Мікропроцесор

МІКРОПРОЦЕ́СОР — про­грамно-керований універсальний при­стрій для цифрового обробле­н­ня дис­кретної та (або) аналогової інформації, побудований на одній або декількох великих інтегральних схемах (ВІС). М. характеризуються: напів­провід­ник. технологією виготовле­н­ня інтеграл. схем; арх-рою; набором ін­струкцій; ємністю памʼя­ті, що адресується; продуктивністю; вартістю тощо. Існують поня­т­тя зовн. (сукупність апаратур., про­грам. і мікро­про­грам. можливостей М., важливих при його про­грамуван­ні; при­значена для про­граміста) і внутр. (апаратурна організація та логічна структура електрон. схем, окремих блоків, що звʼязують їх за допомогою інформ. шин; при­значена для роз­робника) арх-р М. Зовн. архітектура М., як правило, може бути у такому ви­гляді: один набір команд обробляє один набір даних — SІSD (від англ. Single In­struction Single Data stream). Можливі також архітектури типів SIMD (Single Instruction Multiple Data stream), MISD (Multiple Instruction Single Data stream) і MIMD (Mul­ti­ple Instruction Multiple Data stream). Створюючи М., використовують усі види архітектури: регістрові, стекові, орієнтовані на оперативну памʼять. Регістр. архітектура М. (типу регістр–регістр) ви­значає наявність до­статньо великого регістр. файлу в середині ВІС процесора, що має високу ефективність виріше­н­ня наук.-тех. зав­дань, оскільки швидкість роботи статич. оператив. запамʼятовую­чого при­строю до­зволяє ефективно використовувати швидкісні можливості арифмет.-логіч. блоку. Стек. архітектура М. дає можливість створити поле памʼяті з упорядк. послідовністю запису та вибірки інформації. Вона ефективна для організації роботи з під­про­грамами, що необхідно для виріше­н­ня склад. зав­дань управлі­н­ня або при роботі з мовами високого рівня. Арх-ра М., орієнтована на оперативну памʼять (типу памʼять–памʼять), забезпечує високу швидкість роботи й велику інформ. ємкість робочих регістрів і стека при їхній організації в оператив. запамʼятовувал. прис­трої. З такою арх-рою всі оброб­лювані числа після операції в М. не зберігаються в робочих регі­страх, а повертаються в памʼять. М. складається з ядра (його утворюють арифмет.-логіч. при­стрій і блоки — регістр. памʼяті RRAM, лічильника команд і упр. пере­рива­н­нями), оператив. запамʼято­вувал. при­строїв про­грам PRAM і даних DRAM, логіч. схем. Склад периферій. при­строїв залежить від за­стосува­н­ня процесора. У традиц. М. управлі­н­ня, включаючи регістр і дешифратор команд, зосереджено в одному при­строї, що пере­важно завдяки простоті роз­робки й модифікації реалізовано як мікро­про­грам. автомат. У виробництві М. використовують ві­домі види технологій (ТТL, І2L, І3L, ЄСL, N-МОP, К-МОP і Р-МОP), що ви­значають різні вихідні характеристики. Високі споживчі властивості мають М., виготовлені за технологією К-МОP на під­кладці з сапфіра. Незалежно від про­грам. забезпече­н­ня, базу всіх про­грам. продуктів складає т. зв. осн. цикл роботи М.: вибірка команди, її дешифрува­н­ня, обчисле­н­ня адреси й вибірка операндів, викона­н­ня команди, запис результату та пере­хід до на­ступ. команди. Усі пакети, операц. системи, текст. процесори мають в основі цей набір дій. За при­значе­н­ням М. бувають універсальні (в системі команд закладена алгоритмічна універсальність) і спеціалізовані (при­значені для виріше­н­ня певного класу зав­дань, а іноді лише одного конкрет. зав­да­н­ня). За ви­глядом оброблюв. вхід. сигналів роз­різняють цифр. й аналог. М. Хоч М. — це цифр. при­строї, проте можуть мати вбудовані аналого-цифр. й цифро-аналог. пере­творювачі. За­звичай у складі однокри­стал. аналог. М. є декілька ка­налів аналого-цифр. і цифро-аналог. пере­творе­н­ня. За кількістю про­грам, що виконує М., ви­окремлюють одно- (тільки одну про­граму; пере­хід до ін. від­бувається після заверше­н­ня поточ.) і багато­про­грамні, або мульти­про­грамні (за­звичай декілька десятків про­грам). За кількістю ВІС М. умовно поділяють на 2 класи: одно- (функціонально закінчені процесори з роз­рядністю, що фіксуються, і набором ін­струкцій) та багатокри­стальні, або секційні (секції роз­рядності 2, 4, 8 або 16 бітів з фіксованим набором ін­струкцій для побудови процесора із змін. роз­рядністю слова й різною арх-рою). За­стосува­н­ня остан­ніх дає можливість досягти макс. продуктивності М., але повʼязане з певними труднощами: необхідне мікро­про­грамува­н­ня ін­струкцій процесора. У цьому напрямі найпер­спективнішим є роз­робле­н­ня процесорів зі скороч. набором ін­струкцій RISC (Reduce Instruction Set). Галузь RISC-процесорів роз­вивається найдинамічніше. Для отрима­н­ня багатокри­стал. М. необхідно здійснити поділ його логіч. структури на функціонально закінчені частини й реалізувати їх у ви­гляді ВІС. Функціонал. закінченість ВІС багатокри­стал. М. означає, що його частини виконують заздалегідь певні функції та можуть працювати автономно. Арх-ра М. дає можливість отримати опис