لقد قطعت الإنسانية شوطا طويلا نحو إنشاء أجهزة الكمبيوتر ، والتي بدونها يستحيل تخيل المجتمع الحديث بكل جوانب حياته في مجالات الصناعة والاقتصاد الوطني والأجهزة المنزلية. ولكن حتى اليوم ، فإن التقدم لا يزال قائما ، مما يفتح أشكالا جديدة من الحوسبة. في مركز التطور التكنولوجي لعدة عقود الآن يوجد هيكل المعالج الدقيق (MP) ، الذي يتم تحسينه في معاييره الوظيفية والتصميمية.
مفهوم المعالج الدقيق
بشكل عام ، يتم تقديم مفهوم المعالج الدقيق كجهاز أو نظام يتم التحكم فيه بواسطة برنامج يعتمد على دائرة متكاملة كبيرة (LSI). بمساعدة MP ، يتم تنفيذ عمليات معالجة البيانات أو إدارة الأنظمة التي تعالج المعلومات. في المراحل الأولىاستند تطوير MP إلى دوائر دقيقة منفصلة منخفضة الوظائف ، حيث كانت الترانزستورات موجودة بكميات من بضع إلى مئات. يمكن أن يحتوي أبسط هيكل معالج دقيق نموذجي على مجموعة من الدوائر الدقيقة ذات المعلمات الكهربائية والهيكلية والكهربائية المشتركة. تسمى هذه الأنظمة مجموعة المعالجات الدقيقة. إلى جانب MP ، يمكن أن يتكون نظام واحد أيضًا من أجهزة ذاكرة وصول دائمة وعشوائية ، بالإضافة إلى وحدات تحكم وواجهات لتوصيل المعدات الخارجية - مرة أخرى ، من خلال اتصالات متوافقة. نتيجة لتطوير مفهوم وحدات التحكم الدقيقة ، تم استكمال مجموعة المعالجات الدقيقة بأجهزة خدمة أكثر تعقيدًا ، وسجلات ، وسائقي الحافلات ، وأجهزة ضبط الوقت ، وما إلى ذلك.
اليوم ، أصبح المعالج الدقيق أقل وأقل اعتبارًا كجهاز منفصل في سياق التطبيقات العملية. يتم توجيه الهيكل الوظيفي ومبدأ تشغيل المعالج الدقيق بالفعل في مراحل التصميم من خلال الاستخدام كجزء من جهاز كمبيوتر مصمم لأداء عدد من المهام المتعلقة بمعالجة المعلومات وإدارتها. الرابط الرئيسي في عمليات تنظيم تشغيل جهاز المعالجات الدقيقة هو وحدة التحكم ، التي تحافظ على تكوين التحكم وأنماط التفاعل بين جوهر حوسبة النظام والمعدات الخارجية. يمكن اعتبار المعالج المتكامل بمثابة رابط وسيط بين وحدة التحكم والمعالج الدقيق. تركز وظائفه على حل المهام الإضافية التي لا تتعلق بشكل مباشر بالغرض من MT الرئيسي.على وجه الخصوص ، يمكن أن تكون هذه وظائف الشبكة والاتصال التي تضمن تشغيل جهاز المعالج الدقيق.
تصنيفات المعالجات الدقيقة
حتى في أبسط التكوينات ، يمتلك أعضاء البرلمان العديد من المعلمات الفنية والتشغيلية التي يمكن استخدامها لتعيين ميزات التصنيف. لتبرير المستويات الرئيسية للتصنيف ، عادة ما يتم تمييز ثلاثة أنظمة وظيفية - التشغيل والواجهة والتحكم. يوفر كل جزء من أجزاء العمل أيضًا عددًا من المعلمات والميزات المميزة التي تحدد طبيعة تشغيل الجهاز.
