Внутреннее устройство МК. Сделать свой собственный МК

[YS]

Тем не менее в институтах изучают структуру, принципы работы и даже принципиальные схемы всех частей процессора.

Да я и сам изучал устройство процессора. И могу заявить, что изучаемое - радикально упрощенные демонстрации.

То, что нарисовано по ссылке - примитивное четырехбитное АЛУ, причем для целых чисел. И уже выглядит достаточно забористо. А в настоящих процессорах есть такие занятные вещи, как (многоуровневый) конвеер, система предсказания ветвлений, FPU и еще множество вспомогательных блоков вроде декодеров микрокода, модулей SSE, SIMD, MMX и прочих.

[Rokl]

и ещё одна мысль на рассмотрение, по логике самого МК, как я понимаю процессор умеет лишь перемножать цифры (в которые преобразованны данные) в соответствии с другой таблицей цыфр (программа, ведь по итогу как я понимаю она становится тоже цыифрами) на основании некой математической модели. потом при помощи соседних модулей переводит цифры в нужные нам сигналы на ножках.
ЗЫ: МК очень интересная тема

Процессор, как и МК, имеет обычное АЛУ, которое может только складывать, сдвигать и инвертировать результат. Этих 3х функций достаточно для всех матиматических действий.
Процессор вам не сделать ни за что. Для этого нужно пять лет в институте учиться, а не штаны на лекциях протирать, или вместо лекций пиво в баре потягивать...

как собраны логические элементы и тригеры на транзисторах это я немного знаю. читал. а вот как МК на этих логических элементах собран. в интернете нигде не видел. видимо коммерческая тайна производителей. а так хотелось бы узнать. вам наверное тоже? Я вот думаю. 32 регистра по 8 бит. Это что получается к АЛУ идет 256 проводков? И из него же выходит эти 256?

Никакой тайны нет, нужны занания, знания и ещё раз знания по логике, математике, кибернетике и т.д. А вы даже не знаете, что проц имеет 3 шины...шину данных, шину адреса и шину управления. А уж про разные архитектуры процессоров похоже вы и не слыхали. А ведь обычный проц и МК имеют разные архитектуры. Гарвардскую (МК) и фоннеймановскую (процессоры). Хотя бы почитайте, чем они отличаются, что бы не выглядеть столь неуклюже при постановке таких умных вопросов.

[mixon46]

про три шины я знаю. А вот архитектуры какие. Ну читал, толком не понял

[petrenko]

...Процессор, как и МК, имеет обычное АЛУ, которое может только* складывать, сдвигать и инвертировать результат. Этих 3х функций достаточно для всех матиматических действий....
... А ведь обычный проц и МК имеют разные** архитектуры. Гарвардскую (МК) и фоннеймановскую (процессоры). Хотя бы почитайте, чем они отличаются, что бы не выглядеть столь неуклюже при постановке таких умных вопросов.

Колеега "Rokl" , возможно мы сейчас ещё больше запутаем новичка, но не могу не уточнить следуещее :
*_Не во всех процессорах и мк столь простое АЛУ - некоторые АЛУ аппаратно за один такт выполняют MUL и даже DIV . C этим невозможно не согласиться, так ведь ? Более того существуют мк у которых несколько АЛУ (8шт. например),способных вычислять 80-битовые числа с плавающей точкой.
**_Вовсе нет чёткого деления на Гарвард и Принстон (это недавно на дружественном форуме обсуждали)
Ну вот возьмём и задействуем сигнал M1 у Z80 или наоборот возьмём и в MCS-51 объединим память кода и данных - и - о ужас - он сможет простым MOVX изменить собственный исполняемый код.

Впрочем новичкам об этом, пожалуй и вправду лучше до поры не задумываться, а то запутаются совершенно.

[Panda_Y2K]

Да я и сам изучал устройство процессора. И могу заявить, что изучаемое - радикально упрощенные демонстрации.

Да, с этим нельзя не согласиться.

[YS]

Вообще, я бы сказал, изучать принципиальную схему процессора бессмысленно - она слишком сложна для человеческого понимания. Да-да, даже те кто пишут эти самые процессоры на HDL, ниасилят ее. Для того HDL и придумали.

