Mikroprocesoru sistēmas

Mikroprocesoru sistēmu izmantošana gandrīz visās elektroierīcēs ir mūsdienu sabiedrības tehniskās infrastruktūras svarīgākā iezīme. Elektrība, rūpniecība, transports, sakaru sistēmas ir ļoti atkarīgas no datorvadības sistēmām. Mikroprocesoru sistēmas ir iestrādātas mērinstrumentos, elektroierīcēs, apgaismes instalācijās utt.

Tas viss elektroinženierim liek pārzināt vismaz mikroprocesoru tehnoloģijas pamatus.

Mikroprocesoru sistēmas ir paredzētas informācijas apstrādes automatizēšanai un dažādu procesu kontrolei.

Jēdziens "mikroprocesoru sistēma" ir ļoti plašs un ietver tādus jēdzienus kā "elektroniskā skaitļošanas iekārta (ECM)", "vadības dators", "dators" un citi.

Mikroprocesoru sistēmā ietilpst Hardware vai angļu valodā — hardware and software (Software) — programmatūra.

Digitālā informācija

Mikroprocesoru sistēma strādā ar digitālo informāciju, kas ir ciparu kodu sērija.

Jebkuras mikroprocesoru sistēmas pamatā ir mikroprocesors, kas var pieņemt tikai binārus skaitļus (kas sastāv no 0 un 1).Bināros skaitļus raksta, izmantojot bināro skaitļu sistēmu. Piemēram, ikdienas dzīvē mēs izmantojam decimālo skaitļu sistēmu, kas izmanto desmit rakstzīmes vai ciparus, lai rakstītu skaitļus, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Attiecīgi binārajā sistēmā ir tikai divi šādi simboli (vai cipari) - 0 un 1.

Ir jāsaprot, ka skaitļu sistēma ir tikai skaitļu rakstīšanas noteikumi, un sistēmas veida izvēli noteiks lietošanas ērtums. Binārās sistēmas izvēle ir saistīta ar tās vienkāršību, kas nozīmē digitālo ierīču uzticamību un to tehniskās ieviešanas vieglumu.

Apsveriet digitālās informācijas mērvienības:

Bitam (no angļu valodas «BInary digiT» — binārais cipars) ir tikai divas vērtības: 0 vai 1. Var iekodēt loģisko vērtību «jā» vai «nē», stāvokli «ieslēgts» vai «izslēgts», stāvokli «. atvērts» «vai» slēgts «utt.

Astoņu bitu grupu sauc par baitu, piemēram, 10010111. Viens baits ļauj iekodēt 256 vērtības: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bits ir mazākā informācijas vienība.

Baits — mazākā informācijas apstrādes vienība. Baits - mašīnvārda daļa, kas parasti sastāv no 8 bitiem un tiek izmantota kā informācijas apjoma vienība tās glabāšanas, pārsūtīšanas un apstrādes laikā datorā. Baits kalpo, lai attēlotu burtus, zilbes un speciālās rakstzīmes (parasti aizņem visus 8 bitus) vai decimālciparus (katrs 2 cipari 1 baitā).

Divus blakus esošos baitus sauc par vārdu, 4 baitus par dubultvārdu, 8 baitus par četrvārdu.

Gandrīz visa informācija, kas mūs ieskauj, ir analoga. Tāpēc, pirms informācija nonāk procesorā apstrādei, tā tiek pārveidota, izmantojot ADC (analog-to-digital converter).Turklāt informācija tiek kodēta noteiktā formātā un var būt digitāla, loģiska, tekstuāla (simboliska), grafiska, video utt.

Piemēram, teksta informācijas kodēšanai tiek izmantota ASCII kodu tabula (no angļu valodas American Standard Code for Information Interchange). Viena rakstzīme ir ierakstīta vienā baitā, kas var aizņemt 256 vērtības. Grafiskā informācija ir sadalīta punktos (pikseļos), un katra punkta krāsa un pozīcija tiek kodēta horizontāli un vertikāli.

Papildus binārajām un decimālajām sistēmām MS izmanto heksadecimālo sistēmu, kurā skaitļu rakstīšanai tiek izmantoti simboli 0 ... 9 un A ... F. Tās izmantošana ir saistīta ar to, ka vienu baitu apraksta ar divi. -ciparu heksadecimālais skaitlis, kas ievērojami samazina ciparu koda ierakstīšanu un padara to lasāmāku (11111111 — FF).

1. tabula — Ciparu rakstīšana dažādās skaitļu sistēmās

Lai noteiktu skaitļa vērtību (piemēram, skaitļa 100 vērtība dažādām skaitļu sistēmām var būt 42, 10010, 25616), skaitļa beigās pievienojiet latīņu burtu, kas norāda skaitļu sistēmu: binārajiem cipariem burts b, heksadecimālajiem skaitļiem — h , decimālskaitļiem — d. Skaitlis bez papildu apzīmējuma tiek uzskatīts par decimāldaļu.

Skaitļu konvertēšana no vienas sistēmas uz otru un pamata aritmētiskās un loģiskās darbības ar skaitļiem ļauj izveidot inženierijas kalkulatoru (Windows operētājsistēmas standarta lietojumprogramma).

