Αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή: κύριοι τύποι, ανάπτυξη, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Εσωτερική αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή. Χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής των σύγχρονων βουλευτών

Εισαγωγή

1. γενικά χαρακτηριστικάαρχιτεκτονική επεξεργαστή

1.1 Βασική δομήσύστημα μικροεπεξεργαστή

1.3 Επισκόπηση υπάρχοντες τύπουςαρχιτεκτονικές μικροεπεξεργαστών

2. Συσκευή ελέγχου

3. Χαρακτηριστικά ελέγχου λογισμικού και υλικολογισμικού

4. Τρόποι διευθυνσιοδότησης

συμπέρασμα

Βιβλιογραφία

Εισαγωγή

Η διαδικασία της ανθρώπινης αλληλεπίδρασης με τους υπολογιστές συνεχίζεται για περισσότερα από 40 χρόνια. Μέχρι πρόσφατα, μόνο ειδικοί - μηχανικοί, μαθηματικοί - προγραμματιστές, χειριστές - μπορούσαν να συμμετέχουν σε αυτή τη διαδικασία. ΣΕ τα τελευταία χρόνιαυπήρξαν δραματικές αλλαγές στην περιοχή τεχνολογία υπολογιστών. Χάρη στην ανάπτυξη και εφαρμογή μικροεπεξεργαστών στη δομή του υπολογιστή, εμφανίστηκαν μικρού μεγέθους, φιλικοί προς το χρήστη προσωπικοί υπολογιστές. Η κατάσταση έχει αλλάξει. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συχνά φαινόμενο προσωπικός υπολογιστής. Επί του παρόντος, ο παγκόσμιος στόλος προσωπικών υπολογιστών ξεπερνά τα 20 εκατομμύρια.

Γιατί εμφανίστηκε αυτό το φαινόμενο; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να βρεθεί αν διατυπώσουμε με σαφήνεια τι είναι ένας προσωπικός υπολογιστής και ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά του. Πρέπει να αντιληφθούμε σωστά τον ίδιο τον ορισμό του "προσωπικού" δεν σημαίνει ότι ένας υπολογιστής ανήκει σε ένα άτομο ως προσωπική ιδιοκτησία. Ο ορισμός του «προσωπικού» προέκυψε επειδή ένα άτομο είχε την ευκαιρία να επικοινωνήσει με έναν υπολογιστή χωρίς τη μεσολάβηση επαγγελματία προγραμματιστή, ανεξάρτητα, προσωπικά. Ωστόσο, δεν είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ειδική γλώσσαΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ. Υπάρχει στον υπολογιστή λογισμικόθα παρέχει μια ευνοϊκή «φιλική» μορφή διαλόγου μεταξύ του χρήστη και του υπολογιστή.

Αυτή τη στιγμή ένα από τα πιο δημοφιλείς υπολογιστέςτο ατσάλινο μοντέλο IBM PC και η εκσυγχρονισμένη του έκδοση IBM PC XT, η οποία στην αρχιτεκτονική, λογισμικό, εξωτερικός σχεδιασμόςθεωρείται το βασικό μοντέλο ενός προσωπικού υπολογιστή.

Η βάση ενός προσωπικού υπολογιστή είναι μονάδα του συστήματος. Οργανώνει την εργασία, επεξεργάζεται πληροφορίες, κάνει υπολογισμούς και διασφαλίζει την επικοινωνία μεταξύ ενός ατόμου και ενός υπολογιστή. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να κατανοήσει πλήρως πώς λειτουργεί η μονάδα συστήματος. Αυτό είναι για ειδικούς. Πρέπει όμως να ξέρει από ποια λειτουργικά μπλοκ αποτελείται ο υπολογιστής. Δεν έχουμε σαφή ιδέα για την αρχή της λειτουργίας των εσωτερικών λειτουργικών μπλοκ αντικειμένων γύρω μας - ψυγείο, σόμπα αερίου, πλυντήριο, αυτοκίνητο, αλλά πρέπει να γνωρίζουν ποια είναι η βάση για τη λειτουργία αυτών των συσκευών, ποιες είναι οι δυνατότητες των συστατικών τους μπλοκ.

1. Γενικά χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής του επεξεργαστή 1.1 Βασική δομή του συστήματος μικροεπεξεργαστή

Το έργο της διαχείρισης του συστήματος έχει ανατεθεί ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(CPU), που συνδέεται με τη μνήμη και το σύστημα εισόδου/εξόδου μέσω της μνήμης και των καναλιών εισόδου/εξόδου αντίστοιχα. Η CPU διαβάζει τις οδηγίες από τη μνήμη που απαρτίζουν το πρόγραμμα και τις αποκωδικοποιεί. Σύμφωνα με το αποτέλεσμα των οδηγιών αποκωδικοποίησης, ανακτά δεδομένα από τη μνήμη των θυρών εισόδου, τα επεξεργάζεται και τα στέλνει πίσω στη μνήμη ή στις θύρες εξόδου. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα εισαγωγής/εξόδου δεδομένων από τη μνήμη σε εξωτερικές συσκευές και αντίστροφα, παρακάμπτοντας την CPU. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται άμεση πρόσβαση στη μνήμη (DMA).

Από την πλευρά του χρήστη, κατά την επιλογή ενός μικροεπεξεργαστή, είναι σκόπιμο να υπάρχουν ορισμένα γενικευμένα ολοκληρωμένα χαρακτηριστικά των δυνατοτήτων του μικροεπεξεργαστή. Ο προγραμματιστής πρέπει να κατανοήσει και να κατανοήσει μόνο εκείνα τα στοιχεία του μικροεπεξεργαστή που αντικατοπτρίζονται ξεκάθαρα στα προγράμματα και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την ανάπτυξη κυκλωμάτων και προγραμμάτων για τη λειτουργία του συστήματος. Τέτοια χαρακτηριστικά ορίζονται από την έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή.

1.2 Έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή

Τυπική μικρή αρχιτεκτονική υπολογιστικό σύστημαεπί με βάση μικροϋπολογιστήφαίνεται στο Σχ. 1. Ένας τέτοιος μικροϋπολογιστής περιέχει και τα 5 κύρια μπλοκ μιας ψηφιακής μηχανής: συσκευή εισαγωγής πληροφοριών, συσκευή ελέγχου(UU), αριθμητική-λογική μονάδα (ALU) (περιλαμβάνεται στον μικροεπεξεργαστή), συσκευές αποθήκευσης (μνήμη) και συσκευή εξόδου πληροφοριών.

Ρύζι. 1. Αρχιτεκτονική ενός τυπικού μικροεπεξεργαστή.

Ο μικροεπεξεργαστής συντονίζει τη λειτουργία όλων των συσκευών ψηφιακό σύστημαχρησιμοποιώντας το δίαυλο ελέγχου (CC). Εκτός από το SHU, υπάρχει ένας δίαυλος διευθύνσεων 16-bit (ABA), ο οποίος χρησιμοποιείται για την επιλογή μιας συγκεκριμένης κυψέλης μνήμης, θύρας εισόδου ή θύρας εξόδου. Με 8-bit λεωφορείο πληροφοριώνή διαύλου δεδομένων (SD) πραγματοποιείται αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων προς και από τον μικροεπεξεργαστή. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το MP μπορεί να στέλνει πληροφορίες στη μνήμη του μικροϋπολογιστή ή σε μία από τις θύρες εξόδου, καθώς και να λαμβάνει πληροφορίες από τη μνήμη ή από μία από τις θύρες εισόδου.

Η μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM) σε έναν μικροϋπολογιστή περιέχει ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα (στην πράξη, ένα πρόγραμμα προετοιμασίας υπολογιστή). Τα προγράμματα μπορούν να φορτωθούν σε μια μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM) και από μια εξωτερική συσκευή αποθήκευσης (ERM). Αυτά είναι προγράμματα χρήστη.

Ως παράδειγμα που επεξηγεί τη λειτουργία ενός μικροϋπολογιστή, εξετάστε μια διαδικασία για την υλοποίηση της οποίας πρέπει να εκτελέσετε την ακόλουθη σειρά βασικών λειτουργιών:

1. Πατήστε το πλήκτρο γράμματος "A" στο πληκτρολόγιο.

2. Τοποθετήστε το γράμμα «A» στη μνήμη του μικροϋπολογιστή.

3. Εμφανίστε το γράμμα "A" στην οθόνη ενδείξεων.

Αυτή είναι μια τυπική διαδικασία εισόδου-αποθήκευσης-εξόδου, η εξέταση της οποίας καθιστά δυνατή την εξήγηση των αρχών χρήσης ορισμένων συσκευών που περιλαμβάνονται σε έναν μικροϋπολογιστή.

Στο Σχ. Το σχήμα 2 δείχνει ένα λεπτομερές διάγραμμα της εκτέλεσης της διαδικασίας εισαγωγής-αποθήκευσης-εξόδου. Σημειώστε ότι οι οδηγίες έχουν ήδη φορτωθεί στις πρώτες έξι θέσεις μνήμης. Το αποθηκευμένο πρόγραμμα περιέχει την ακόλουθη αλυσίδα εντολών:

1. Εισαγάγετε δεδομένα από τη θύρα εισόδου 1.

2. Αποθηκεύστε τα δεδομένα στη θέση μνήμης 200.

3. Στείλτε δεδομένα στη θύρα εξόδου 10.

