Микропроцессор — это мозг компьютера, который выполняет всю работу. Это компьютерный процессор, который включает в себя все функции CPU (центрального процессора) на одной интегральной микросхеме или на нескольких микросхемах. Микропроцессоры были впервые представлены в начале 1970-х годов. 4004 был первым микропроцессором общего назначения, использованным Intel для создания персональных компьютеров. Появление недорогих микропроцессоров общего назначения сыграло важную роль в развитии современного общества.
Мы подробно изучим характеристики и компоненты микропроцессора.
Характеристики микропроцессоров
Микропроцессоры — это многофункциональные устройства, которые могут быть предназначены для общих или специализированных функций. Микропроцессоры ноутбуков и смартфонов являются универсальными, тогда как микропроцессоры предназначены для графической обработки или машинного зрения. Есть некоторые характеристики, которые являются общими для всех микропроцессоров.
Это наиболее важные определяющие характеристики микропроцессора —
- Тактовая частота
- Набор инструкций
- Размер слова
Тактовая частота
Каждый микропроцессор имеет внутренние часы, которые регулируют скорость, с которой он выполняет инструкции, а также синхронизируют его с другими компонентами. Скорость, с которой микропроцессор выполняет инструкции, называется тактовой частотой . Тактовые частоты измеряются в МГц или ГГц, где 1 МГц означает 1 миллион циклов в секунду, тогда как 1 ГГц соответствует 1 миллиарду циклов в секунду. Здесь цикл относится к единственному циклу электрического сигнала.
В настоящее время микропроцессоры имеют тактовую частоту в диапазоне 3 ГГц, что является максимумом, которого могут достичь современные технологии. Более высокие скорости генерируют достаточно тепла, чтобы повредить сам чип. Чтобы преодолеть это, производители используют несколько процессоров, работающих параллельно на одном чипе.
Размер слова
Количество битов, которые могут быть обработаны процессором в одной инструкции, называется размером слова . Размер слова определяет объем оперативной памяти, к которой можно получить доступ за один раз, и общее количество контактов на микропроцессоре. Общее количество входных и выходных контактов в свою очередь определяет архитектуру микропроцессора.
Первым коммерческим микропроцессором Intel 4004 стал 4-битный процессор. У него было 4 входа и 4 выхода. Количество выходных контактов всегда равно количеству входных контактов. В настоящее время большинство микропроцессоров используют 32-битную или 64-битную архитектуру.
Набор инструкций
Команда, данная цифровой машине для выполнения операции над частью данных, называется инструкцией . Базовый набор инструкций уровня машины, для которых предназначен микропроцессор, называется его набором команд . Эти инструкции выполняют эти типы операций —
- Обмен данными
- Арифметические операции
- Логические операции
- Контроль потока
- Ввод / вывод и управление машиной
Компоненты микропроцессора
По сравнению с первыми микропроцессорами, современные процессоры очень маленькие, но все же они имеют эти основные части прямо с первой модели —
- ЦПУ
- автобус
- объем памяти
ЦПУ
Процессор изготовлен в виде очень крупномасштабной интегральной схемы (СБИС) и состоит из следующих частей:
-
Регистр инструкций — содержит команду для выполнения.
-
Декодер — декодирует (преобразует в язык машинного уровня) инструкцию и отправляет ее в АЛУ (Арифметическая логическая единица).
-
ALU — имеет необходимые схемы для выполнения арифметических, логических операций, операций с памятью, регистрами и программами.
-
Регистр — содержит промежуточные результаты, полученные при обработке программы. Регистры используются для хранения таких результатов, а не оперативной памяти, поскольку доступ к регистрам почти в 10 раз быстрее, чем к оперативной памяти.
Регистр инструкций — содержит команду для выполнения.
Декодер — декодирует (преобразует в язык машинного уровня) инструкцию и отправляет ее в АЛУ (Арифметическая логическая единица).
ALU — имеет необходимые схемы для выполнения арифметических, логических операций, операций с памятью, регистрами и программами.
Регистр — содержит промежуточные результаты, полученные при обработке программы. Регистры используются для хранения таких результатов, а не оперативной памяти, поскольку доступ к регистрам почти в 10 раз быстрее, чем к оперативной памяти.
автобус
Соединительные линии, используемые для соединения внутренних частей микропроцессорной микросхемы, называются шиной. В микропроцессоре есть три типа шин:
-
Шина данных — Линии, которые переносят данные в и из памяти, называются шиной данных. Это двунаправленная шина, ширина которой равна длине слова микропроцессора.
-
Адресная шина. Он является однонаправленным и отвечает за передачу адреса ячейки памяти или порта ввода / вывода из процессора в память или порт ввода / вывода.
-
Шина управления — Линии, которые несут управляющие сигналы, такие как тактовые сигналы, сигнал прерывания или сигнал готовности , называются управляющей шиной. Они двунаправлены. Сигнал, который обозначает, что устройство готово к обработке, называется сигналом готовности . Сигнал, который указывает устройству на прерывание его процесса, называется сигналом прерывания .
Шина данных — Линии, которые переносят данные в и из памяти, называются шиной данных. Это двунаправленная шина, ширина которой равна длине слова микропроцессора.
Адресная шина. Он является однонаправленным и отвечает за передачу адреса ячейки памяти или порта ввода / вывода из процессора в память или порт ввода / вывода.
Шина управления — Линии, которые несут управляющие сигналы, такие как тактовые сигналы, сигнал прерывания или сигнал готовности , называются управляющей шиной. Они двунаправлены. Сигнал, который обозначает, что устройство готово к обработке, называется сигналом готовности . Сигнал, который указывает устройству на прерывание его процесса, называется сигналом прерывания .
объем памяти
Микропроцессор имеет два типа памяти
ОЗУ — Оперативная память — это энергозависимая память, которая стирается при выключении питания. Все данные и инструкции хранятся в оперативной памяти.
ROM — Read Only Memory — энергонезависимая память, данные которой остаются нетронутыми даже после выключения питания. Микропроцессор может читать из него в любое время, но не может писать в него. Он предварительно запрограммирован самыми важными данными, такими как последовательность загрузки, изготовителем.