Концепции микропроцессоров

Microprocessorэто мозг компьютера, который делает всю работу. Это компьютерный процессор, который объединяет все функции ЦП (центрального процессора) на одной ИС (интегральной схеме) или, самое большее, на нескольких ИС. Впервые микропроцессоры были представлены в начале 1970-х годов. 4004 был первым микропроцессором общего назначения, который Intel использовала при создании персональных компьютеров. Появление недорогих микропроцессоров общего назначения сыграло важную роль в развитии современного общества.

Подробно изучим характеристики и составные части микропроцессора.

Характеристики микропроцессоров

Микропроцессоры - это многоцелевые устройства, которые могут быть разработаны для общих или специализированных функций. Микропроцессоры ноутбуков и смартфонов являются универсальными, тогда как микропроцессоры, предназначенные для графической обработки или машинного зрения, являются специализированными. Есть некоторые характеристики, общие для всех микропроцессоров.

Это наиболее важные определяющие характеристики микропроцессора -

• Тактовая частота
• Набор инструкций
• Размер слова

Тактовая частота

Каждый микропроцессор имеет internal clockкоторый регулирует скорость, с которой он выполняет инструкции, а также синхронизирует его с другими компонентами. Скорость, с которой микропроцессор выполняет инструкции, называетсяclock speed. Тактовые частоты измеряются в МГц или ГГц, где 1 МГц означает 1 миллион циклов в секунду, а 1 ГГц равен 1 миллиарду циклов в секунду. Здесь цикл относится к одному циклу электрического сигнала.

В настоящее время микропроцессоры имеют тактовую частоту в диапазоне 3 ГГц, что является максимумом, которого может достичь современная технология. При более высоких скоростях выделяется достаточно тепла, чтобы повредить сам чип. Чтобы решить эту проблему, производители используют несколько процессоров, работающих параллельно на кристалле.

Размер слова

Количество бит, которое может быть обработано процессором в одной инструкции, называется его word size. Размер слова определяет объем оперативной памяти, к которой можно получить доступ за один раз, и общее количество контактов микропроцессора. Общее количество входных и выходных контактов, в свою очередь, определяет архитектуру микропроцессора.

Первый коммерческий микропроцессор Intel 4004 был 4-битным процессором. У него было 4 входных контакта и 4 выходных контакта. Количество выходных контактов всегда равно количеству входных контактов. В настоящее время большинство микропроцессоров используют 32-битную или 64-битную архитектуру.

Набор инструкций

Команда, отданная цифровой машине на выполнение операции над частью данных, называется instruction. Базовый набор команд машинного уровня, для выполнения которых предназначен микропроцессор, называется егоinstruction set. Эти инструкции действительно выполняют следующие типы операций -

• Обмен данными
• Арифметические операции
• Логические операции
• Поток управления
• Ввод / вывод и управление машиной

Компоненты микропроцессора

По сравнению с первыми микропроцессорами, современные процессоры очень малы, но все же они имеют эти базовые части прямо из первой модели -

• CPU
• Bus
• Memory

ЦПУ

ЦП изготовлен как очень крупномасштабная интегральная схема (СБИС) и имеет следующие части:

• Instruction register - Он содержит инструкцию, которую нужно выполнить.

• Decoder - Он декодирует (преобразует в язык машинного уровня) инструкцию и отправляет ее в ALU (Arithmetic Logic Unit).

• ALU - Он имеет необходимые схемы для выполнения арифметических, логических операций, операций с памятью, регистрами и программной последовательности.

• Register- Содержит промежуточные результаты, полученные при обработке программы. Регистры используются для хранения таких результатов, а не RAM, потому что доступ к регистрам почти в 10 раз быстрее, чем доступ к RAM.

Автобус

Соединительные линии, используемые для соединения внутренних частей микросхемы микропроцессора, называются шиной. В микропроцессоре есть три типа шин:

• Data Bus- Линии, по которым данные передаются в память и из памяти, называются шиной данных. Это двунаправленная шина, ширина которой равна длине слова микропроцессора.

• Address Bus - Это однонаправленный, отвечающий за перенос адреса ячейки памяти или порта ввода / вывода от ЦП в память или порт ввода / вывода.

• Control Bus - Линии, несущие управляющие сигналы, например clock signals, interrupt signal или ready signalназываются шиной управления. Они двунаправленные. Сигнал, означающий, что устройство готово к обработке, называетсяready signal. Сигнал, который указывает устройству прервать его процесс, называетсяinterrupt signal.

объем памяти

Микропроцессор имеет два типа памяти

• RAM- Оперативная память - это энергозависимая память, которая стирается при отключении питания. Все данные и инструкции хранятся в оперативной памяти.

• ROM- Память только для чтения - это энергонезависимая память, данные которой остаются неизменными даже после отключения питания. Микропроцессор может читать с него в любое время, но не может писать в него. Он предварительно запрограммирован производителем с наиболее важными данными, такими как последовательность загрузки.