Микропроцессорлардың даму тарихы Микропроцессордың үлгілері

1959 жылы «Texas Instruments» фирмасының инженерлері бір жартылай өткізгішті кристаллдың ішіне бірнеше транзисторларды орналастырудың жэне оларды өзара косудың эдісін өңдеп - бірінші интегралдык микросұлба (ИМС) жасады. Жеке транзистор, резисторлардан тағы сол сиякты кұрылғылар мен интегралдық микросұлба функциясын салыстырғанда, оның көлемі едэуір кіші жэне сенімділігі жоғары болып келеді. Шығарылатын микросұлбалардың саны артып, кұрылымы кеңейе түсті. Бүл жағдай түтынушылар үшін киындыктар туғызды. алғашқы микропроцессорлар ЭЕМ-ді миниатюризациялау үшін пайда болған жок, ол қүны арзан логикалық микросұлба жасап, оған колданушыны оңай бейімдендіру максатын көздеді.

1969 жылы жазда жаңа калькулятор өңдеуші жапон компаниясы “Busicom”, “Intel” компаниясынан көмек сұрады. Сол уақытка Intel фирмасының қүрылғанына бір жылдай болатын, бірак сол уакыт ішінде ең шағын микросұлба жадын жасап шығарып, өзін танымал еткен еді. «Busicom» фирмасына бірнеше мың транзисторлардан күралған микросүлбаларды жасап шығару керек болды. Бірлескен жобаны іске асыру үшін Intel фирмасының инженері М.Хофф жобаға тартылды. Ол «Busicom»-HiH өңдеулерімен танысып жэне 12 күрделі мамандандырылған микросұлбалар орнына бір бағдарламаланатын эмбебап - микропроцессор жасайтын талғаулы идеяны ұсынды.М. Хофф жобасы жеңді жэне «Intel» фирмасы элемдегі бірінші микропроцессорды (МП) өндіріп, шығару мүмкіндігіне ие болды.

Идеяны тэжірибелік түрде іске асыру оңай іс болмады. 1970 жылы жүмысқа Ф. Фаджин косылды, ол 9 ай ішінде процессорды сипаттамалык жазба түрінен кристалл түріне дейін жеткізді 1971 жылдың 15-ші карашасында «Intel 4004» - деп аталатын жаңа процессор коғамға таныстырылды.

Калькуляторға бір цифрды сактау үшін 4 бит кажет болса (мұнша колем «8» және «9» ондық цифрлардың суреті үшін керек), «Intel 4004» төртінші разрядты процессор болды. Келесі микропроцессор терминалға орнату үшін жасалды жэне ол символдық мәліметтерді өңдеуі керек еді. Әрбір символ бір байтпен кодталғандықтан, «Intel 8008»-ші келесі моделі 8-разрядты болды. Ол 1982 жылдың сәуірінде пайда болды. Бүл процессор «аппараттык логиканы» алмастырушы ғана болды, дегенмен, кейбір кұрастырушылар оны компьютер кұрастыруға пайдалануға тырысты. Мүндай істің нәтижесінен гөрі демонстрациялык сипаты жоғары болды, бірак ол микрокомпьютерлік төңкерістің бастамасы саналды.

1974 жылдың сәуірінде «Intel» фирмасы жаңа серпіліс жасап, элемдегі «Intel 8080»-ші маркалы бірінші процессор дүниеге келді. Бүл процессор бір жағынан 8-разрядты мәліметтерді өңдейтін болса, жедел жадтың адресі екі байтты болды. Сайып келгенде, «Intel 8080» процессор 64 килобайтқа дейін жадты иемдене алды. Бүл жағдай бағдарламашылар үшін қол жеткізбейтін табыс еді.

Кейінгі окиғалардың дамуы динамикалык дамушы есептеуіш техниканың екпіндерімен салыстырғанда өте жылдам жылдамдықта өрбіді. Он жылдыкта МП-дің дамуы 4-разрядтыдан күрделі 32-разрядты архитектураға жетті. Төртінші ұрпактың микропроцессор базасында жинаған барлык ЭЕМ-і каркынды дами бастады.

Алғашкы «4004» МП-ы 2200, «8080» МП - 4800, «Intel 80486» 1,2 млн. транзистордан күралған, ал казіргі «Pentium» - 3 млн. Шамасындағы транзистордан тұрады.