Υπάρχουν μόνο τρεις εντολές σε αυτό το πρόγραμμα, αν και στο Σχ. 2 μπορεί να φαίνεται ότι υπάρχουν έξι εντολές αποθηκευμένες στη μνήμη του προγράμματος. Αυτό συμβαίνει γιατί η ομάδα συνήθως χωρίζεται σε μέρη. Το πρώτο μέρος της εντολής 1 στο παραπάνω πρόγραμμα είναι η εντολή εισαγωγής δεδομένων. Το δεύτερο μέρος της εντολής 1 καθορίζει από πού πρέπει να εισαχθούν τα δεδομένα (από τη θύρα 1). Το πρώτο μέρος της εντολής, το οποίο καθορίζει μια συγκεκριμένη ενέργεια, ονομάζεται κωδικός λειτουργίας (OPC) και το δεύτερο μέρος ονομάζεται τελεστής. Ο κωδικός και ο τελεστής τοποθετούνται μέσα μεμονωμένα κύτταραμνήμη προγράμματος. Στο Σχ. 2 COP αποθηκεύεται στο κελί 100 και ο κώδικας τελεστών αποθηκεύεται στο κελί 101 (θύρα 1). Το τελευταίο υποδεικνύει από πού πρέπει να ληφθούν οι πληροφορίες.

Σε MP στο Σχ. 2, επισημαίνονται δύο ακόμη νέα μπλοκ - καταχωρητές: ο συσσωρευτής και ο καταχωρητής εντολών.

Ρύζι. 2. Διάγραμμα εκτέλεσης της διαδικασίας εισαγωγής-απομνημόνευσης-εξόδου

Ας εξετάσουμε το πέρασμα εντολών και δεδομένων μέσα σε έναν μικροϋπολογιστή χρησιμοποιώντας αριθμημένους κύκλους στο διάγραμμα. Θυμηθείτε ότι ο μικροεπεξεργαστής είναι ο κεντρικός κόμβος που ελέγχει την κίνηση όλων των δεδομένων και την εκτέλεση των λειτουργιών.

Έτσι, όταν εκτελείτε μια τυπική διαδικασία εισόδου-αποθήκευσης-εξόδου σε έναν μικροϋπολογιστή, εμφανίζεται η ακόλουθη σειρά ενεργειών:

1. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 100 στο δίαυλο διευθύνσεων. Ένα σήμα αποστέλλεται μέσω του διαύλου ελέγχου που θέτει τη μνήμη προγράμματος (ένα συγκεκριμένο μικροκύκλωμα) σε λειτουργία ανάγνωσης.

2. Η μνήμη του προγράμματος στέλνει την πρώτη εντολή ("Εισαγωγή δεδομένων") κατά μήκος του διαύλου δεδομένων και ο MP λαμβάνει αυτό το κωδικοποιημένο μήνυμα. Η εντολή τοποθετείται στον καταχωρητή εντολών. Το MP αποκωδικοποιεί (ερμηνεύει) την λαμβανόμενη εντολή και καθορίζει ότι η εντολή απαιτεί τελεστή.

3. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 101 στον ShA. Ο χώρος ελέγχου χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της μνήμης του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

4. Ο τελεστής «Από τη θύρα 1» αποστέλλεται από τη μνήμη του προγράμματος στον SD. Αυτός ο τελεστής είναι μέσα μνήμη προγράμματοςστο κελί 101. Ο κωδικός τελεστή (που περιέχει τη διεύθυνση της θύρας 1) μεταδίδεται μέσω του SD στο MP και αποστέλλεται στον καταχωρητή εντολών. Ο βουλευτής τώρα αποκωδικοποιεί πλήρης ομάδα("Εισαγωγή δεδομένων από τη θύρα 1").

5. Το MP, χρησιμοποιώντας τα ShA και ShU που το συνδέουν με τη συσκευή εισόδου, ανοίγει τη θύρα 1. Ψηφιακός κώδικαςτο γράμμα "A" μεταφέρεται στον συσσωρευτή μέσα στο MP και είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι κατά την επεξεργασία του καθενός εντολή προγράμματοςΤο MP λειτουργεί σύμφωνα με τη μικροδιαδικασία δειγματοληψίας-αποκωδικοποίησης-εκτέλεσης.

6. Το MP αποκτά πρόσβαση στο κελί 102 μέσω ShaA. Ο χώρος ελέγχου χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της μνήμης του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

7. Ο κωδικός εντολής “Remember data” αποστέλλεται στον SD και αποστέλλεται στο MP, όπου τοποθετείται στο μητρώο εντολών.

8. Το MP αποκωδικοποιεί αυτήν την εντολή και καθορίζει ότι απαιτεί έναν τελεστή. Το MP αποκτά πρόσβαση στο κελί μνήμης 103 και ενεργοποιεί την είσοδο για την ανάγνωση τσιπ μνήμης προγράμματος.

9. Ο κωδικός μηνύματος "In memory cell 200" αποστέλλεται από τη μνήμη του προγράμματος στον SD. Ο MP παίρνει αυτόν τον τελεστή και τον τοποθετεί στον καταχωρητή εντολών. Η πλήρης εντολή "Αποθήκευση δεδομένων στη θέση μνήμης 200" επιλέγεται από τη μνήμη του προγράμματος και αποκωδικοποιείται.

10. Τώρα ξεκινά η διαδικασία εκτέλεσης εντολών. Το MP προωθεί τη διεύθυνση 200 στο SHA και ενεργοποιεί την είσοδο εγγραφής που σχετίζεται με τη μνήμη δεδομένων.

11. Το MP προωθεί τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στην μπαταρία στη μνήμη δεδομένων. Ο κωδικός του γράμματος "A" μεταδίδεται μέσω SD και γράφεται στο κελί 200 αυτής της μνήμης. Η δεύτερη εντολή έχει εκτελεστεί. Η διαδικασία απομνημόνευσης δεν καταστρέφει τα περιεχόμενα της μπαταρίας. Εξακολουθεί να περιέχει τον κωδικό για το γράμμα "A".

12. Το MP αποκτά πρόσβαση στο κελί μνήμης 104 για να επιλέξει την επόμενη εντολή και αλλάζει τη μνήμη του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

13. Ο κωδικός εντολής εξόδου δεδομένων αποστέλλεται μέσω SD στον MP, ο οποίος τον τοποθετεί στον καταχωρητή εντολών, τον αποκρυπτογραφεί και καθορίζει ότι απαιτείται τελεστής.

14. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 105 στο SHA και ρυθμίζουν τη μνήμη του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

15. Από τη μνήμη προγράμματος μέσω SD, ο κωδικός του τελεστή «To port 10» φτάνει στο MP, ο οποίος στη συνέχεια τοποθετείται στον καταχωρητή εντολών.

16. Το MP αποκρυπτογραφεί την πλήρη εντολή «Εξαγωγή δεδομένων στη θύρα 10». Με τη βοήθεια του ShA και του ShU που το συνδέουν με τη συσκευή εξόδου, ο MP ανοίγει τη θύρα 10 και στέλνει τον κωδικό του γράμματος "A" (ακόμα βρίσκεται στην μπαταρία) μέσω του ShD. Το γράμμα "A" εμφανίζεται μέσω της θύρας 10 στην οθόνη ενδείξεων.

Στα περισσότερα συστήματα μικροεπεξεργαστών (MPS), οι πληροφορίες μεταφέρονται με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που συζητήθηκε παραπάνω. Οι πιο σημαντικές διαφορές είναι δυνατές στα μπλοκ εισόδου και εξόδου.

Ας τονίσουμε για άλλη μια φορά ότι ο μικροεπεξεργαστής είναι ο πυρήνας του συστήματος και ελέγχει όλες τις λειτουργίες. Το έργο του αντιπροσωπεύει μια διαδοχική υλοποίηση μικροδιαδικασιών δειγματοληψίας-αποκρυπτογράφησης-εκτέλεσης. Ωστόσο, η πραγματική ακολουθία λειτουργιών στο MPS καθορίζεται από τις εντολές που καταγράφονται στη μνήμη του προγράμματος.

Έτσι, στο MPS, αποδίδει ο μικροεπεξεργαστής παρακάτω λειτουργίες:

Ανάκτηση εντολών προγράμματος από την κύρια μνήμη.

Αποκρυπτογράφηση εντολών.

Εκτέλεση αριθμητικών, λογικών και άλλων πράξεων κωδικοποιημένων σε εντολές.

Έλεγχος της μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ καταχωρητών και κύριας μνήμης, μεταξύ συσκευών εισόδου/εξόδου.

Επεξεργασία σημάτων από συσκευές εισόδου/εξόδου, συμπεριλαμβανομένης της υλοποίησης διακοπών από αυτές τις συσκευές.

Διαχείριση και συντονισμός του έργου των κύριων μονάδων ΜΠ.

1.6.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας καθιστά δυνατή τη δημιουργία σε ένα τσιπ ενός αυξανόμενου αριθμού ενεργών εξαρτημάτων - τρανζίστορ, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή νέων αρχιτεκτονικών και δομικών λύσεων που παρέχουν αυξημένη απόδοση και επέκταση λειτουργικότηταμικροεπεξεργαστές

Τεχνολογία μικροεπεξεργαστή περιλαμβάνει υλικό και λογισμικό που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων συστημάτων μικροεπεξεργαστών, συσκευών και προσωπικών μικροϋπολογιστών.

Μικροεπεξεργαστής (MP) – συσκευή ελεγχόμενη από λογισμικό που εκτελεί τη διαδικασία ψηφιακή επεξεργασίαπληροφορίες και τη διαχείρισή τους και βασίζεται, κατά κανόνα, σε ένα LSI.

Σύστημα μικροεπεξεργαστή (MPS) είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές, κυρίως με μικροεπεξεργαστή: έναν μικροεπεξεργαστή ή/και έναν μικροελεγκτή.

Ορος "μικροελεγκτής" (MK) εκτόπισε τον όρο "μικροϋπολογιστής ενός τσιπ" που χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν. Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν μικροϋπολογιστή ενός τσιπ εκδόθηκε το 1971 στους M. Kochren και G. Boon. Ήταν αυτοί που πρότειναν να τοποθετηθεί σε ένα τσιπ όχι μόνο ένας μικροεπεξεργαστής, αλλά και συσκευές μνήμης και εισόδου/εξόδου. Η έλευση των μικροϋπολογιστών ενός τσιπ συνδέεται με την έναρξη της εποχής του αυτοματισμού υπολογιστών στον τομέα της διαχείρισης. Προφανώς, αυτή η περίσταση καθόρισε τον όρο "μικροελεγκτής" (έλεγχος- διαχείριση).