Процессор состоит из множества стандартных блоков. Надо понимать как работают простейшие ячейки и как они в целом располагаются, большего и не требуется.

Можно покурить исходные коды на VHDL каких-нибудь открытых процессоров для ПЛИС, станет понятнее.

[petrenko]

Не "ниасилят", а "не осилят". Зачем коверкать великий русский язык, даже и в издевательских целях, даже если это и не родной язык.

И ничего недоступного здоровому человеческому пониманию нет в схемах процессоров.

Изучали студенты принципиальные схемы процессоров и ничего - нынче они инженеры или даже лучше и вполне живы и здоровы.
А ведь до того, как студентам изучать эти самые процессоры кто то проектировал и HDL тогда ещё не было ! И тоже всё в порядке у тех проектировщиков.
Не знаю, может виновато загрязнение от Чернобыля или химические загрязнения или ещё что, но у молодёжи снижается и снижается работоспособность головного мозга. Хотя вот во времена Александра Сергеевича загрязнений не было, но строчки то по смыслу тоже о сравнении поколений : "Да, были люди в наше время, не то, что нынешнее племя.. " Может естественный отбор всё таки происходит и всё будет в популяции Сапиенсов не так уж и плохо в перспективе ?

Но новичку действительно не надо сразу нырять в шквал информации, а надо начать с блок-схем и по кусочкам изучать устройство отдельных частей - как регистры строятся из триггеров, как мултиплексоры выбирают регистр-источник данных для выдачи на локальную шину, как устроен сумматор с переносом в составе АЛУ и т.д. постепенно, " с чувством, с тактом, с расстановкой", так сказать.

[Enman]

В КБ по проектированию вычислительных средств была узкая специализация у сотрудников, например, в группе по ЦП кто-то занимался только тактовым генератором, кто-то только арифметикой, кто-то прерыванием, кто-то командами перехода и т.д. Ведущий инженер на бумажке запросто делил 32х разрядные числа с первого раза без ошибки... Я один раз попробовал и мне хватило удовольствия, пусть всё же это делает процессор...
Скажем, что сложного было не много, ведь это цифра - всё должно быть разложено очень чётко, вопрос только в объёме этих мелочей.

[YS]

|Не "ниасилят", а "не осилят". Зачем коверкать великий русский язык

Я не хуже Вашего знаю русское правописание. И да, русский язык для меня родной. А подобная альтернативная орфография называется "орфоарт" и служит для оживления письменной речи и придания ей своеобразного колорита. Следует отметить, что искажения, вносимые в таком случае, отличаются от естесственных ошибок.

И ничего недоступного здоровому человеческому пониманию нет в схемах процессоров.

В современном процессоре порядка 100 млн. транзистров. Так что схему просто не нарисовать - элементарно не хватит бумаги. И за одну жизнь ее не прочесть.

А ведь до того, как студентам изучать эти самые процессоры кто то проектировал и HDL тогда ещё не было !

Тогда и процессоры были в разы проще.

Хотя вот во времена Александра Сергеевича загрязнений не было, но строчки то по смыслу тоже о сравнении поколений

То же самое говорили и мужи древней Греции.

[petrenko]

Я не хуже Вашего знаю**** русское правописание. И да, русский язык для меня родной. А подобная альтернативная орфография называется "орфоарт" и служит для оживления** письменной речи и придания ей своеобразного колорита***. Следует отметить, что искажения, вносимые в таком случае, отличаются от естесственных ошибок.
....

А ведь до того, как студентам изучать эти самые процессоры кто то проектировал и HDL тогда ещё не было !

Тогда и процессоры были в разы проще****.

.... во времена Александра Сергеевича .... строчки то по смыслу тоже о сравнении поколений

То же самое говорили и мужи древней Греции****.

*_А я знаю, что Вы знаете, я уже заметил, кто на этом форуме грамотный, а кто не очень. Так тем более зачем Вам этот "афроарт"?