Микропроцессорлардың даму тарихы өз алдына жеке, кызыкты тақырып. «Intel» фирмасы микросхемаларды жасауда өзінің көшбасшылык позициясын сақтап келеді. (16-разрядты 8086, 80286 жэне 32-разрядты 80386, 80486, Pentium) МП-ң біртіндеп күрделеніп келген оның бағдарламалық сэйкесті буыны қолданушы компьютерлердің көптеген бөлігінің «миы» болып табылады.

Микропроцессорлық келесі тармағын «Motorola» фирмасы күрастырады. Оның өнімі «Арр1е»-дың белгілі компьютерлерінде жүмыс істейді, сонымен бірге карапайым - «Atari», «Commador», «Amiga» тағы баскалары да колданады. 1993 жылы Motorola фирмасы IBM жэне Apple фирмасы бірігіп «PowerPC» атты жаңа процессорын жасады. IBM жэне Apple компьютсрлері осы процессормен камтамасыз етіліп, жүмыс жасау кағидалары өзгерді. Кең таралған ІВМ-сәйкесті компьютерлер осы микропроцессорлар базасында кұрылған.

Процессорлардың соңғы үлгілерінің ерекше белгісі-казіргі ЭЕМ- дердің көп есепті деңгейінде жүмыс жасауы. RISC архитектуралы МП дамып келеді.

Микропроцесфункциялары Процессор мен негізгі жадтың арасында ақпарат алмасу

Микропроцессорлардың дербес компьютерлер дамуындағы орны

Микропроцессор (МП) дербес компьютердің (алдағы уакытта ДК) негізі болып табылады/Техниканың жэне микропроцессорлар технологиясыныңдамуыДКбуындарыныңалмасуыменанықталады. Бірінші буын (1975-1985 жж.) - 8 разрядты МП базасында; екінші буын (1981-1985 жж.)-16 разрядты МП базасында; үшінші буын (1986-1992 жж.) 32 разрядты МП базасында; төртінші буын (1993ж.-казіргі уақытка дейін) 64-разрядты жэне одан жоғары 256, 512-разрядты МП базасында жасақталған.

ДК дамуында IBM корпорациясы 1981 жылы Intel 8086 микропроцессор базасында шығарған IBM компьютерінің пайда болуы үлкен рөл аткарды. Бүл дербес компьютерлер нарығында жетекші орынды иемденді. Оның негізгі артыкшылығы - «ашык архитектура», соның аркасында колданушылар эртүрлі шеткері күрылғыларды коса жэне компьютерді қажеттілікке карай жаңғырта алады. Баскаша айтсақ, ДК мүмкіндігін кеңейте алады. Кейін баска фирмалар да IBM PC негізінде өз компьютерлерін жасай бастады. Сөйтіп, IBM PC компьютері ДК класының стандартына айналды. Қазіргі күндерде сатылатын барлық ДК-нің 85%-ке жуығы IBM PC архитектурасына негізделген.

Дербес компьютерлер өзінің микропроцессорларының параметрлері бойынша бөлінуі төмендегі кестеде көрсетіледі.

Болашақта элементтік базасы ретінде оптоэлектроника пайдаланылатын машиналардың интеллектуалдық мүмкіндіктердің жетілдіруі, оған қажетті бағдарламалық жасақтамалардың пайда болуы күтілуде. Жасанды интеллекті жүйелеріне, білім қорына, эксперттік жүйелерге негізделген жаңа ақпараттық технология құру көзделіп отыр. Сонымен қатар, қазіргі кезде желілік технология аясын кеңейту кезек күттірмейтін мәселеге айналды.

М и к р о п р о ц е с с о р . Микропроцессор (МП) құрамына:

- орталық басқару құралы;

- арифметико – логикалық құрылғы;

- ішкі регистрлік жады;

- кэш – жады

- жүйелік шинаны басқару сызбалары, т.б.

кіреді.

МП-дың негізгі атқаратын функциялары:

- оперативті жадыдан командалар алу;

- командаларды декодтау (яғни команданың мағынасын анықтау, орындалу әдісін, операциялар адрестерін анықтау);

- командалар құрамында кодталған операцияларды анықтау;

- өзінің ішкі регистрлері, оперативті жад мен СҚ, МП мен оперативті жад арасындағы ақпараттар алмасу үрдістерін басқару;

- ішкі процессорлық және программалық үзілістерді өңдеу;

- СҚ – дан берілген сигналдарды өңдеу және сәйкес үзілістерді жүзеге асыру;

- компьютер құрамына кіретін әртүрлі құрылғылар жұмысын басқару.