Ωστόσο, στη συνέχεια, η επέκταση του πεδίου χρήσης των μικροελεγκτών συνεπαγόταν την ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής τους λόγω της τοποθέτησης συσκευών (modules) σε ένα τσιπ που αντικατοπτρίζουν τις ιδιαιτερότητες των εργασιών που επιλύονται με τη λειτουργικότητά τους. Τέτοιες πρόσθετες συσκευές ονομάστηκαν περιφερειακά. Επομένως, δεν είναι τυχαίο ότι ένας άλλος όρος εισήχθη πρόσφατα - "ενσωματωμένος επεξεργαστής" (IP) , το οποίο ορίζει μια νέα κατηγορία λειτουργικά χωρητικότητας συσκευών μονού τσιπ με διαφορετική σύνθεση μονάδων. Κατά ποσότητα και σύνθεση περιφερειακές συσκευέςΤα IP είναι κατώτερα από τα MK και καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ MPs και MKs. Για τον ίδιο λόγο δεν εμφανίστηκαν μόνο οικογένειες MK που ενώνουν σχετικά MK (με το ίδιο σύστημα εντολών, βάθος bit), αλλά άρχισαν να διακρίνονται και υπότυποι MK: επικοινωνία, για έλεγχο κ.λπ.

Μικροελεγκτής (MK) – υπολογιστής ενός τσιπ ή μικροεπεξεργαστή ελέγχου.

Τα MPs χρησιμοποιούνται επί του παρόντος κυρίως για την παραγωγή προσωπικών υπολογιστών και τα MK και IP αποτελούν τη βάση για τη δημιουργία διαφόρων ενσωματωμένων συστημάτων, τηλεπικοινωνιών και φορητού εξοπλισμού κ.λπ.

Αρχιτεκτονική επεξεργαστή είναι το σύμπλεγμα του υλικού και του λογισμικού του που παρέχεται στον χρήστη. Αυτή η γενική ιδέα περιλαμβάνει ένα σύνολο καταχωρητών προσβάσιμων από λογισμικό και εκτελεστικών (λειτουργικών) συσκευών, ένα σύστημα βασικών εντολών και μεθόδων διευθυνσιοδότησης, τον όγκο και τη δομή της διευθυνσιοδοτούμενης μνήμης κ.λπ.

Αρχιτεκτονική στενά συνδεδεμένη με δομή , το οποίο προβλέπει την παρουσία στοιχείων για την υλοποίηση λειτουργιών του επεξεργαστή.

1.6.2 Παραλλαγές αρχιτεκτονικών μικροεπεξεργαστών

Σε συνάρτηση απόσύνολο εντολών που θα εκτελεστούν και μεθόδων διευθυνσιοδότησης

CISC ( Συγκρότημα Εντολή Σειρά Υπολογιστή ) – αρχιτεκτονική υλοποιείται σε πολλούς τύπους μικροεπεξεργαστών που εκτελούν ένα μεγάλο σύνολο εντολών πολλαπλών μορφών χρησιμοποιώντας πολυάριθμες μεθόδους διευθυνσιοδότησης.

Για παράδειγμα, μικροεπεξεργαστές της οικογένειας Pentium. Εκτελούν περισσότερες από 200 εντολές διαφορετικής πολυπλοκότητας, οι οποίες κυμαίνονται σε μέγεθος από 1 έως 15 byte και παρέχουν περισσότερες από 10 διαφορετικές μεθόδους διευθυνσιοδότησης).

Μια μεγάλη ποικιλία εκτελεσμένων εντολών και μεθόδων διευθυνσιοδότησης επιτρέπει στον προγραμματιστή να εφαρμόσει τους πιο αποτελεσματικούς αλγόριθμους για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων. Ωστόσο, ταυτόχρονα, η δομή του μικροεπεξεργαστή, ειδικά η συσκευή ελέγχου του, γίνεται σημαντικά πιο περίπλοκη, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους και του κόστους του κρυστάλλου και σε μείωση της απόδοσης. Ταυτόχρονα, πολλές εντολές και μέθοδοι διευθυνσιοδότησης χρησιμοποιούνται αρκετά σπάνια. Επομένως, ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980 άρχισε η εντατική ανάπτυξη μειωμένη αρχιτεκτονική επεξεργαστή σύνολο εντολών ( RISC -επεξεργαστές).

RISC ( Μειωμένος Εντολή Σειρά Υπολογιστή ) – αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται από τη χρήση περιορισμένου συνόλου εντολών σταθερής μορφής και μειωμένου αριθμού μεθόδων διευθυνσιοδότησης.

Ως αποτέλεσμα, η δομή του μικροεπεξεργαστή απλοποιείται σημαντικά, το μέγεθος και το κόστος του μειώνονται και η παραγωγικότητα αυξάνεται σημαντικά. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές RISC εφαρμόζουν συνήθως περίπου 100 εντολές, οι οποίες έχουν σταθερή μορφή μήκους 4 byte. Ο αριθμός των μεθόδων διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιούνται είναι επίσης σημαντικά μειωμένος. Συνήθως, στους επεξεργαστές RISC, όλες οι εντολές επεξεργασίας δεδομένων εκτελούνται μόνο με εγγραφή ή άμεση διεύθυνση. Ταυτόχρονα, για να μειωθεί ο αριθμός των προσβάσεων στη μνήμη, οι επεξεργαστές RISC έχουν αυξημένο όγκο αποθήκευσης εσωτερικού καταχωρητή - από 32 σε αρκετές εκατοντάδες καταχωρητές, ενώ στους επεξεργαστές CISC ο αριθμός των καταχωρητών γενικής χρήσης είναι συνήθως 8-16 στους επεξεργαστές RISC χρησιμοποιείται μόνο σε λειτουργίες φόρτωσης δεδομένων στο REU ή μεταφοράς αποτελεσμάτων από το REU στη μνήμη. Σε αυτή την περίπτωση, ένας μικρός αριθμός από τα περισσότερααπλούς τρόπους

διευθυνσιοδότηση: έμμεσο μητρώο, ευρετήριο και μερικά άλλα.

Τα πλεονεκτήματα της αρχιτεκτονικής RISC έχουν οδηγήσει στο γεγονός ότι πολλοί σύγχρονοι επεξεργαστές CISC χρησιμοποιούν έναν πυρήνα RISC για την εκτέλεση επεξεργασίας δεδομένων. Σε αυτήν την περίπτωση, οι εισερχόμενες σύνθετες εντολές και εντολές πολλαπλών μορφών μετατρέπονται εκ των προτέρων σε μια ακολουθία απλών λειτουργιών RISC που εκτελούνται γρήγορα από αυτόν τον πυρήνα επεξεργαστή.

Έτσι λειτουργούν για παράδειγμα τα τελευταία μοντέλα μικροεπεξεργαστών Pentium και K7 που σύμφωνα με εξωτερικούς δείκτες ανήκουν σε επεξεργαστές CISC. Η χρήση της αρχιτεκτονικής RISC είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα πολλών σύγχρονων μικροεπεξεργαστών. ( VLIW Πολύ Εντολή Μεγάλο ) – Χαρακτηριστικό της αρχιτεκτονικής είναι η χρήση πολύ μεγάλων εντολών (μέχρι 128 bit ή περισσότερα), μεμονωμένα πεδία των οποίων περιέχουν κώδικες που επιτρέπουν την εκτέλεση διαφόρων λειτουργιών. Έτσι, μια εντολή προκαλεί την παράλληλη εκτέλεση πολλών λειτουργιών σε διαφορετικές συσκευές λειτουργίας, που περιλαμβάνεται στη δομή του μικροεπεξεργαστή.

Αρχιτεκτονική εμφανίστηκε σχετικά πρόσφατα - τη δεκαετία του 1990.

Σε συνάρτηση σχετικά με την εφαρμογή της μνήμης που χρησιμοποιείται και την οργάνωση της ανάκτησης εντολών και δεδομένων Οι ακόλουθες επιλογές αρχιτεκτονικής εφαρμόζονται σε σύγχρονους μικροεπεξεργαστές:

Αρχιτεκτονική του Πρίνστον , που συχνά αποκαλείται Αρχιτεκτονική Von Neumann, που χαρακτηρίζεται από τη χρήση κοινής μνήμης RAM για την αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων.