من وجهة نظر الهيكل النموذجي للمعالجات الدقيقة ، سوف يقسم التصنيف الأجهزة في المقام الأول إلى نماذج متعددة الشرائح وذات شريحة واحدة. تتميز الأولى بحقيقة أن وحدات العمل الخاصة بهم يمكن أن تعمل دون اتصال بالإنترنت وتنفيذ أوامر محددة مسبقًا. وفي هذا المثال ، سيتم نطق أعضاء البرلمان ، حيث يتم التركيز على الوظيفة التشغيلية. تركز هذه المعالجات على معالجة البيانات. في نفس المجموعة ، على سبيل المثال ، يمكن أن تكون المعالجات الدقيقة ثلاثية الشرائح هي التحكم والواجهة. هذا لا يعني أنه ليس لديهم وظيفة تشغيلية ، ولكن لأغراض التحسين ، يتم تخصيص معظم موارد الاتصال والطاقة لمهام إنشاء التعليمات الدقيقة أو القدرة على التفاعل مع الأنظمة الطرفية.
بالنسبة إلى MP أحادية الشريحة ، تم تطويرها بمجموعة ثابتة من التعليمات ووضع مضغوط لجميع الأجهزةعلى نواة واحدة. فيما يتعلق بالوظائف ، فإن هيكل المعالج الدقيق أحادي الرقاقة محدود للغاية ، على الرغم من أنه أكثر موثوقية من تكوينات المقطع للنظائر متعددة الرقائق.
تصنيف مهم آخر يشير إلى تصميم واجهة المعالجات الدقيقة. نحن نتحدث عن طرق معالجة إشارات الإدخال ، والتي لا تزال تنقسم اليوم إلى رقمية وتناظرية. على الرغم من أن المعالجات نفسها هي أجهزة رقمية ، إلا أن استخدام التدفقات التناظرية في بعض الحالات يبرر نفسه من حيث السعر والموثوقية. ومع ذلك ، للتحويل ، يجب استخدام محولات خاصة ، والتي تساهم في حمل الطاقة والامتلاء الهيكلي لمنصة العمل. يقوم نواب البرلمان التناظري (عادةً بشريحة واحدة) بأداء مهام الأنظمة التناظرية القياسية - على سبيل المثال ، يقومون بإنتاج التعديل وتوليد التذبذبات وترميز الإشارة وفك تشفيرها.
وفقًا لمبدأ التنظيم المؤقت لعمل النائب ، يتم تقسيمهم إلى متزامن وغير متزامن. يكمن الاختلاف في طبيعة الإشارة لبدء عملية جديدة. على سبيل المثال ، في حالة وجود جهاز متزامن ، يتم إعطاء هذه الأوامر من خلال وحدات التحكم ، بغض النظر عن تنفيذ العمليات الحالية. في حالة النواب غير المتزامنين ، يمكن إعطاء إشارة مماثلة تلقائيًا عند الانتهاء من العملية السابقة. للقيام بذلك ، يتم توفير دائرة إلكترونية في الهيكل المنطقي للمعالج الدقيق من النوع غير المتزامن ، والذي يضمن تشغيل المكونات الفردية في وضع غير متصل بالشبكة ، إذا لزم الأمر. يرجع تعقيد تنفيذ هذه الطريقة في تنظيم عمل النائب إلى حقيقة أندائمًا في لحظة إتمام إحدى العمليات ، توجد موارد معينة كافية لبدء العملية التالية. تُستخدم ذاكرة المعالج عادةً كارتباط تحديد الأولويات في اختيار العمليات اللاحقة.
المعالجات الدقيقة للأغراض العامة والخاصة
النطاق الرئيسي للأغراض العامة MP هو محطات العمل وأجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم والأجهزة الإلكترونية المخصصة للاستخدام الجماعي. تركز بنيتهم التحتية الوظيفية على أداء مجموعة واسعة من المهام المتعلقة بمعالجة المعلومات. يتم تطوير هذه الأجهزة بواسطة SPARC و Intel و Motorola و IBM وغيرها.