віртуал. (уяв., матем.) мікромашини, пред­ставленої своєю системою команд, способами організації та упр. внутр. і зовн. памʼяті, адресації та захисту даних, системою пере­рива­н­ня. Вхідні алгоритм. мови від­ображають у віртуал. машині про­грам. способом. Тому будь-яке зав­да­н­ня машині, виражене на вхід. алгоритм. мові, обовʼязково проходить етап транс­ляції з викори­ста­н­ням компіляторів або інтер­претаторів, якщо вхідна алгоритм. і машин­на мови віртуал. ЕОМ не збігаються. М. не є функціонально закінченим вузлом, його використовують спільно з великими інтеграл. мікросхемами при­строїв, що запамʼятовують інформацію, а також при­строїв уведе­н­ня/виведе­н­ня й регістрів. Загалом ці великі інтеграл. мікросхеми складають мікро­процесор. комплект, для якого обовʼязкове узгодже­н­ня великих інтеграл. мікросхем за тех. характеристиками. Технологія багато­ядерності М. перед­бачає реалізацію на одному кри­сталі декількох обчислюв. ядер. Нині на ринку компʼютер. техніки домінують при­строї з чотири- і восьмиядер. процесорами; їхні виробники заявляють, що незабаром можна буде побачити М. із сотнями обчислюв. ядер. Потенціал багатоядер. архітектури роз­кривається тільки за наявності якіс. про­грам. забезпече­н­ня. Таким чином, сфера виробництва компʼютерів і про­грам. забезпече­н­ня тісно повʼязані між собою. Ви­окремлюють такі етапи проектува­н­ня мікро­процесор. систем: формалізація вимог до системи (скла­да­н­ня зовн. специфікації, ви­значе­н­ня функції системи, формалізація тех. зав­да­н­ня на систему, формулюва­н­ня задуму роз­робника в офіц. документації); роз­робле­н­ня структури й архітектури системи (ви­значе­н­ня функції окремих при­строїв і про­грам. засобів, вибір мікро­процесор. наборів, на базі яких буде реалізована система, зʼя­сува­н­ня взаємодії між апарат. і про­грам. засобами, тимчас. характеристик окремих при­строїв і про­грам); роз­робле­н­ня й виготовле­н­ня апарат. засобів; комплексна від­кладка та ви­пробува­н­ня. У най­ближчі роки корпорація «Intel» має намір випустити процесори, що містять декілька сотень ядер. По­ступово число ядер може зрости до декількох тисяч. Група дослідників Єльського університету (США) в спів­праці з ученими Бельгії, Канади й Австрії спроектувала перший у світі напів­провід­ник. квант. процесор, що здатний виконувати най­простіші алгоритми. Нова мікросхема, що складається з 2-х кубітів, до­зволяє виконувати лише декілька най­простіших операцій. Чіп працює у над­провід. стані, для його функціонува­н­ня необхідна кріоген­на установка. Пере­дачу інформації між квант. станами виконують за допомогою квант. шини. 2016 присуджено Нобелів. премії з хімії за роз­робле­н­ня молекул з керов. рухами та проектува­н­ня на їхній основі молекуляр. машин. Першим кроком до цього було створе­н­ня ланцюга з 2-х кільцевих молекул, повʼязаних вільним мех. звʼязком, — катенана. Щоб мініатюрна машина могла виконувати певні зав­да­н­ня, вона повин­на складатися з частин, що можуть пере­міщатися одна щодо одної. Двоє кілець, що блокуються, виконують цю вимогу. Далі був роз­роблений т. зв. ротаксан, де молекулярне кільце було роз­міщене на тонку молекулярну вісь. При цьому кільце в змозі рухатися уздовж осі. Серед роз­робок на основі ротаксанів — молекуляр. ліфт, мʼязи й компʼютерні чіпи. У дослідниц. під­роз­ділі IBM роз­робляють нову технологію, що перед­бачає обʼєд­на­н­ня традиц. літо­графії й методу самозбира­н­ня структур на основі ДНК. У цьому випадку ДНК — своєрідні «буд. ліси», що забезпечують можливість точного позиціонува­н­ня мікро­скопіч. елементів чіпа, — вуглец. на­­нотрубок, нано­провід­ників і наночасток. Учені під­креслюють, що здатність структур ДНК до самоорганізації є ключовим чин­ником, необхід. для отрима­н­ня мініатюр. мікросхем з високою щільністю компонува­н­ня елементів. Нині новітні чіпи виготовляють з викори­ста­н­ням 45-нанометр. методики. Планується комерціалізація 32-, а потім і 22-нанометр. тех­процесу. Нова технологія до­зволить під­вищити швид­кодію чіпів, одночасно понизивши їхнє енерго­­спожива­н­ня й витрати на виробництво. Перший ней­росинаптич. процесор TrueNorth може стати основою кардинал. змін, що стосуватимуться всьо­го, починаючи від смартфонів і закінчуючи автомобілями-роботами. Окрім цього, такий процесор може стати базою для побудови мас­штаб. ней­рон. мереж, обчислюв. потужність яких на­близиться до здіб­ностей головного мозку людини. До його складу входить 1 млн про­грамованих електрон. нейронів і 256 млн про­грамов. синапсів, здатних забезпечити пере­дава­н­ня сигналів від одного нейрона до ін. Ці елементи організовані в 4096 нейросинаптич. обчислюв. ядер, до складу яких входять обчислюв., комунікац. модулі й памʼять. Ядра, як і різні ділянки головного мозку, здатні працювати паралельно. Така архітектура до­зволяє подолати «вузьке місце» традиц. архітектури процесорів, що не дає можливості одночасно пере­давати ін­струкції та оперативні дані поодинці.

Завантажити статтю