Για την πρόσβαση σε αυτή τη μνήμη, χρησιμοποιείται ένας κοινός δίαυλος συστήματος, μέσω του οποίου τόσο εντολές όσο και δεδομένα εισέρχονται στον επεξεργαστή.Πλεονεκτήματα

αρχιτεκτονική: α) Η παρουσία κοινόχρηστης μνήμης σάς επιτρέπει να αναδιανέμετε γρήγορα τον όγκο της για να αποθηκεύετε ξεχωριστές συστοιχίες εντολών και δεδομένων, ανάλογα με τις εργασίες που επιλύονται. Αυτό εξασφαλίζει τη δυνατότητα αποτελεσματικής χρήσης του διαθέσιμου τόμουμνήμη τυχαίας προσπέλασης

σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση χρήσης μικροεπεξεργαστή·

β) η χρήση ενός κοινού διαύλου για τη μετάδοση εντολών και δεδομένων απλοποιεί σημαντικά τον εντοπισμό σφαλμάτων, τη δοκιμή και τη συνεχή παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήματος και αυξάνει την αξιοπιστία του.Το κύριο μειονέκτημα

αρχιτεκτονική είναι η ανάγκη για διαδοχική δειγματοληψία εντολών και επεξεργασμένων δεδομένων μέσω ενός κοινού διαύλου συστήματος. Σε αυτή την περίπτωση, ο κοινός δίαυλος γίνεται «συμφόρηση», που περιορίζει την απόδοση του ψηφιακού συστήματος. Αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ

χαρακτηρίζεται από το φυσικό διαχωρισμό της μνήμης εντολών (προγραμμάτων) και της μνήμης δεδομένων. Κάθε μνήμη συνδέεται με τον επεξεργαστή με ξεχωριστό δίαυλο, ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων κατά την εκτέλεση της τρέχουσας εντολής για ανάκτηση και αποκωδικοποίηση της επόμενης εντολής.Αξιοπρέπεια

Η αρχιτεκτονική έχει υψηλότερη απόδοση από τη χρήση της αρχιτεκτονικής του Princeton, λόγω του διαχωρισμού των ροών εντολών και δεδομένων και του συνδυασμού των λειτουργιών ανάκτησής τους.Ελαττώματα

Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη μνήμη, το ποσοστό χρήσης της οποίας κατά την επίλυση διαφόρων προβλημάτων είναι χαμηλότερο από ό,τι σε συστήματα με την αρχιτεκτονική του Princeton. Ωστόσο, η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας επέτρεψε να ξεπεραστούν σε μεγάλο βαθμό αυτές οι ελλείψεις.

ΓαρΒαρδιάνικη αρχιτεκτονικήχρησιμοποιείται ευρέως στην εσωτερική δομή των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι χρησιμοποιούν ξεχωριστή μνήμη cache για την αποθήκευση εντολών και δεδομένων. Ταυτόχρονα, οι αρχές του Αρχιτεκτονική του Πρίνστον.

Τυπική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή

Τα περισσότερα συστήματα μικροεπεξεργαστών έχουν μια αρθρωτή δομή διαύλου, στην οποία μεμονωμένες συσκευές (ενότητες) που περιλαμβάνονται στο σύστημα ανταλλάσσουν πληροφορίες μέσω ενός κοινού βασικού διαύλου συστήματος (Εικόνα 1.7).

Η κύρια μονάδα του συστήματος είναι ένας μικροεπεξεργαστής, ο οποίος περιλαμβάνει

κανονίζω διαχείριση (UU) ,

συσκευή λειτουργίας ,

καταχωρήστε το στόμιο αποθήκευσης σμήνος (RZU) – εσωτερική μνήμη, που υλοποιείται ως σύνολο καταχωρητών.

ΛΥΡΙΚΗ ΣΚΗΝΗ συσκευή αποθήκευσης (ΕΜΒΟΛΟ) χρησιμεύει για την αποθήκευση του εκτελέσιμου προγράμματος (ή των τμημάτων του) και των δεδομένων προς επεξεργασία. Στα απλούστερα συστήματα μικροεπεξεργαστών, η ποσότητα μνήμης RAM είναι δεκάδες και εκατοντάδες byte και στους σύγχρονους προσωπικούς υπολογιστές, διακομιστές και σταθμούς εργασίας φτάνει τα εκατοντάδες MB ή περισσότερα. Δεδομένου ότι η πρόσβαση στη μνήμη RAM μέσω του διαύλου συστήματος απαιτεί σημαντικό χρόνο, οι περισσότεροι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές υψηλής απόδοσης εισάγουν επιπλέον ενδιάμεση μνήμη υψηλής ταχύτητας (cache) περιορισμένος όγκος (από πολλά KB σε εκατοντάδες KB).

Μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM) χρησιμοποιείται για την αποθήκευση σταθερών και τυπικών (αμετάβλητων) προγραμμάτων. Η ROM συνήθως αποθηκεύει προγράμματα για αρχική προετοιμασία (εκκίνηση) συστημάτων, δοκιμή και διαγνωστικά προγράμματακαι άλλο λογισμικό σέρβις που δεν αλλάζει κατά τη λειτουργία των συστημάτων. Τα συστήματα μικροεπεξεργαστών που ελέγχουν ορισμένα αντικείμενα χρησιμοποιώντας σταθερά ή σπάνια αλλαγμένα προγράμματα χρησιμοποιούν επίσης συνήθως ROM (ROM) για την αποθήκευσή τους. Μνήμη ROM– Μνήμη μόνο για ανάγνωση) ή επαναπρογραμματιζόμενη ROM (μνήμη EEPROM – Ηλεκτρικά διαγραμμένη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση ή μνήμη flash).

μεταξύ συσκευές προσώπου (FD) χρησιμεύουν για τη σύνδεση στο δίαυλο άλλων συσκευών που είναι εξωτερικές στο σύστημα. Οι IU εφαρμόζουν ορισμένα παράλληλα ή σειριακά πρωτόκολλα επικοινωνίας. Εξωτερικές συσκευές μπορεί να είναι πληκτρολόγιο, οθόνη, εξωτερικές συσκευές αποθήκευσης (ESD) που χρησιμοποιούν δισκέτες ή σκληρούς μαγνητικούς δίσκους, οπτικούς δίσκους (CD-ROM), μαγνητικές ταινίες και άλλους τύπους μέσων αποθήκευσης, αισθητήρες και μετατροπείς πληροφοριών (αναλογικό σε ψηφιακό ή ψηφιακό σε αναλογικό), διάφοροι ενεργοποιητές (δείκτες, εκτυπωτές, ηλεκτρικοί κινητήρες, ρελέ και άλλοι).

Για την εφαρμογή διαφόρων τρόπων λειτουργίας, μπορούν να συνδεθούν πρόσθετες συσκευές στο σύστημα - ελεγκτές διακοπών, άμεση πρόσβασηστη μνήμη και άλλα που εφαρμόζουν τις απαραίτητες ειδικές λειτουργίες ελέγχου.

Αυτή η δομή αντιστοιχεί στην αρχιτεκτονική Von Neumann που προτάθηκε από αυτόν τον επιστήμονα τη δεκαετία του 1940 για την εφαρμογή των πρώτων μοντέλων ψηφιακών υπολογιστών.

UU – συσκευή ελέγχου

OS - συσκευή λειτουργίας

RZU – καταχώριση συσκευής αποθήκευσης

RAM - μνήμη τυχαίας πρόσβασης

ROM – μνήμη μόνο για ανάγνωση

IU – συσκευή διασύνδεσης

Εικόνα 1.7 – Τυπική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή

Δίαυλος συστήματος περιέχει αρκετές δεκάδες (σε πολύπλοκα συστήματα πάνω από 100) αγωγούς, οι οποίοι, σύμφωνα με τον λειτουργικό τους σκοπό, χωρίζονται σε ξεχωριστούς λεωφορεία:

λεωφορείο διεύθυνσης Α, χρησιμεύει για τη μετάδοση μιας διεύθυνσης που δημιουργείται από τον μικροεπεξεργαστή και σας επιτρέπει να επιλέξετε την απαιτούμενη κυψέλη μνήμης RAM (ROM) ή το απαιτούμενο DI κατά την πρόσβαση σε μια εξωτερική συσκευή.

δίαυλο δεδομένωνρε, χρησιμοποιείται για την ανάκτηση εντολών που προέρχονται από τη RAM ή τη ROM στη μονάδα ελέγχου του μικροεπεξεργαστή και για τη μεταφορά επεξεργασμένων δεδομένων (τελεστών) μεταξύ του μικροεπεξεργαστή και της μνήμης RAM ή της συσκευής (εξωτερική συσκευή).

λεωφορείο ελέγχου Γ, χρησιμεύει για τη μετάδοση μιας ποικιλίας σημάτων ελέγχου που καθορίζουν τους τρόπους λειτουργίας της μνήμης (γραφή ή ανάγνωση), τις συσκευές διασύνδεσης (είσοδος ή έξοδος πληροφοριών) και του μικροεπεξεργαστή (έναρξη λειτουργίας, αιτήματα για εξωτερικές συσκευές για σέρβις, πληροφορίες σχετικά με τρέχουσα λειτουργίαεργασία) και άλλα σήματα.

Αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή

Έννοια μικροεπεξεργαστή

Η εμφάνιση της τεχνολογίας ολοκληρωμένα κυκλώματα - νέο στάδιοστην ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών. Ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης επεξεργαστών που βασίζονται σε τσιπ, το μέγεθος και το σχήμα των ψηφιακών υπολογιστών έχουν μειωθεί σημαντικά.

Ο μικροεπεξεργαστής (MP) είναι λογισμικό ελεγχόμενη συσκευή, το οποίο προορίζεται για επεξεργασία ψηφιακές πληροφορίεςκαι τον έλεγχο της διαδικασίας αυτής της επεξεργασίας και υλοποιείται με τη μορφή ενός ή περισσοτέρων μεγάλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (LSI).

Η έννοια ενός μεγάλου ολοκληρωμένου κυκλώματος δεν είναι επί του παρόντος σαφώς καθορισμένη. Παλαιότερα, πιστευόταν ότι αυτή η κατηγορία θα πρέπει να περιλαμβάνει μικροκυκλώματα που περιέχουν περισσότερα από 1000 στοιχεία σε ένα τσιπ. Πράγματι, οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές ταιριάζουν σε αυτές τις παραμέτρους. Για παράδειγμα, το τμήμα επεξεργαστή 4-bit του κιτ μικροεπεξεργαστή K584, που παρήχθη στα τέλη της δεκαετίας του 1970, περιείχε περίπου 1.500 στοιχεία. Τώρα, όταν οι μικροεπεξεργαστές περιέχουν δεκάδες εκατομμύρια τρανζίστορ και ο αριθμός τους αυξάνεται συνεχώς, με τον όρο LSI εννοούμε ένα λειτουργικά πολύπλοκο ενσωματωμένο κύκλωμα.