**_И вовсе не оживляет, а омертвляет, подобно пропиленгликолю в "женских" кремах - делает внешний вид кожи гладким, но омертвляет сотню - другую слоёв клеток.
***_"Колорит", как в стенограмме допроса гопников, зачем умным русским парням такой "колорит"?
Зато теперь я знаю, как называется стиль в котором оказывается текст записанный со слов гопников - это "орфоарт".
"Поскольку начальство дало указание показания допрашиваемого записывать дословно, протокол оказался в стиле "орфоарт."
Я Вас (и других нормальных молодых людей) могу только просить - пожалуйста, старайтесь обходиться без такого "арт-жаргона".

****_А с этим согласен. Да даже и в древнем Египте тоже. И, да, процессоры были несколько проще.

Хотя в нынешние (допустим) 100млн. транзисторов заметный вклад вносит статическая память с тэгами сравнения - если там (допустим) 1МегаБайт, то это по 6 транзисторов на ячейку = займёт 48млн. транзисторов. И человеческому пониманию вполне под силу осознать, как устроена одна ячейка, и как устроен дешифратор адреса. Остаётся помучаться с оставшимися 50млн. транзисторов, но и там много легко-понимаемых регулярных структур.
Во всяком случае процессор c 29тыс. транзисторов инженерами был осознан и переделан даже ещё в лучший вариант("was a reverse-engineered version"). И вроде бы HDL ещё не было, так ведь ? И настолько ли схема i586 сложнее i8086 ,чтоб быть ну совершенно недоступной пониманию ? Бумаги, конечно надо много, чтоб всю схему напечатать, но можно же на девяти огромных дисплеях огромного разрешения просматривать со "скроллингами", если задаться такой целью, конечно. Сейчас почти никто не будет так делать не потому что невозможно понять и разобраться, а по той простой причине, что даже и разобравшись в схеме, не будет технологической возможности её ни повторить, ни переделать в модифицированный вариант - компаний, обладающих техпроцессами для получения современной степени интеграции(уже более миллиарда транзисторов бывает), всего раз-два-обчёлся, как говорится.

[YS]

И человеческому пониманию вполне под силу осознать, как устроена одна ячейка, и как устроен дешифратор адреса. Остаётся помучаться с оставшимися 50млн. транзисторов, но и там много легко-понимаемых регулярных структур.

Так об этом и речь. Полная схема процессора дико сложна. И ее реально невозможно понять. Но этого и не требуется. Таки да, процессор состоит из повторяющихся блоков. Поэтому достаточно понять, как работает один типовой блок и из каких соображений они соединяются в полную структуру.

процессор c 29тыс. транзисторов инженерами был осознан и переделан

29 тыс. это даже не миллион. И реверсил этот кристалл не один человек и не один месяц.

в древнем Египте ... процессоры были несколько проще

Да, в древнем Египте процессоры и правда были попроще.

#pragma offtopic

И вовсе не оживляет, а омертвляет, подобно пропиленгликолю в "женских" кремах

Видимо, у нас с Вами разные понятия о живом слове. Это нормально. Все люди чем-то различаются. Я вот, например, считаю, что ирония - это хорошо. А орфоарт есть ничто иное, как языковая ирония.

"Колорит", как в стенограмме допроса гопников

Гопостайл значительно отличается от йезыга падонкаф, элементы которого я использую как средства стилистической выразительности. К слову, упомянутый диалект интеллектуальных большинств тоже не обойден моим вниманием, иногда я прибегаю и к нему.

Я уже отмечал, что орфоарт есть не ошибочное написание, но переосмысление традиционных правил выражения звуков в символах. И если человек не знает правил, то и красиво нарушать их у него тоже не получится. Применение же нестандартных конструкций позволяет разбить устоявшийся паттерн перцепции символьного ряда, что оживляет внимание, неизбежно ослабевающее по мере чтения.