المعالجات الدقيقة المتخصصة ، التي تعتمد خصائصها وهيكلها على وحدات تحكم قوية ، تنفذ إجراءات معقدة لمعالجة الإشارات الرقمية والتناظرية وتحويلها. هذا مقطع متنوع للغاية يحتوي على آلاف أنواع التكوين. تشمل خصائص هيكل MP من هذا النوع استخدام بلورة واحدة كقاعدة للمعالج المركزي ، والذي بدوره يمكن أن يتداخل مع عدد كبير من الأجهزة الطرفية. من بينها وسائل الإدخال / الإخراج ، والكتل ذات الموقتات ، والواجهات ، والمحولات التناظرية إلى الرقمية. يمارس أيضًا توصيل الأجهزة المتخصصة مثل الكتل لتوليد إشارات عرض النبض. نظرًا لاستخدام الذاكرة الداخلية ، تحتوي هذه الأنظمة على عدد صغير من المكونات الإضافية التي تدعم العمليةمتحكم.
مواصفات المعالج الدقيق
تحدد معلمات التشغيل نطاق مهام الجهاز ومجموعة المكونات التي يمكن ، من حيث المبدأ ، استخدامها في هيكل معالج دقيق معين. يمكن تمثيل الخصائص الرئيسية لل MP على النحو التالي:
- تردد على مدار الساعة. يشير إلى عدد العمليات الأولية التي يمكن للنظام إجراؤها في ثانية واحدة. ويتم التعبير عنه بالميغاهرتز. على الرغم من الاختلافات في الهيكل ، فإن أعضاء البرلمان المختلفين يؤدون مهامًا متشابهة في الغالب ، ولكن في كل حالة يتطلب الأمر وقتًا فرديًا ، وهو ما ينعكس في عدد الدورات. كلما زادت قوة MP ، زادت الإجراءات التي يمكن أن تؤديها في وحدة زمنية واحدة.
- العرض. عدد البتات التي يمكن للجهاز تنفيذها في نفس الوقت. تخصيص عرض الحافلة ، ومعدل نقل البيانات ، والسجلات الداخلية ، إلخ.
- مقدار الذاكرة المؤقتة. هذه هي الذاكرة المضمنة في الهيكل الداخلي للمعالج الدقيق وتعمل دائمًا بترددات محدودة. في التمثيل المادي ، هذه بلورة موضوعة على شريحة MP الرئيسية ومقرونة بنواة ناقل المعالج الدقيق.
- التكوين. في هذه الحالة نتحدث عن تنظيم الأوامر وطرق العنونة. من الناحية العملية ، يمكن أن يعني نوع التكوين إمكانية الجمع بين عمليات تنفيذ عدة أوامر في نفس الوقت ، وأنماط ومبادئ تشغيل MP ، ووجود الأجهزة الطرفية في نظام المعالجات الدقيقة الأساسي.
هندسة المعالجات الدقيقة
بشكل عام ، MP عالميةمعالج المعلومات ، ولكن في بعض مناطق عمله ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى تكوينات خاصة لتنفيذ هيكله. تعكس بنية المعالجات الدقيقة تفاصيل تطبيق نموذج معين ، مما يتسبب في دمج ميزات الأجهزة والبرامج في النظام. على وجه التحديد ، يمكننا التحدث عن المشغلات المقدمة ، وسجلات البرنامج ، وطرق العنونة ومجموعات التعليمات.
في تمثيل بنية وميزات أداء MP ، غالبًا ما يستخدمون مخططات الجهاز وتفاعل سجلات البرامج المتاحة التي تحتوي على معلومات التحكم والمعاملات (البيانات المعالجة). لذلك ، يوجد في نموذج السجل مجموعة من سجلات الخدمة ، بالإضافة إلى مقاطع لتخزين معاملات الأغراض العامة. على هذا الأساس ، يتم تحديد طريقة تنفيذ البرامج ونظام تنظيم الذاكرة وطريقة التشغيل وخصائص المعالج الدقيق. على سبيل المثال ، قد تشتمل بنية MP للأغراض العامة على عداد برنامج ، بالإضافة إلى سجلات للحالة والتحكم في أوضاع تشغيل النظام. يمكن تمثيل سير عمل الجهاز في سياق التكوين المعماري كنموذج لعمليات نقل السجل ، وتوفير العناوين ، واختيار المعاملات والتعليمات ، ونقل النتائج ، وما إلى ذلك. سيؤثر تنفيذ التعليمات المختلفة ، بغض النظر عن المهمة ، على الحالة التسجيل الذي تعكس محتوياته الحالة الحالية للمعالج.