Βαθμός ολοκλήρωσης κυκλώματος (στο GOST):

Ολοκληρωμένο κύκλωμα χαμηλής ενσωμάτωσης<10 транзисторов;

Μεσαίο κύκλωμα ολοκλήρωσης< 100 транзисторов;

Μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα (LSI) > 100 τρανζίστορ (~1000 τρανζίστορ)

Ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή (MPS) είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές, η βάση των οποίων είναι ένας μικροεπεξεργαστής.

Ο μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται μεγάλο ποσόπαραμέτρους και ιδιότητες, αφού είναι, αφενός, μια λειτουργικά πολύπλοκη υπολογιστική συσκευή και αφετέρου - ηλεκτρονική συσκευή, προϊόν της βιομηχανίας ηλεκτρονικών.

Τύποι αρχιτεκτονικών μικροεπεξεργαστών

Ως μέσο υπολογιστικής τεχνολογίας, ο μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται κυρίως από τοαρχιτεκτονική, δηλαδή ένα σύνολο ιδιοτήτων λογισμικού και υλικού που παρέχονται στον χρήστη. Αυτό περιλαμβάνει το σύστημα εντολών, τους τύπους και τις μορφές των επεξεργασμένων δεδομένων, τους τρόπους διευθυνσιοδότησης, τον αριθμό και τη διανομή των καταχωρητών, τις αρχές αλληλεπίδρασης με τη μνήμη RAM και εξωτερικές συσκευές(χαρακτηριστικά του συστήματος διακοπής, άμεση πρόσβαση στη μνήμη κ.λπ.).

Με βάση την αρχιτεκτονική τους, οι μικροεπεξεργαστές χωρίζονται σε διάφορους τύπους (Εικ. 3).

Ρύζι. 3. Ταξινόμηση μικροεπεξεργαστών

Καθολικοί μικροεπεξεργαστές

Καθολικοί μικροεπεξεργαστέςσχεδιασμένο για την επίλυση προβλημάτων ψηφιακής επεξεργασίας διάφοροι τύποιπληροφορίες από υπολογισμούς μηχανικής έως εργασία με βάσεις δεδομένων, χωρίς αυστηρούς περιορισμούς για το χρόνο ολοκλήρωσης της εργασίας. Αυτή η κατηγορία μικροεπεξεργαστών είναι η πιο ευρέως γνωστή. Περιλαμβάνει τα εξής διάσημοι μικροεπεξεργαστές, όπως το MP της σειράς Pentium της Intel και το MP της οικογένειας Athlon από την AMD.

Χαρακτηριστικά των καθολικών μικροεπεξεργαστών:

Χωρητικότητα bit: καθορίζεται από τη μέγιστη χωρητικότητα ακεραίων δεδομένων που υποβάλλονται σε επεξεργασία σε 1 κύκλο ρολογιού, δηλαδή, στην πραγματικότητα, τη χωρητικότητα της αριθμητικής-λογικής μονάδας (ALU).

Τύποι και μορφές επεξεργασμένων δεδομένων.

Σύστημα εντολών, τρόποι διευθυνσιοδότησης τελεστών.

Χωρητικότητα απευθείας διευθυνσιοδοτούμενης RAM: καθορίζεται από το πλάτος bit του διαύλου διευθύνσεων.

Συχνότητα εξωτερικού ρολογιού. Για τη συχνότητα συγχρονισμού, συνήθως υποδεικνύεται το μέγιστο πιθανό νόημα, που εγγυάται τη λειτουργικότητα του κυκλώματος. Για λειτουργικό σύνθετα κυκλώματα, που περιλαμβάνουν μικροεπεξεργαστές, μερικές φορές υποδεικνύουν επίσης το ελάχιστο πιθανή συχνότητασυγχρονισμός Η μείωση της συχνότητας κάτω από αυτό το όριο μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, σε εκείνες τις εφαρμογές MP όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση, η μείωση της συχνότητας συγχρονισμού είναι ένας από τους τομείς εξοικονόμησης ενέργειας. Σε αρκετούς σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, όταν η συχνότητα μειώνεται, μεταβαίνει σε «λειτουργία ύπνου», στην οποία διατηρεί την κατάστασή του. Η συχνότητα ρολογιού εντός της ίδιας αρχιτεκτονικής σάς επιτρέπει να συγκρίνετε την απόδοση των μικροεπεξεργαστών. Αλλά διαφορετικά αρχιτεκτονικές λύσειςεπηρεάζουν την απόδοση πολύ περισσότερο από τη συχνότητα.

Απόδοση: προσδιορίζεται με τη χρήση ειδικών δοκιμών και το σύνολο των δοκιμών επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτει, εάν είναι δυνατόν, διάφορα χαρακτηριστικάμικροαρχιτεκτονικές επεξεργαστή που επηρεάζουν την απόδοση.

Οι μικροεπεξεργαστές γενικής χρήσης χωρίζονται συνήθως σε μικροεπεξεργαστές CISC και RISC. Μικροεπεξεργαστές CISC (υπολογισμός ολοκληρωμένου συνόλου εντολών) πλήρες σύστημαομάδες) έχουν στη σύνθεσή τους το σύνολο κλασικό σετοδηγίες με ευρέως ανεπτυγμένους τρόπους διευθυνσιοδότησης τελεστών. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν, για παράδειγμα, οι μικροεπεξεργαστές τύπου Pentium. Ταυτόχρονα, οι μικροεπεξεργαστές RISC (reduced instruction set computing) χρησιμοποιούν, όπως προκύπτει από τον ορισμό, μειωμένο αριθμό εντολών και τρόπων διεύθυνσης. Εδώ, πρώτα από όλα, θα πρέπει να επισημάνουμε μικροεπεξεργαστές όπως ο Alpha 21x64 και ο Power PC. Ο αριθμός των εντολών στο σύνολο εντολών είναι ο πιο προφανής, αλλά σήμερα δεν είναι η πιο σημαντική διαφορά σε αυτές τις κατευθύνσεις ανάπτυξης των καθολικών μικροεπεξεργαστών. Θα εξετάσουμε και άλλες διαφορές καθώς μελετάμε τα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής τους.

Μια απλοποιημένη εσωτερική αρχιτεκτονική ενός τυπικού μικροεπεξεργαστή 8-bit φαίνεται στο Σχήμα 3. Η δομή ενός μικροεπεξεργαστή μπορεί να χωριστεί σε τρία κύρια μέρη:

1) Μητρώαγια προσωρινή αποθήκευση εντολών, δεδομένων και διευθύνσεων·

2) Αριθμητική Λογική Μονάδα (ALU), που υλοποιεί αριθμητικές και λογικές πράξεις.

3) Κύκλωμα ελέγχου και συγχρονισμού- παρέχει ανάκτηση εντολών, οργανώνει τη λειτουργία της ALU, παρέχει πρόσβαση σε όλους τους καταχωρητές του μικροεπεξεργαστή, λαμβάνει και παράγει εξωτερικά σήματα ελέγχου.

Εικόνα 3 - Απλοποιημένη εσωτερική αρχιτεκτονική ενός μικροεπεξεργαστή 8-bit

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, ο επεξεργαστής βασίζεται σε καταχωρητές, οι οποίοι χωρίζονται σε ειδικούς (με συγκεκριμένο σκοπό) και καταχωρητές γενικής χρήσης.

Μετρητής προγράμματος (PC)- έναν καταχωρητή που περιέχει τη διεύθυνση του επόμενου byte εντολής. Ο επεξεργαστής πρέπει να γνωρίζει ποια εντολή θα εκτελεστεί στη συνέχεια.

Μπαταρία– καταχωρητής που χρησιμοποιείται στη συντριπτική πλειοψηφία των εντολών λογικής και αριθμητικής επεξεργασίας. Είναι τόσο η πηγή ενός από τα byte δεδομένων που απαιτεί η λειτουργία ALU όσο και το μέρος όπου τοποθετείται το αποτέλεσμα της λειτουργίας ALU.

Μητρώο χαρακτηριστικών (ή καταχωρητής σημαίας)περιέχει πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική κατάσταση του μικροεπεξεργαστή, ιδίως για το αποτέλεσμα της τελευταίας λειτουργίας ALU. Ο καταχωρητής σημαιών δεν είναι ένας καταχωρητής με τη συνήθη έννοια, αλλά είναι απλώς ένα σύνολο μανδάλων flip-flop (μια σημαία ανυψώνεται ή χαμηλώνεται. Συνήθως υπάρχουν σημαίες μηδέν, υπερχείλισης, αρνητικές και φέρουσες.

Δείκτης στοίβας (SP)- παρακολουθεί τη θέση της στοίβας, δηλαδή περιέχει τη διεύθυνση του κελιού που χρησιμοποιήθηκε τελευταία. Σωρός– μέθοδος οργάνωσης αποθήκευσης δεδομένων.

Μητρώο εντολώνπεριέχει το τρέχον byte εντολής, το οποίο αποκωδικοποιείται από τον αποκωδικοποιητή εντολών.

Οι εξωτερικές γραμμές διαύλου απομονώνονται από τις εσωτερικές γραμμές διαύλου χρησιμοποιώντας buffer και τα κύρια εσωτερικά στοιχεία συνδέονται με έναν εσωτερικό δίαυλο δεδομένων υψηλής ταχύτητας.

Για να βελτιωθεί η απόδοση ενός συστήματος πολλαπλών επεξεργαστών, οι λειτουργίες της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας μπορούν να κατανεμηθούν μεταξύ πολλών επεξεργαστών. Για να βοηθηθεί ο κεντρικός επεξεργαστής, εισάγεται συχνά ο υπολογιστής συνεπεξεργαστέςπροσανατολισμένη στην αποτελεσματική εκτέλεση οποιωνδήποτε συγκεκριμένων λειτουργιών. Διαδεδομένη μαθηματικά και γραφικά, συνεπεξεργαστές I/O, απαλλάσσοντας τον κεντρικό επεξεργαστή από απλές αλλά πολυάριθμες λειτουργίες αλληλεπίδρασης με εξωτερικές συσκευές.