[Bear2011]

Для начала можете посмотреть схему процессора М2 Не микропроцессора а именно процессора - он был собран на трех БИС: АЛУ, ПЗУ микрокоманд и ОЗУ. Ну или просто схему "Электроника 60"

[petrenko]

.....
Гопостайл значительно отличается от йезыга падонкаф, элементы которого я использую как средства стилистической выразительности. К слову, упомянутый диалект интеллектуальных большинств тоже не обойден моим вниманием, иногда я прибегаю и к нему.
.....
Я уже отмечал, что орфоарт есть не ошибочное написание, но переосмысление традиционных правил выражения звуков в символах. И если человек не знает правил, то и красиво нарушать их у него тоже не получится. Применение же нестандартных конструкций позволяет разбить устоявшийся паттерн перцепции* символьного ряда, что оживляет внимание, неизбежно ослабевающее по мере чтения.

паттерн перцепции* _Вот этакий колорит куда лучше и веселее.
+1 !

to : "Bear2011" Да, это вариант. А где бы ещё эту схему взять, я бы и сам взглянуть не прочь.

[Panda_Y2K]

Вот тут народ проц вобще на транзисторах собрал, у них и схемка есть точно
вот страничка http://www.6502.org/users/dieter/ тактовая 500кгц, процессор 16 битный, примерно 3000 транзисторов.

[KirkExt]

тоесть за обратный отсчет надо успеть написать как работает процесор? гавно уц вас скрипты на форуме !!!!!!!!!!!!!!!!!

я 25 минут писал или более подбирая чтоб все понятно.

[KirkExt]

AT89C51-24JC PLCC44.pdf схема оттуда



acc аккамулятор
b register скоре всего блок регистров
stack pointer указатель стека
program address register адрес програм
buffer некие ворота
pc incrementer ++ для счетчика програм
tmp2 операнд 1
tmp1 операнд 2
alu твои монстры
psw флаги (0, переполнен, знак,...)
instrtuction register здесь хранится текушая команда

все соединяются линией - шиной - 4,8,16,24,32,64,128 бит. 8- в названии процесора - 8 бит.
на эту же кучу (8) проводов выходят флешка, память и порты.


шаг 0- выбрать источником флешку. Она начинает выводить на эти 8 проводов.
шаг 1 Приемник регистр команд. (155тм7). Шолкнуть его по С чтоб запомнил что там на шине.
дешифратор (155ид1) который берет с него оживает выберая чтото там
Пусть выбрал команду прибавить к А байт и суматор. Но суматор ешо не активен так как шаг не его.

шаг 2 - инкремент адресного регистра. (импуль на счотный тригер)

шаг 3- Выбераем память как источник. (там следуший за командой байт). Он окажется на шине.
шаг 4 - читаем в ТМП2 с шины.
Одновремено читаем из АСС в ТМП1 (а чтоб быстрее)

шаг5 - инкремент адреса

шаг 6 - питание на схему суматора. так как он выбран и шаг его.
его выход вылетае на шину.

шаг 7 - запоминаем в регистре АСС. (шолкнуть его по ножке С)

следуюшая команда.

Одна шина используется и для транспортировки команды и для данных.

Чтоб вешать устройства на одну шину - открытый колектор. Нет резистора тянушего к +.
Поэтому или (-) или нечего. Много можно так навешать. Выбор такого входа - шина питания.
Если ее не питать - минус не вылезет.

входы - элементы И.
Если устройство памяти - у него есть сигнал "запомнить". Тем по барабану что
на шине творится пока их не окликнули. Тм2 - вход D на шине висит. А по С он ждет сигнал "запомнить".

4-разряда - 4 тригера на регистр. , 4 провода их всех смоединяют. И из всех регистров (с выходов Q) через
повторитель с открытым колектором на эту же шину. Тоже самое что микросхема памяти с входом и выходом на одной ножке. (так проше всего и слепить свой цпк, и програма и память и регистры в ней одной.)


Суматор, вычитание, сравнение. - схемы АЛУ. Выполняют действия с регистрыми ТМП1 и 2. Выводит результат на шину.
(когда их спросят конечно)

Сравнение сохраняет результат в регистре флагов.
==0 ==ff &80 &1 чтото там ешо
Впрочем не только сравнение. Но и ++ -- ...