Адрестеу әдістері

МП адресті кеңістігі акпаратты алатын немесе жіберетін ЖЕСҚ- ның жад үяларының жиынынан түрады. Жоғарыда айтылғандай, 4-ші буыннан бастап жадыны байттык үйымдастыру үстем алып, минималдык адрестік бірлік болып байт саналады. Мысалы, 1024 Кб көлемді ЖЕСҚ үшін байттар адресі келесідей:

00000 00001 ... FFFFF

(оларды он алтылык жүйеде жазамыз; соңғы байтың адресі: 1024*1024 -1=1 048 576 - 1 = FFFFF).

Процессор жадымен акпарат алмасуда олардың нөмірлері бойынша ЖЕСҚ-ң үяшыктарына катынасады. Егер адрес командада болса, онда ол тікелей адрестеу болтаны. Мұндай жағдайда команда үзындығы өсетін болғандыктан, процессор ЖЕСҚ-на қатынасу үшін жанама адрестеу әдісі колданылады. Жад адресі МП регистрларының біріне алдын ала енгізіліп, командада осы регистрға сілтеме болады. Регистрге адресті сақтауда оны эрі карай түрлендіруге де ыңғайлы болады.

Бастапқы ақпаратқа кең тараған сілтеме нүскаларының сипаттамасы:

1)Мәліметтер МП регистрлерінің бірінде орналасады;

2)Мәліметтер команда күрамына енеді немесе әрекет кодының соңында орналасады;

3)МП регистрлерінің адресі бар ЖЕСҚ-ң үяшығында мәліметтер болады;

4)Мәліметтер ЖЕСҚ үяшығында орналасады, оның адресі келесідей формуламен есептеледі:

адрес=базалық адрес+ығысу

Базалық адрес МП регистрінің бірінде сақталады жэне мэліметтер массивінің бастапкы нүктесі болып табылады. Басқа регистрлердің мазмүны болатын белгілі бір тұракты ығысу болуы мүмкін.

ЖЕСҚ-ка мүндай катынасу әдісі индекстік деп аталады, себебі индексі болмайынша бір өлшемді массив элементтерін табуға үқсас болып келеді.

МП-ң нақты модельдерінде ЖЕСҚ адрестеудің кейбір ерекшеліктері болады. Мысалы, PDP процессорларында екілік жанама адрестеу болуы мүмкін. Мэліметтер адресі ЖЕСҚ-ң үяшығында сакталады, ал оның адресі көрсетілген регистрда болады.

«Intel» фирмасының процессорында кабылданған сегменттік әдісті карастырайық. Белгілі американдык бағдарламалаушы Питер Нортон бұл әдісті «клудж» сөзі деп атады. («Клудж» ағылшын тілінен аударғанда мәселені уақытша шешуге арналған кұрал- сайман). Адрестеудің сегменттік әдісі алғашкы 16-разрядты 8086 МП үсынылды. 16-разрядты регистрді қолдана отырып, 20-разрядты адрес алу үшін жэне сол арқылы ЖЕСҚ көлемін 64 кбайттан ІМбайтқа дейін ең үлкен мүмкіндігін жоғарылату көзделді. ЖЕСҚ адресі екі санның косындысы сиякты есептеледі. Соның біреуі солға 4 екілік разрядка ығыскан немесе 16-ға көбейтілген. Мысалы, 16-қ түрдегі сегмент А000 тең болса, ыгысу 1000 болады. Мүндай адрестеудің жалпылама жазбасы мынадай түрде болады: А000/1000. Нәтижесіндегі адрес:

Сегменттік адрестеуде ЖЕСҚ-ң адресі сандардың бірнеше комбинациясы түрінде беріледі.