Στην παρούσα φάση, η κύρια κατεύθυνση αύξησης της παραγωγικότητας είναι η ανάπτυξη επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων , δηλ. συνδυάζοντας δύο ή περισσότερους επεξεργαστές σε ένα πακέτο προκειμένου να εκτελούνται πολλές λειτουργίες παράλληλα (ταυτόχρονα).

Οι κορυφαίες εταιρείες στην ανάπτυξη και κατασκευή επεξεργαστών είναι η Intel και η AMD.

18. Προοπτικές ανάπτυξης συστημάτων μικροεπεξεργαστών.

μικροεπεξεργαστής - κεντρική συσκευή(ή σύμπλεγμα συσκευών) υπολογιστή (ή υπολογιστικό σύστημα) που εκτελεί αριθμητική και λογικές πράξεις, που ορίζονται από το πρόγραμμαμετασχηματίζει πληροφορίες, ελέγχει την υπολογιστική διαδικασία και συντονίζει τη λειτουργία των συσκευών του συστήματος (αποθήκευση, ταξινόμηση, είσοδος-έξοδος, προετοιμασία δεδομένων κ.λπ.).

Τελευταία τεχνολογίαΗ ανάπτυξη της τεχνολογίας των μικροεπεξεργαστών έχει φτάσει σε τέτοιο επίπεδο που μέσα σε 5 χρόνια υπάρχει αλλαγή δύο ή τριών γενεών μικροεπεξεργαστών. Σύμφωνα με τους αναλυτές, μέχρι το 2012 ο αριθμός των τρανζίστορ σε έναν μικροεπεξεργαστή θα φτάσει το 1 δισεκατομμύριο, η συχνότητα ρολογιού θα αυξηθεί στα 10 GHz και η απόδοση θα φτάσει τα 100 δισεκατομμύρια ops.

Επομένως, κατά την επιλογή μιας πλατφόρμας υλικού και λογισμικού, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι τάσεις ανάπτυξης που επιτρέπουν την ελαχιστοποίηση του κόστους αναβάθμισης και υποστήριξης του τρέχοντος λογισμικού.

Η αρχιτεκτονική των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών από διαφορετικές κατασκευαστικές εταιρείες έχει πολλά κοινά. Σε προηγούμενες γενιές μικροεπεξεργαστών, με περιορισμένο αριθμό πόρων υλικού, κάθε προγραμματιστής μικροεπεξεργαστή επέλεξε έναν αριθμό αρχιτεκτονικών και δομικών τεχνικών για να αυξήσει την απόδοση, λόγω της κυρίαρχης ανάπτυξης των οποίων αυτός ο μικροεπεξεργαστής θα έπρεπε να είναι ανώτερος από άλλους. ΣΕ σύγχρονες συνθήκες μεγάλος αριθμόςτρανζίστορ σε ένα τσιπ καθιστά δυνατή την εφαρμογή όλων των γνωστών τεχνικών για την αύξηση της απόδοσης σε έναν μικροεπεξεργαστή, με την επιφύλαξη μόνο της συμβατότητάς τους.

Εξέταση συγκεκριμένων οικογενειών μικροεπεξεργαστών διαφορετικών κατασκευαστώνεπιβεβαιώνει γενικές τάσειςανάπτυξή τους: αυξανόμενη συχνότητα ρολογιού, αύξηση όγκου και εύρος ζώνηςυποσυστήματα μνήμης, αυξάνοντας τον αριθμό των ενεργοποιητών παράλληλης λειτουργίας.

Σχόλιο: Σκοπός της διάλεξης: γνωριμία με την αρχιτεκτονική των μικροεπεξεργαστών, χαρακτηριστικά γνωρίσματαμικροεπεξεργαστές διαφόρων τύπων αρχιτεκτονικής, στάδια ανάπτυξης της αρχιτεκτονικής των καθολικών μικροεπεξεργαστών, καθώς και τα κύρια χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής IA-32.

Βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή

ΜικροεπεξεργαστήςΤο (MP) είναι μια συσκευή ελεγχόμενη από λογισμικό που έχει σχεδιαστεί για επεξεργασία ψηφιακές πληροφορίεςκαι έλεγχος της διαδικασίας αυτής της επεξεργασίας και γίνεται με τη μορφή ενός ή πολλών μεγάλων ολοκληρωμένα κυκλώματα(BIS).

Εννοια μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμαεπί του παρόντος δεν ορίζεται σαφώς. Παλαιότερα, πιστευόταν ότι αυτή η κατηγορία θα πρέπει να περιλαμβάνει μικροκυκλώματα που περιέχουν περισσότερα από 1000 στοιχεία σε ένα τσιπ. Πράγματι, οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές ταιριάζουν σε αυτές τις παραμέτρους. Για παράδειγμα, το τμήμα επεξεργαστή 4-bit του κιτ μικροεπεξεργαστή K584, που παρήχθη στα τέλη της δεκαετίας του 1970, περιείχε περίπου 1.500 στοιχεία. Τώρα, όταν οι μικροεπεξεργαστές περιέχουν δεκάδες εκατομμύρια τρανζίστορ και ο αριθμός τους αυξάνεται συνεχώς, με τον όρο LSI εννοούμε ένα λειτουργικά πολύπλοκο ενσωματωμένο κύκλωμα.

Σύστημα μικροεπεξεργαστή(MPS) είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές, η βάση των οποίων είναι ένας μικροεπεξεργαστής.

Ένας μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων και ιδιοτήτων, αφού είναι, αφενός, μια λειτουργικά πολύπλοκη υπολογιστική συσκευή, και από την άλλη, μια ηλεκτρονική συσκευή, προϊόν της βιομηχανίας ηλεκτρονικών. Ως μέσο τεχνολογίας υπολογιστών, χαρακτηρίζεται πρωτίστως από το αρχιτεκτονική, δηλαδή ένα σύνολο ιδιοτήτων λογισμικού και υλικού που παρέχονται στον χρήστη. Αυτό περιλαμβάνει το σύστημα εντολών, τους τύπους και τις μορφές των επεξεργασμένων δεδομένων, τους τρόπους διευθυνσιοδότησης, τον αριθμό και την κατανομή των καταχωρητών, τις αρχές αλληλεπίδρασης με τη μνήμη RAM και τις εξωτερικές συσκευές (χαρακτηριστικά του συστήματος διακοπής, άμεση πρόσβαση στη μνήμη, κ.λπ.). Σύμφωνα με την αρχιτεκτονική τους, οι μικροεπεξεργαστές χωρίζονται σε διάφορους τύπους (Εικ. 1.1).

Καθολικοί μικροεπεξεργαστέςέχουν σχεδιαστεί για την επίλυση προβλημάτων ψηφιακής επεξεργασίας διαφόρων τύπων πληροφοριών, από υπολογισμούς μηχανικής έως εργασία με βάσεις δεδομένων, χωρίς αυστηρούς περιορισμούς ως προς το χρόνο ολοκλήρωσης της εργασίας. Αυτή η κατηγορία μικροεπεξεργαστών είναι η πιο ευρέως γνωστή. Περιλαμβάνει γνωστούς μικροεπεξεργαστές όπως ο MP της σειράς Pentium της Intel και ο MP της οικογένειας Athlon από την AMD.

Ρύζι. 1.1.

Χαρακτηριστικά των καθολικών μικροεπεξεργαστών:

• βάθος bit: καθορίζεται από τη μέγιστη χωρητικότητα bit των ακέραιων δεδομένων που υποβάλλονται σε επεξεργασία σε 1 κύκλο ρολογιού, δηλαδή, στην πραγματικότητα, τη χωρητικότητα bit αριθμιτική μονάδα λογικής(ALU);
• τύπους και μορφές επεξεργασμένων δεδομένων·
• σύστημα εντολών, τρόποι διευθυνσιοδότησης τελεστών.
• Χωρητικότητα απευθείας διευθυνσιοδοτούμενης RAM: καθορίζεται από το πλάτος bit του διαύλου διευθύνσεων.
• συχνότητα εξωτερικού ρολογιού. Για τη συχνότητα συγχρονισμού, συνήθως υποδεικνύεται η μέγιστη δυνατή τιμή της, στην οποία είναι εγγυημένη η λειτουργία του κυκλώματος. Για λειτουργικά πολύπλοκα κυκλώματα, που περιλαμβάνουν μικροεπεξεργαστές, μερικές φορές υποδεικνύεται επίσης η ελάχιστη δυνατή συχνότητα συγχρονισμού. Η μείωση της συχνότητας κάτω από αυτό το όριο μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, σε εκείνες τις εφαρμογές MP όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση, η μείωση της συχνότητας συγχρονισμού είναι ένας από τους τομείς εξοικονόμησης ενέργειας. Σε αρκετούς σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, καθώς η συχνότητα μειώνεται, μετατρέπεται σε< спящий режим >, στην οποία διατηρεί την κατάστασή του. Η συχνότητα ρολογιού εντός της ίδιας αρχιτεκτονικής σάς επιτρέπει να συγκρίνετε την απόδοση των μικροεπεξεργαστών. Αλλά διαφορετικές αρχιτεκτονικές αποφάσεις επηρεάζουν την απόδοση πολύ περισσότερο από τη συχνότητα.
• απόδοση: καθορίζεται με τη χρήση ειδικών δοκιμών και το σύνολο των δοκιμών επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτει, εάν είναι δυνατόν, διάφορα χαρακτηριστικά της μικροαρχιτεκτονικής του επεξεργαστή που επηρεάζουν την απόδοση.