معلومات عامة حول هيكل المعالجات الدقيقة
في هذه الحالة ، يجب فهم الهيكل ليس فقط كمجموعة من مكونات نظام العمل ، ولكن أيضًاوسائل الاتصال فيما بينها ، وكذلك الأجهزة التي تضمن تفاعلها. كما هو الحال في التصنيف الوظيفي ، يمكن التعبير عن محتوى الهيكل من خلال ثلاثة مكونات - المحتوى التشغيلي ، ووسائل الاتصال مع البنية التحتية للحافلة والتحكم.
يحدد جهاز جزء التشغيل طبيعة فك تشفير الأوامر ومعالجة البيانات. قد يشتمل هذا المركب على كتل وظيفية حسابية منطقية ، بالإضافة إلى مقاومات للتخزين المؤقت للمعلومات ، بما في ذلك معلومات حول حالة المعالج الدقيق. يوفر الهيكل المنطقي استخدام مقاومات 16 بت لا تؤدي فقط الإجراءات المنطقية والحسابية ، ولكن أيضًا عمليات النقل. يمكن تنظيم عمل السجلات وفقًا لمخططات مختلفة ، والتي تحدد ، من بين أمور أخرى ، إمكانية وصولها إلى المبرمج. يتم حجز سجل منفصل لوظيفة حزمة البطارية.
قارنات التوصيل مسؤولة عن التوصيلات بالمعدات الطرفية. يشمل نطاق مهامهم أيضًا جلب البيانات من الذاكرة وتشكيل قائمة انتظار من الأوامر. تشتمل بنية المعالجات الدقيقة النموذجية على مؤشر أوامر IP ، ومضافات العناوين ، ومسجلات المقطع والمخازن المؤقتة ، والتي يتم من خلالها خدمة الروابط مع ناقلات العنوان.
جهاز التحكم ، بدوره ، يولد إشارات التحكم ، ويفك تشفير الأمر ، ويضمن أيضًا تشغيل نظام الحوسبة ، وإصدار أوامر صغيرة لعمليات MP الداخلية.
هيكل MP الأساسي
يوفر الهيكل المبسط لهذا المعالج الدقيق وظيفتين وظيفيتينالأجزاء:
- غرفة العمليات. تتضمن هذه الوحدة مرافق التحكم ومعالجة البيانات ، بالإضافة إلى ذاكرة المعالجات الدقيقة. على عكس التكوين الكامل ، يستثني هيكل المعالج الدقيق الأساسي سجلات المقطع. يتم دمج بعض أجهزة التنفيذ في وحدة وظيفية واحدة ، مما يؤكد أيضًا على الطبيعة المحسّنة لهذه البنية.
- واجهة. في جوهرها ، وسيلة لتوفير الاتصال مع الطريق السريع الرئيسي. يحتوي هذا الجزء على سجلات الذاكرة الداخلية و adder العنوان.
غالبًا ما يستخدم مبدأ تعدد إرسال الإشارة على قنوات الإخراج الخارجية لنواب البرلمان الأساسيين. وهذا يعني أن إرسال الإشارات يتم عبر قنوات مشتركة لتقاسم الوقت. بالإضافة إلى ذلك ، اعتمادًا على وضع التشغيل الحالي للنظام ، يمكن استخدام نفس الإخراج لنقل الإشارات لأغراض مختلفة.