Стек термині «stack» атты агылшын сөзінеи шыққан. Стек - бұл стек көрсеткіші қолданылатын тізбектегі эдістен ақпарат саналатын немесе жазылатын адрестеудің анықсыз әдісі. Стекте акпараттың бір кірісі бір шығысы болады. Оның адресін сактау үшін стек көрсеткіші кажет

1. Командалар жүйесі

Процессор орындай алатын командалар жүйесі: машиналык команда операциялық жэне адрестік бөліктерден тұрады. Операциялык команда мәліметтермен жасалатын эрекеттерді көрсетеді, ал адрестік команда ол мәліметтерді қайдан алу керектігін жэне нэтижені кайда орналастыру кажеттігін көрсетеді. «Е97» командаларының құрылымы-команданың әрбіреуі 4 биттен болатын 4 бөліктен құралады: МОД модификатор, КОП операция коды және 2 ОП1 және ОП2 операнда. Операндтар мен КОП мақсаты алдындағы тарауда көрсетілген. МОД қарастыратын болсақ, команданың жүзеге асу нұсқаларын көрсетеді. Мысалы, байтты немесе сөзді адрестеу, т.с.с.

Ең қарапайым команда форматы операция жоқ (коды 0) және тоқтау (коды F),мұндай командаларда КОП қатысқан, қалған 12 биттің мәні жоқ. Коды 0 мен В интервалындағы командалар екі адресті болып табылады. Олар:

1 – тіркеу

2 – қосу

3 – алу

4 – салыстыру

6 – бөлу

7 – логикалық «және»

8 – «немесе»

9 – «емес»

А – порттан енгізу

В – порттан шығу

Тіркеу әдісі келесідей орындалады: ОП1 ақпарат окылады және ОП2-ге көшіріледі. Портқа енгізу мен шығару осыған сәйкес жұмыс жасайды. Тек порт нөмірі ретінде операндтардың бірі көрсетіледі. Барлык басқа 2-9 кодты екі адресті командалар әмбебап сұлбамен орындалатын 2 мәліметпен әрекет етеді. Ол:

ОП2 әрекет ОП1 =>ОП2

Мысалы, бөлу командасында процессор ОП2 алып, оны ОПІ-ге бөледі жэне ОП2-Ң алғашқы мэнінің орнына орналасады.

Салыстыру командаларының аз ғана ерекшелігі бар. Оның орындалуы кезінде ОП2-ОП1 айырмасы есептеледі, бірақ нәтиже ешқайда сақталмайды.

Арифметикалық әрекеттер бүтін сандармен жүзеге асады жэне олардың нәтижелері «16-битті таңбасы бар бүтін сан» форматында болады. Бөлу кезінде бүтіннің бөлігі пайда болады. Нақты сандармен әрекеттер бағдарламалық жолмен жүзеге асады (сәйкес бағдарламалар мысалы, бір ТЕСҚ-на орналасуы мүмкін).

Енді өту командалары: Олар абсолютті жэне салыстырмалы болады. Осыған сәйкес «Е97» процессорінде С жэне D әрекет коды бар 2 түрлі өтулер бар. Олардың форматтары 4.20 в, г суреттерінде көрсетілген.

Коды С-ға тең абсолют өтуді карайық. Егер процессор бағдарламадан екі сөзден түратын команда кездестірсе

1C0D

0056,

онда келесі 56 адресті команда орындалады. Өту адресі команданың өзінен алынады. 1C0D командасында үлкен он алтылык сан- модификатор болып табылады жэне ол шартсыз өтуге сәйкес келеді. С-әрекет коды. О-қолданылмайтын сан. D-көрсетілген адрес келесі сөзде сакталатындығын көрсететін операнд. Ол 1C0D бүтін бөлігін құрайды.

Коды D-ға тең салыстырмалы өтуді карастырайық. Мысал ретінде келесі команданы алайық:

1D06,

Бұл команда 42 адресті жадыда сакталған болсын. Процессор жүмысының негізгі алгоритміне сәйкес қарастыратын команда таңдалған сон PC команда адресінің санауышы автоматты түрде 44-ке артады. Сонан соң өту командасын шифрлеп процессор 06-ға ығыскан РС-дің ағымдык мазмүнына келеді жэне 44+6=4А адресіне өтуді жүзеге асырады. Салыстырмалы өту кезінде нэтиже адресі ЖЕСҚ-ға өту командаларының орналасуына байланысты.

Командалардың соңғы тобы – ығысу Олардың коды ЕА-ЕС. Олардың барлығы ОП1 кодын ДКОП мэніне байланысты бір разрядқа солға немесе оңға ығыстырады. Солға ығысу көбейтуге, ал оңға ығысу 2-ге бөлуге сәйкес келеді. ЕС командасы арифметикалық ығысу деп аталады, ол ЕВ карапайым ығысуына қарағанда үлкен таңбалык разряд арифметикалык ыгысу кезінде өзінің мэнін сақтап калады.