Οι γενικοί μικροεπεξεργαστές συνήθως χωρίζονται σε CISC- Και Μικροεπεξεργαστές RISC. Μικροεπεξεργαστές CISC(Completed Instruction Set Computing - υπολογισμοί με πλήρες σύστημα εντολών) ενσωματώνουν ολόκληρο το κλασικό σύνολο εντολών με ευρέως ανεπτυγμένους τρόπους διευθυνσιοδότησης τελεστών. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν, για παράδειγμα, οι μικροεπεξεργαστές τύπου Pentium. Ταυτοχρονα Μικροεπεξεργαστές RISC(υπολογισμός μειωμένου συνόλου εντολών - υπολογισμοί με μειωμένο σύστημα εντολών) χρησιμοποιούν, όπως προκύπτει από τον ορισμό, μειωμένο αριθμό εντολών και τρόπους διευθυνσιοδότησης. Εδώ, πρώτα από όλα, θα πρέπει να επισημάνουμε μικροεπεξεργαστές όπως Alpha 21x64, Power PC. Ο αριθμός των εντολών στο σύνολο εντολών είναι ο πιο προφανής, αλλά σήμερα δεν είναι η πιο σημαντική διαφορά σε αυτές τις κατευθύνσεις ανάπτυξης των καθολικών μικροεπεξεργαστών. Θα εξετάσουμε και άλλες διαφορές καθώς μελετάμε τα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής τους.

Μικροελεγκτές ενός τσιπ(OMK ή απλά MK) προορίζονται για χρήση σε βιομηχανικά και οικιακά συστήματα αυτοματισμού. Είναι μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιλαμβάνουν όλες τις απαραίτητες συσκευές για την υλοποίηση ενός ελάχιστα διαμορφωμένου ψηφιακού συστήματος ελέγχου: επεξεργαστή (συνήθως ακέραιος), μνήμη εντολών, μνήμη δεδομένων, γεννήτρια ρολογιού, προγραμματιζόμενες συσκευές για επικοινωνία με εξωτερικό περιβάλλον ( ελεγκτής διακοπής, χρονόμετρα-μετρητές, διάφορες θύρες εισόδου/εξόδου), μερικές φορές μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό κ.λπ. Σε ορισμένες πηγές, αυτή η κατηγορία μικροεπεξεργαστών ονομάζεται μικροϋπολογιστές με ένα τσιπ (SMC).

Επί του παρόντος, τα δύο τρίτα όλων των LSI μικροεπεξεργαστών που παράγονται στον κόσμο είναι MP αυτής της κατηγορίας και σχεδόν τα δύο τρίτα από αυτά έχουν χωρητικότητα bit που δεν υπερβαίνει τα 16 bit. Στην κατηγορία του single-chip μικροελεγκτέςΠρώτα απ 'όλα, αυτοί περιλαμβάνουν μικροεπεξεργαστές της σειράς MCS-51 από την Intel και παρόμοιους μικροεπεξεργαστές από άλλους κατασκευαστές, η αρχιτεκτονική των οποίων έχει γίνει de facto πρότυπο.

Χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής των μικροελεγκτών ενός τσιπ:

• σωματική και λογικός διαχωρισμόςμνήμη εντολών και μνήμη δεδομένων (αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ), ενώ στην κλασική αρχιτεκτονική Neumann, τα προγράμματα και τα δεδομένα μοιράζονται συσκευή αποθήκευσηςκαι έχουν τον ίδιο μηχανισμό πρόσβασης?
• απλουστευμένο και προσανατολισμένο στην εργασία σύστημα εντολών: στο MK, κατά κανόνα, δεν υπάρχουν μέσα επεξεργασίας δεδομένων κινητής υποδιαστολής, αλλά ταυτόχρονα, το σύστημα εντολών περιλαμβάνει εντολές που εστιάζονται σε αποτελεσματική εργασίαμε αισθητήρες και ενεργοποιητές, για παράδειγμα, εντολές για την επεξεργασία πληροφοριών bit.
• τους απλούστερους τρόπους διευθυνσιοδότησης τελεστών.

Κύρια χαρακτηριστικά των μικροελεγκτών(για παράδειγμα, παρουσιάζονται αριθμητικές τιμές για το MK-51):

1. Μέγεθος bit (8 bit).
2. Χωρητικότητα εσωτερικής μνήμης εντολών και μνήμης δεδομένων, δυνατότητες και όρια επέκτασής τους:
   • εσωτερική μνήμη εντολών - 4 KB (κατά μέσο όρο, μια εντολή έχει μήκος 2 byte, επομένως ένα πρόγραμμα με μήκος περίπου 2000 εντολών μπορεί να αποθηκευτεί στην εσωτερική μνήμη). επεκτάσιμη με σύνδεση εξωτερικής μνήμης έως 64 KB.
   • Μνήμη δεδομένων στο chip 128 byte (μπορεί να συνδεθεί εξωτερική μνήμησυνολική χωρητικότητα έως 64 KB).
3. Συχνότητα ρολογιού:
   • εξωτερική συχνότητα 12 MHz;
   • Συχνότητα κύκλου μηχανής 1 MHz.
4. Δυνατότητες αλληλεπίδρασης με εξωτερικές συσκευές: ποσότητα και σκοπός Θύρες I/O, χαρακτηριστικά του συστήματος διακοπής, υποστήριξη λογισμικού για αλληλεπίδραση με εξωτερικές συσκευές.

Διαθεσιμότητα και χαρακτηριστικά ενσωματωμένου μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) και μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό(DAC) για την απλοποίηση του συντονισμού με αισθητήρες και ενεργοποιητές του συστήματος ελέγχου.

Διαμερισμένοι μικροεπεξεργαστές(άλλες ονομασίες: μικροπρογραμματιζόμενοι και bit-modular) είναι μικροεπεξεργαστές που έχουν σχεδιαστεί για την κατασκευή εξειδικευμένων επεξεργαστών. Είναι τμήματα μικροεπεξεργαστή σχετικά μικρής χωρητικότητας (από 2 έως 16) με πρόσβαση χρήστη στο επίπεδο ελέγχου μικροπρογράμματος και μέσα για το συνδυασμό πολλών τμημάτων.

Αυτή η οργάνωση σάς επιτρέπει να σχεδιάσετε έναν επεξεργαστή της απαιτούμενης χωρητικότητας και με ένα εξειδικευμένο σύστημα οδηγιών. Λόγω της χαμηλής χωρητικότητας bit, τα τμήματα μικροεπεξεργαστή μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τεχνολογίες υψηλής ταχύτητας. Ο συνδυασμός όλων αυτών των παραγόντων καθιστά δυνατή τη δημιουργία ενός επεξεργαστή ο καλύτερος τρόποςφιλοπροσανατολισμένος αυτή η τάξηαλγόριθμους τόσο από την άποψη των συστημάτων εντολών και των τρόπων διεύθυνσης όσο και σε μορφές δεδομένων.

Ένα από τα πρώτα σύνολα διαμερισμένων μικροεπεξεργαστών ήταν MP LSI της οικογένειας Intel 3000 στη χώρα μας, ως μέρος των σειρών K589 και 585. Στοιχεία επεξεργασίαςΑυτή η σειρά ήταν ένας μικροεπεξεργαστής δύο bit. Το πιο κοινό σύνολο μικροεπεξεργαστών με διαμερισμό είναι ο Am2900, ο οποίος βασίζεται σε τμήματα 4 bit. Στη χώρα μας, ένα ανάλογο αυτού του κιτ κατασκευάστηκε ως μέρος της σειράς K1804. Το κιτ περιελάμβανε τα ακόλουθα BIS:

• bit τομή ALU?
• μπλοκ επιταχυνόμενης μεταφοράς.
• bit τομή ALU με υποστήριξη υλικού για πολλαπλασιασμό.
• τύπος κυκλωμάτων ελέγχου μικροπρογραμμάτων.
• ελεγκτής κατάστασης και αλλαγής ταχυτήτων.
• ελεγκτής διακοπής προτεραιότητας.

Το κύριο μειονέκτημα των συστημάτων μικροεπεξεργαστών που βασίζονται σε τμηματοποιημένα LSI μικροεπεξεργαστών είναι η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού, του εντοπισμού σφαλμάτων και του προγραμματισμού συστημάτων που βασίζονται σε αυτά. Η χρήση ενός εξειδικευμένου συστήματος εντολών οδήγησε σε ασυμβατότητα του λογισμικού που αναπτύσσεται για διάφορους μικροεπεξεργαστές. Η δυνατότητα δημιουργίας ενός εξειδικευμένου επεξεργαστή που είναι βέλτιστος από πολλές απόψεις απαιτούσε την εργασία ειδικευμένων προγραμματιστών για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, η ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών τεχνολογιών οδήγησε στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού ενός εξειδικευμένου επεξεργαστή, αναπτύχθηκε ένας γενικός μικροεπεξεργαστής, οι δυνατότητες του οποίου κάλυπταν το υποθετικό κέρδος από το σχεδιασμό μιας εξειδικευμένης συσκευής. Αυτό οδήγησε στο γεγονός ότι επί του παρόντος αυτή η κατηγορία LSI μικροεπεξεργαστών πρακτικά δεν χρησιμοποιείται.

Επεξεργαστές Ψηφιακού Σήματος, ή ψηφιακό επεξεργαστές σήματος , είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη κατηγορία μικροεπεξεργαστών που έχουν σχεδιαστεί για την επίλυση ψηφιακών προβλημάτων. επεξεργασία σήματος- επεξεργασία ηχητικά σήματα, εικόνες, αναγνώριση μοτίβων κ.λπ. Περιλαμβάνουν πολλές δυνατότητες μικροελεγκτών ενός τσιπ: αρχιτεκτονική Harvard, ενσωματωμένη μνήμη εντολών και δεδομένων, προηγμένες δυνατότητες για εργασία με εξωτερικές συσκευές. Ταυτόχρονα, περιέχουν χαρακτηριστικά καθολικών MPs, ειδικά με αρχιτεκτονική RISC: οργάνωση εργασίας, λογισμικό και υλικό για την εκτέλεση εργασιών με κινητής υποδιαστολής,Υποστήριξη υλικού για σύνθετους εξειδικευμένους υπολογισμούς, ιδιαίτερα πολλαπλασιασμό.