هيكل تعليمات المعالجات الدقيقة
تعتمد هذه البنية إلى حد كبير على التكوين العام وطبيعة تفاعل الكتل الوظيفية MP. ومع ذلك ، حتى في مرحلة تصميم النظام ، يضع المطورون إمكانيات تطبيق مجموعة معينة من العمليات بناءً على مجموعة من الأوامر يتم تشكيلها لاحقًا. تشمل وظائف الأمر الأكثر شيوعًا ما يلي:
- نقل البيانات. ينفذ الأمر عمليات تعيين قيم معاملات المصدر والوجهة. يمكن استخدام المسجلات أو خلايا الذاكرة على أنها الأخيرة.
- المدخلات والمخرجات. خلالتنقل أجهزة واجهة الإدخال / الإخراج البيانات إلى المنافذ. وفقًا لهيكل المعالج الدقيق وتفاعله مع الأجهزة الطرفية والوحدات الداخلية ، تحدد الأوامر عناوين المنفذ.
- نوع التحويل. يتم تحديد صيغ وحجم المعاملات المستخدمة.
- الانقطاعات. تم تصميم هذا النوع من التعليمات للتحكم في مقاطعات البرامج - على سبيل المثال ، يمكن أن تتوقف وظيفة المعالج أثناء بدء تشغيل أجهزة الإدخال / الإخراج.
- تنظيم الدورات. التعليمات تغير قيمة سجل ECX ، والذي يمكن استخدامه كمقياس عند تنفيذ كود برنامج معين.
كقاعدة عامة ، يتم فرض قيود على الأوامر الأساسية المتعلقة بالقدرة على العمل بكميات معينة من الذاكرة ، وإدارة السجلات ومحتوياتها في نفس الوقت.
هيكل إدارة MP
يعتمد نظام التحكم MP على وحدة التحكم ، والتي ترتبط بالعديد من الأجزاء الوظيفية:
- مستشعر الإشارة. يحدد تسلسل النبضات ومعلماتها ، ويوزعها بالتساوي في الوقت المناسب عبر الحافلات. من بين خصائص تشغيل المستشعرات عدد الدورات وإشارات التحكم المطلوبة لأداء العمليات.
- مصدر الإشارات. يتم تعيين إحدى وظائف وحدة التحكم في هيكل المعالج الدقيق لتوليد الإشارات أو معالجتها - أي تبديلها في دورة معينة على ناقل معين.
- فك شفرة العملية. يقوم بفك تشفير رموز التشغيل الموجودة في سجل التعليمات علىهذه اللحظة. إلى جانب تحديد الناقل النشط ، يساعد هذا الإجراء أيضًا في إنشاء سلسلة من نبضات التحكم.
ليس من الأهمية بمكان في البنية التحتية للتحكم وجود جهاز تخزين دائم يحتوي في خلاياه على الإشارات المطلوبة لأداء عمليات المعالجة. لحساب الأوامر عند معالجة بيانات النبض ، يمكن استخدام وحدة إنشاء العنوان - وهذا مكون ضروري للبنية الداخلية للمعالج الدقيق ، والذي يتم تضمينه في وحدة واجهة النظام ويسمح لك بقراءة تفاصيل سجلات الذاكرة مع الإشارات كاملة.
مكونات المعالج الدقيق
يتم تنظيم معظم الكتل الوظيفية وكذلك الأجهزة الخارجية فيما بينها وبين الدائرة الدقيقة المركزية MP من خلال الناقل الداخلي. يمكن القول أن هذه هي الشبكة الأساسية للجهاز ، وتوفر رابط اتصال شامل. شيء آخر هو أن الحافلة يمكن أن تحتوي أيضًا على عناصر ذات أغراض وظيفية مختلفة - على سبيل المثال ، دوائر لنقل البيانات ، وخطوط لنقل خلايا الذاكرة ، بالإضافة إلى بنية تحتية لكتابة المعلومات وقراءتها. يتم تحديد طبيعة التفاعل بين كتل الناقل نفسه من خلال هيكل المعالج الدقيق. تشمل الأجهزة المضمنة في MP بالإضافة إلى الناقل ما يلي:
- وحدة المنطق الحسابي. كما ذكرنا سابقًا ، تم تصميم هذا المكون لأداء العمليات المنطقية والحسابية. يعمل مع كل من البيانات الرقمية والحرف.