8.Микропроцессорлардың ішкі құрылымы

Микропроцессордың негізгі функцияларына:

•жедел жад командаларын іріктеу;

• командаларды декодтау (яғни, команданың орындалуын аныктау, оның қолдану әдісін жэне операндтар адрестерін аныктау);

•командаларда кодталған операцияларды орындау;

•жедел жад жэне сырткы құрылғылар, ішкі регистрлердің арасындағы мәліметтердің жіберілуін баскару;

•ішкі процессорлык жэне бағдарламалык үзулерді өңдеу;

•сыртқы құрылғылар сигналдарын өңдеу жэне тиісті үзулерді іске асыру;

•компьютердің құрамына кіретін әр түрлі кұрылғыларды басқару.

Микропроцессорлардың ішкі кұрылымы («Pentium» үш миллион транзисторлардан тұрады) өте күрделі. Негізгі кызметтік түйіндердің жалпы сұлбасын карастырсақ, күрделі суреттік көрініс пайда болады. МП-дің сонымен бірге ішкі күрылғылары оның маркасына байланысты әртүрлі болады. Бір процессордың қүрылымы баска процессордың жүмысын түсінуге көмектеспеуі мүмкін.

Қазіргі ЭЕМ-дің процессорларының инженерлік бөлшектерін зерттеу (жэне тіпті бағдарламалаушы үшін) колданушы үшін тиімсіз жэне тек бағдарламаға кажетті кызметтік түйіндермен ғана шектелуге болады.

Бағдарламалаушы үшін процессор кейбір жүйелік ережелерге сәйкес өңделетін жэне белгілі-бір өзара байланыскан эртүрлі максаттағы регистрлар жиынынан кұралады. Әрине, бағдарламалаушы үшін процессордыц ішкі жадтың барлығы қол жетімсіз болады.

Микропроцессордың ішкі регистрларының келесі басты боліктерін карастырайык: командалардың адресінің санауышы, степ көрсеткіші және күй регистрі. Команда адресінің санауышының болуы тіпті Фон Нейман жүмыстарында ұсынылған.

Санауыштың бағдарлама командаларының келесі адресін сақтауда жэне оны автоматты есептеуде рөлі зор. ЭЕМ-да багдарламалык санауыштың көмегімен бағдарлама командаларының орналасу тізбегін колданудың негізгі циклі жүзеге асырады. Ескеретін жайт, барлық МП-де команда санауышы бағдарлама аркылы қол жетімсіз болады.

Степ көрсеткішінде степ жадында арнайы ұйымдастырылған бөліктің бастамасы сакталады.

Процессордың күй регистрі. Әртүрлі МП үшін күй регистрі түрліше аталуы мүмкін. (Мысалы, процессордың күй сөзі, жалауша регистрі тағы сол сияқты). Бірак оның мазмүны бір болып кала береді. Бүл регистрде процессордың ағымдық режимі туралы акпарат сакталады. Мүнда сонымен катар орындалушы командалар нәтижесі туралы акпарат орналасады. Мысалы, әрекет кезінде кате болды ма жоқ па, нәтиже теріс пе, элде 0-ге тең бе, тағы сол сиякты. Бүл маңызды регистрде ақпарат талдауы мен колданылуы биттік түрде өтеді немесе күй регистрінің эрбір битінің жеке мэні болады. МП күйінің регистрінің мазмүнын ең алдымен командалык санауыш мәнінен кейін бірден сакталады. Әрбір МП-да сонымен коса, ЖЕСҚ адрестері мен ағымдағы өңделуші мәліметтер сақталатын жүмыс регистрларының жиыны болады. Аккумуляторда барлык негізгі әрекеттер жүргізіледі жэне оның нәтижелері сакталады.

Регистрлар арасындағы байланыс. Олардың біріндегі ақпарат екіншісіне беріліп отырады. МП-дағы бір регистрдегі акпаратты эркезде екіншісіне аударуға болады.

МП регистрінің разрядтылығы ЭЕМ-нің барлык мүмкіндіктеріне айтарлықтай әсерін тигізеді. Сондықтан «ЭЕМ разрядтылығы» ұғымын анықтап алайык. Оның күрамына мыналар кіреді:

-(ш) МП-p регистрларының ішкі разрядтылығы;

- (п) мәліметтер шинасының разрядтылығы;

- (к) адрес шинасының разрядтылығы.