Ως ηλεκτρονικό προϊόνΟ μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται από μια σειρά παραμέτρων, οι σημαντικότερες από τις οποίες είναι οι ακόλουθες:

1. Απαιτήσεις συγχρονισμού: μέγιστη συχνότητα, σταθερότητα.
2. Αριθμός και ονομασίες τροφοδοτικών, απαιτήσεις για τη σταθερότητά τους. Επί του παρόντος, υπάρχει μια τάση μείωσης της τάσης τροφοδοσίας, η οποία μειώνει τη διάχυση θερμότητας του κυκλώματος και οδηγεί σε αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του. Αν οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές λειτουργούσαν με τάση τροφοδοσίας +-15V, τώρα ξεχωριστά κυκλώματαχρησιμοποιήστε πηγές μικρότερες από 1 V.
3. Διαρροή ισχύος- αυτή είναι η απώλεια ισχύος στο στάδιο εξόδου του κυκλώματος, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα και θερμαίνει τα τρανζίστορ εξόδου. Με άλλα λόγια, χαρακτηρίζει τον ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας του LSI, ο οποίος καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις σχεδιασμού σύστημα μικροεπεξεργαστή. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για το ενσωματωμένο MPS.
4. Επίπεδα σήματος λογικού μηδενικού και λογικού ενός, τα οποία σχετίζονται με τις ονομασίες των τροφοδοτικών.
5. Τύπος θήκης - σας επιτρέπει να αξιολογήσετε την καταλληλότητα του κυκλώματος για λειτουργία σε ορισμένες συνθήκες, καθώς και τη δυνατότητα χρήσης ενός νέου LSI ως αντικατάστασης του υπάρχοντος στην πλακέτα.
6. Θερμοκρασία περιβάλλον, στο οποίο μπορεί να λειτουργήσει το κύκλωμα. Υπάρχουν δύο σειρές εδώ:
   • εμπορικό (0 0 C ... +70 0 C);
   • παρατεταμένη (-40 0 C ... +85 0 C).
7. Ανοσία θορύβου- καθορίζει την ικανότητα του κυκλώματος να εκτελεί τις λειτουργίες του παρουσία παρεμβολών. Η ατρωσία θορύβου αξιολογείται από την ένταση της παρεμβολής στην οποία η διαταραχή των λειτουργιών της συσκευής δεν υπερβαίνει ακόμη τα επιτρεπόμενα όρια. Πως ισχυρότερη παρέμβαση, στο οποίο η συσκευή παραμένει σε λειτουργία, τόσο υψηλότερη είναι η θορύβου της.
8. Ικανότητα φόρτωσης, ή ο συντελεστής διακλάδωσης εξόδου, καθορίζεται από τον αριθμό των κυκλωμάτων της ίδιας σειράς, οι είσοδοι των οποίων μπορούν να συνδεθούν στην έξοδο ενός δεδομένου κυκλώματος χωρίς να διαταραχθεί η λειτουργία του. Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα φορτίου, τόσο ευρύτερο λογικές δυνατότητεςκυκλώματα και όσο λιγότερα τέτοια μικροκυκλώματα χρειάζονται για την κατασκευή μιας πολύπλοκης υπολογιστικής συσκευής. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται αυτός ο συντελεστής, η θόρυβος και η απόδοση χειροτερεύουν.
9. Αξιοπιστία- αυτή είναι η ικανότητα ενός κυκλώματος να διατηρεί το επίπεδο ποιότητας απόδοσης του όταν καθιερωμένες συνθήκεςγια καθορισμένο χρονικό διάστημα. Συνήθως χαρακτηρίζεται ποσοστό αποτυχίας(ώρα-1) ή μέσος χρόνος μεταξύ αστοχιών (ώρα). Επί του παρόντος, αυτή η παράμετρος για μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα δεν καθορίζεται συνήθως από τον κατασκευαστή. Η αξιοπιστία του MP LSI μπορεί να κριθεί με έμμεσους δείκτες, για παράδειγμα, από την αξιοπιστία του προϊόντος στο σύνολό του που αναφέρεται από τους προγραμματιστές τεχνολογίας υπολογιστών.
10. Χαρακτηριστικά της διαδικασίας. Ο κύριος δείκτης εδώ είναι η επίλυση της διαδικασίας. Επί του παρόντος είναι 32 nm, δηλαδή περίπου 30 χιλιάδες γραμμές ανά 1 mm. Μια πιο προηγμένη τεχνολογική διαδικασία καθιστά δυνατή τη δημιουργία μικροεπεξεργαστή με μεγαλύτερη λειτουργικότητα.

Ρύζι. 1.2.

Το κόστος κατασκευής συσκευών που χρησιμοποιούν μικροεπεξεργαστές LSIs παρουσιάζονται στο Σχήμα. 1.2. Εδώ:

1. κόστος κατασκευής LSI (όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός ενσωμάτωσης των στοιχείων στο τσιπ, τόσο πιο ακριβή είναι η παραγωγή του κυκλώματος).
2. κόστος συναρμολόγησης και εγκατάστασης σύστημα μικροεπεξεργαστή(με αύξηση της λειτουργικότητας του MPS, θα απαιτηθούν λιγότερα κυκλώματα για τη δημιουργία του MPS).
3. συνολικό κόστος σύστημα μικροεπεξεργαστή, το οποίο αποτελείται από τα έξοδα (1) και (2). Έχει μερικά βέλτιστη τιμήΓια αυτό το επίπεδοΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ;
4. μετάβαση σε μια νέα τεχνολογία (ένας διαφορετικός αριθμός στοιχείων στο τσιπ θα είναι ο βέλτιστος και το συνολικό κόστος του προϊόντος μειώνεται).

Το 1965, ο Gordon Moore διατύπωσε την υπόθεση που τώρα είναι γνωστή ως<закон Мура>, σύμφωνα με την οποία κάθε 1,5-2 χρόνια ο αριθμός των τρανζίστορ ανά ένα ενσωματωμένο κύκλωμαθα διπλασιαστεί. Αυτό εξασφαλίζεται με συνεχή βελτίωση τεχνολογικές διαδικασίεςπαραγωγή μικροτσίπ.

Η πιο προηγμένη τεχνολογικά εταιρεία, η Intel, διακρίνει έξι στάδια στον κύκλο ζωής των τεχνολογιών ημιαγωγών που δημιουργούνται και χρησιμοποιούνται στην εταιρεία.

Το πιο πρώιμο στάδιο λαμβάνει χώρα εκτός της Intel - σε πανεπιστημιακά εργαστήρια και ανεξάρτητα ερευνητικά κέντρα, όπου η αναζήτηση νέων φυσικές αρχέςκαι μεθόδους που μπορούν να αποτελέσουν τη βάση του επιστημονικού και τεχνολογικού αποθέματος για τα επόμενα χρόνια. Η εταιρεία χρηματοδοτεί αυτήν την έρευνα.

Στο δεύτερο στάδιο, οι ερευνητές της Intel επιλέγουν τους περισσότερους υποσχόμενες κατευθύνσειςανάπτυξη νέων τεχνολογιών. Σε αυτή την περίπτωση, συνήθως εξετάζονται 2-3 επιλογές λύσης.

Το κύριο καθήκον του τρίτου σταδίου είναι η πλήρης πρόχειρη ανάπτυξη νέα τεχνολογίακαι αποδεικνύοντας τη σκοπιμότητά του.

Μετά από αυτό, ξεκινά το τέταρτο στάδιο, ο κύριος στόχος του οποίου είναι η εξασφάλιση της επίτευξης ορίσετε τιμέςβασικοί τεχνικοί και οικονομικοί δείκτες όπως η απόδοση του προϊόντος, η αξιοπιστία, το κόστος και κάποιοι άλλοι. Η ολοκλήρωση του σταδίου επιβεβαιώνεται από την κυκλοφορία της πρώτης βιομηχανικής παρτίδας νέων προϊόντων.

Το πέμπτο στάδιο είναι η βιομηχανική ανάπτυξη της νέας τεχνολογίας. Αυτό το πρόβλημα δεν είναι λιγότερο περίπλοκο από την ανάπτυξη της ίδιας της τεχνολογίας, καθώς είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί με ακρίβεια σε πραγματικές συνθήκες παραγωγής αυτό που ελήφθη στο εργαστήριο. Τυπικά, εδώ συμβαίνουν καθυστερήσεις με το χρονοδιάγραμμα κυκλοφορίας νέων προϊόντων, με την επίτευξη των προγραμματισμένων όγκων προμήθειας και του κόστους παραγωγής.

Το τελευταίο, έκτο στάδιο κύκλος ζωήςτεχνολογία (πριν εγκαταλείψει τη χρήση της) - ωριμότητα. Η ώριμη τεχνολογία, που υφίσταται ορισμένες βελτιώσεις για την αύξηση της παραγωγικότητας του εξοπλισμού και τη μείωση του κόστους παραγωγής, εξασφαλίζει τους κύριους όγκους παραγωγής. Καθώς εισάγονται νέες, πιο προηγμένες τεχνολογίες<старые>εκκαθαρίζονται παραγωγές.

Αλλά όχι αμέσως: πρώτα μεταφέρονται στην παραγωγή μικροκυκλωμάτων με χαμηλότερη ταχύτητα ή με λιγότερα τρανζίστορ, για παράδειγμα, περιφερειακά LSI.