Для перехода надо сравнить регистр флагов (например 0) и если да тогда прыгать-
грузить в адрес (program address register) чтото из памяти. или складывать (вычитать) из него байт из памяти.
Выбрать ячейку как источник. На шине ее содержимое.
* выбрать регистр адреса. Тогда процесор прыгнет кудато по окончанию операции.
* сложить с ним (или вычесть если есть знак) и тогда прыгнуть - запомнив его на регистре шинфы адреса - те што наружу выходят из процесора..

ПИСАТЬ МНОГО И ПОДРОБНО ВТОРОЙ РЗ НЕ БУДУ.

Да понять как работает процесор не под силу простым смертным. А уж мобильники то японское колдовство. Так держать хлопцы разбойнки. И как вы буран запустили с таким отношением !

Модель подобной штуки можно слепить в "эвб" (quic). Только там памяти нет.
Я развлекался делая на гинераторах. Считал импульсы - полубайт. (Навроде полураспада).
Но больно медлено. Можно сллепить полубайты 0..F и пихать их в ПЗУ. Но на экране не помешается.
Можно и2с... Но тоже гадость.

Дешифраторы слепить, регистры. Все работает но ох как медлено.
Если всерьез надо - пиши свой - только логика. Много быстрее. Могу сбросить исходники.

Но лудше железо. 155 серия. 176. Тактируй от кнопки (через тригер шмидта и резистор, чтоб дребезга контактов небыло). Светодиоды или ... Ну можно к лпт подключить чтоб помучать быстрее.

Чтоб быстрее современых-
Или делать свои микросхемы. Ну раз ... верят что только в сша, пусть верят.
Или камешки низкоинтегральные но обвязка у них хитрая. Это и амстрем может выпускать. Но тоже наверно верят что
только на западе

Хочеш более детально (прям схему) - после 15-го напиши. Тоска накатит мож и соберу заночь в эвб или квике. пришлю.
У меня задачка гаже - как на себе по болоту аргон доташить, 40 литров ну это мысли о лете.

[Panda_Y2K]

Перечитал еще раз тему и захотелось добавить к вопросу о подъемности схем процессоров
i4004 - 4х битный процессор 2300 транзисторов
i4040 - 3000
i8080 - 6000
Z80 - 8500
i80286 - 134000
i80386 - 275000
pentium pro 5.5млн
Первые процессоры вполне можно осознать , с учетом того, что все таки конструкторы оперируют не отдельными транзисторами а логическими элементами состоящими из 20-1000 транзисторов, то все выглядит не так уныло, да и современники конструируя свои CPU не используют слишком сложных схем.

[Ariadna-on-Line]

Цифровой процессор, - начинается с обыкновенных счётчиков с предустановкой. Потом - логический автомат (ЛА). Это в общем - микросхема ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), в которое на заводе заносится сама программа работы процессора. И в которой бывало оказывались ошибки. Ну и всякие триггеры, т.е. устройства с двумя устойчивыми состояниями. Тактовый генератор молотит, счетчики считают, их выходы идут наружу - это есть адресная шина процессора, и наверное одновременно и на входы ЛА. Еще какое-то количество входов ЛА "ждут" своей комбинации состояний. Это называют шиной данных. А вот куда выходы ЛА подключены внутри и снаружи процессора, это и есть система команд процессора. Может быть к входу предустановки счётчиков. Это будет комманда "jmp". Начните с малого. Задайтесь 4-разрядной шиной данных, 8-разрядной шиной адреса. Ну и там 16 комманд для процессора. А вот комманды ваша фантазия подскажет. Я сам никогда не задавался таким вопросом, ввиду полного отсутствия фантазии :>(((

[Rokl]

Перечитал еще раз тему и захотелось добавить к вопросу о подъемности схем процессоров
i4004 - 4х битный процессор 2300 транзисторов
i4040 - 3000
i8080 - 6000
Z80 - 8500...

Z80 тоже 4 битный процессор (имеет 4 битное АЛУ), который используется до сих пор.

[КРАМ]

Z80 тоже 4 битный процессор (имеет 4 битное АЛУ), который используется до сих пор.

Это с какого перепуга?
Zilog Z80 - ВОСЬМИРАЗРЯДНЫЙ микропроцессор.
Отличается от Intel 8080 архитектурой. Прямой его конкурент.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Zilog_Z80