- جهاز التحكم. مسئول عنالتنسيق في تفاعل أجزاء مختلفة من MT. على وجه الخصوص ، تولد هذه الكتلة إشارات تحكم ، وتوجهها إلى وحدات مختلفة لجهاز الجهاز في نقاط زمنية معينة.
- ذاكرة المعالجات الدقيقة. تستخدم لتسجيل وتخزين وإصدار المعلومات. يمكن ربط البيانات بكل من العمليات الحسابية العاملة والعمليات التي تخدم الجهاز.
- معالج الرياضيات. يتم استخدامه كوحدة مساعدة لزيادة السرعة عند إجراء عمليات حسابية معقدة.
ميزات هيكل المعالج
حتى في إطار إجراء العمليات الحسابية والمنطقية النموذجية ، لا توجد سعة كافية لـ MP التقليدي. على سبيل المثال ، لا يمتلك المعالج الدقيق القدرة على تنفيذ التعليمات الحسابية للفاصلة العائمة. لمثل هذه المهام ، يتم استخدام المعالجات المشتركة ، والتي يوفر هيكلها مزيجًا من المعالج المركزي مع عدة نواب. في الوقت نفسه ، لا يحتوي منطق تشغيل الجهاز نفسه على اختلافات جوهرية عن القواعد الأساسية لبناء دوائر حسابية دقيقة.
تنفذ المعالجات المشتركة أوامر نموذجية ، ولكن بتفاعل وثيق مع الوحدة المركزية. يفترض هذا التكوين مراقبة مستمرة لقوائم انتظار الأوامر عبر سطور متعددة. في الهيكل المادي للمعالج الدقيق من هذا النوع ، يُسمح باستخدام وحدة مستقلة لتوفير المدخلات والمخرجات ، ومن سماتها القدرة على تحديد أوامرها. ومع ذلك ، لكي يعمل مثل هذا المخطط بشكل صحيح ، يجب على المعالجات المشتركة تحديد مصدر اختيار التعليمات بوضوح ،تنسيق التفاعل بين الوحدات.
يرتبط مبدأ بناء هيكل معمم للمعالج الدقيق بتكوين شديد الاقتران أيضًا بمفهوم جهاز المعالج الثانوي. إذا استطعنا في الحالة السابقة التحدث عن كتلة إدخال / إخراج مستقلة مع إمكانية تحديدها للأوامر ، فإن التكوين المقترن بقوة يتضمن التضمين في هيكل معالج مستقل يتحكم في تدفقات الأوامر.
الخلاصة
مرت مبادئ إنشاء المعالجات الدقيقة ببعض التغييرات منذ ظهور أجهزة الحوسبة الأولى. لقد تغيرت الخصائص والتصميمات والمتطلبات لدعم الموارد ، مما أدى إلى تغيير الكمبيوتر بشكل جذري ، لكن المفهوم العام للقواعد الأساسية لتنظيم الكتل الوظيفية في معظم الأحيان يظل كما هو. ومع ذلك ، قد يتأثر مستقبل تطوير بنية المعالجات الدقيقة بتقنية النانو وظهور أنظمة الحوسبة الكمومية. اليوم ، يتم النظر في مثل هذه المجالات على المستوى النظري ، لكن الشركات الكبيرة تعمل بنشاط على آفاق الاستخدام العملي للدوائر المنطقية الجديدة القائمة على التقنيات المبتكرة. على سبيل المثال ، كخيار محتمل لمزيد من تطوير MT ، لا يتم استبعاد استخدام الجزيئات الجزيئية ودون الذرية ، ويمكن للدوائر الكهربائية التقليدية أن تفسح المجال لأنظمة دوران الإلكترون الموجه. هذا سيجعل من الممكن إنشاء معالجات مجهرية بهندسة معمارية جديدة بشكل أساسي ، والتي سيتجاوز أداؤها عدة مرات اليوم.النائب
