microprocesador, que se incluye en la unidad de interfaz del sistema y le permite leer los detalles de los registros de memoria con señales en su totalidad.
Componentes del microprocesador
La mayoría de los bloques funcionales, así como los dispositivos externos, se organizan entre ellos y el microcircuito central MP a través del bus interno. Se puede decir que esta es la red troncal del dispositivo, proporcionando un enlace de comunicación integral. Otra cosa es que el bus también puede contener elementos de diferentes propósitos funcionales, por ejemplo, circuitos para transferencia de datos, líneas para transferir celdas de memoria, así como una infraestructura para escribir y leer información. La naturaleza de la interacción entre los bloques del propio bus está determinada por la estructura del microprocesador. Los dispositivos incluidos en el MP, además del bus, son los siguientes:
- Unidad lógica aritmética. Como ya se mencionó, este componente está diseñado para realizar operaciones lógicas y aritméticas. Funciona con datos numéricos y de caracteres.
- Dispositivo de control. Responsable decoordinación en la interacción de diferentes partes del MT. En particular, este bloque genera señales de control, dirigiéndolas a diferentes módulos del dispositivo de la máquina en ciertos momentos.
- Memoria del microprocesador. Se utiliza para registrar, almacenar y emitir información. Los datos se pueden asociar tanto con operaciones computacionales en funcionamiento como con procesos que sirven a la máquina.
- Procesador matemático. Se utiliza como módulo auxiliar para aumentar la velocidad al realizar operaciones computacionales complejas.
Características de la estructura del coprocesador
Incluso en el marco de la realización de operaciones aritméticas y lógicas típicas, no hay suficiente capacidad de un MP convencional. Por ejemplo, el microprocesador no tiene la capacidad de ejecutar instrucciones aritméticas de punto flotante. Para tales tareas, se utilizan coprocesadores, cuya estructura prevé la combinación de un procesador central con varios MP. Al mismo tiempo, la lógica de la operación del dispositivo en sí no tiene diferencias fundamentales con las reglas básicas para construir microcircuitos aritméticos.
Los coprocesadores ejecutan comandos típicos, pero en estrecha interacción con el módulo central. Esta configuración supone una supervisión constante de las colas de comandos en varias líneas. En la estructura física de un microprocesador de este tipo, se permite utilizar un módulo independiente para proporcionar entrada-salida, cuya característica es la capacidad de seleccionar sus comandos. Sin embargo, para que dicho esquema funcione correctamente, los coprocesadores deben definir claramente la fuente de selección de instrucciones,coordinación de la interacción entre módulos.
El principio de construir una estructura generalizada de un microprocesador con una configuración fuertemente acoplada también está relacionado con el concepto de un dispositivo coprocesador. Si en el caso anterior podemos hablar de un bloque de E/S independiente con posibilidad de selección propia de comandos, entonces una configuración fuertemente acoplada implica la inclusión en la estructura de un procesador independiente que controla los flujos de comandos.
Conclusión
Los principios de la creación de microprocesadores han sufrido pocos cambios desde la llegada de los primeros dispositivos informáticos. Las características, diseños y requisitos para el soporte de recursos han cambiado, lo que ha cambiado radicalmente la computadora, pero el concepto general con las reglas básicas para organizar bloques funcionales en su mayor parte sigue siendo el mismo. Sin embargo, el futuro del desarrollo de estructuras de microprocesadores puede estar influenciado por la nanotecnología y el advenimiento de los sistemas de computación cuántica. Hoy, tales áreas se consideran a nivel teórico, pero las grandes corporaciones están trabajando activamente en las perspectivas del uso práctico de nuevos circuitos lógicos basados en tecnologías innovadoras. Por ejemplo, como posible opción para un mayor desarrollo de la MT, no se descarta el uso de partículas moleculares y subatómicas, y los circuitos eléctricos tradicionales pueden dar paso a sistemas de rotación electrónica dirigida. Esto permitirá crear procesadores microscópicos con una arquitectura fundamentalmente nueva, cuyo rendimiento superará muchas veces el actual. MP.