Mikroprocesoru sistēmas uzbūve

Mikroprocesoru sistēmas pamatā ir mikroprocesors (procesors), kas veic informācijas apstrādes un kontroles funkcijas. Pārējās ierīces, kas veido mikroprocesoru sistēmu, kalpo procesoram, palīdzot tam darboties.

Obligātās ierīces mikroprocesoru sistēmas izveidošanai ir ievades/izvades pieslēgvietas un daļēji atmiņa... Ievades - izejas porti savieno procesoru ar ārpasauli, nodrošinot informāciju apstrādes vai kontroles darbību rezultātu apstrādei un izvadīšanai. Ieejas portiem ir pievienotas pogas (tastatūra), dažādi sensori; uz izejas portiem — ierīces, kas ļauj vadīt elektrisko vadību: indikatori, displeji, kontaktori, solenoīda vārsti, elektromotori u.c.

Atmiņa galvenokārt ir nepieciešama, lai saglabātu programmu (vai programmu kopu), kas nepieciešama procesora darbībai. Programma ir komandu secība, ko procesors saprot un ko rakstījis cilvēks (parasti programmētājs).

Mikroprocesoru sistēmas struktūra ir parādīta 1. attēlā. Vienkāršotā veidā procesors sastāv no aritmētiskās loģiskās vienības (ALU), kas apstrādā digitālo informāciju, un vadības bloka (CU).

Atmiņa parasti ietver lasāmatmiņu (ROM), kas ir nemainīga un paredzēta ilgstošai informācijas (piemēram, programmu) glabāšanai, un brīvpiekļuves atmiņu (RAM), kas paredzēta pagaidu datu glabāšanai.

1. attēls. Mikroprocesoru sistēmas struktūra

Procesors, porti un atmiņa sazinās savā starpā, izmantojot kopnes. Kopne ir funkcionāli apvienotu vadu kopums. Vienu sistēmas kopņu kopu sauc par iekšējās sistēmas kopni, kurā ir:

• DB datu kopne (Data Bus), caur kuru notiek datu apmaiņa starp procesoru, atmiņu un portiem;

• adrešu kopne AB (Address Bus), ko izmanto procesora atmiņas šūnu un portu adresēšanai;

• vadības kopne CB (Control Bus), līniju kopums, kas pārraida dažādus vadības signālus no procesora uz ārējām ierīcēm un otrādi.

Mikroprocesori

Mikroprocesors - programmatūras vadīta ierīce, kas paredzēta digitālās informācijas apstrādei un šīs apstrādes procesa vadīšanai, kas izgatavota vienas (vai vairāku) integrālo shēmu veidā ar augstu elektronisko elementu integrācijas pakāpi.

Mikroprocesoram ir raksturīgs liels parametru skaits, jo tas ir gan sarežģīta programmatūras vadīta ierīce, gan elektroniska ierīce (mikroshēma). Tāpēc mikroprocesoram gan korpusa tips, gan procesora instrukciju kopa... Mikroprocesora iespējas nosaka mikroprocesora arhitektūras jēdziens.

Prefikss «micro» procesora nosaukumā nozīmē, ka tas ir realizēts, izmantojot mikronu tehnoloģiju.

2. attēls — Intel Pentium 4 mikroprocesora ārējais skats

Darbības laikā mikroprocesors nolasa programmas komandas no atmiņas vai ievades porta un izpilda tās. Ko nozīmē katra komanda, nosaka procesora instrukciju kopa.Instrukciju kopa ir iebūvēta mikroprocesora arhitektūrā, un komandas koda izpilde tiek izteikta noteiktu mikrooperāciju izpildē ar procesora iekšējo elementu palīdzību.

Mikroprocesora arhitektūra — tā ir tā loģiskā organizācija; tas nosaka mikroprocesora iespējas mikroprocesoru sistēmas izveidošanai nepieciešamo funkciju aparatūras un programmatūras ieviešanas ziņā.

Galvenās mikroprocesoru īpašības:

1) Pulksteņa frekvence (mērvienība MHz vai GHz) — pulksteņa impulsu skaits 1 sekundē.Pulksteņa impulsus ģenerē pulksteņa ģenerators, kas parasti atrodas procesora iekšpusē. Tā kā visas darbības (instrukcijas) tiek veiktas pulksteņa ciklos, tad darba izpilde (laika vienībā veikto darbību skaits) ir atkarīga no pulksteņa frekvences. Procesora frekvence var atšķirties noteiktās robežās.

2) Bitu procesors (8, 16, 32, 64 biti utt.) — norāda vienā pulksteņa ciklā apstrādāto datu baitu skaitu. Procesora bitu platumu nosaka tā iekšējo reģistru bitu platums. Procesors var būt 8 bitu, 16 bitu, 32 bitu, 64 bitu utt., ti. dati tiek apstrādāti 1, 2, 4, 8 baitu gabalos. Ir skaidrs, ka jo lielāks bitu dziļums, jo augstāka ir darba produktivitāte.

Mikroprocesora iekšējā arhitektūra

Tipiska 8 bitu mikroprocesora vienkāršota iekšējā arhitektūra ir parādīta 3. attēlā. Mikroprocesora struktūru var iedalīt trīs galvenajās daļās:

1) reģistri komandu, datu un adrešu pagaidu glabāšanai;

2) Aritmētiskā loģiskā vienība (ALU), kas veic aritmētiskās un loģiskās darbības;

3) Vadības un laika shēma — nodrošina komandu izvēli, organizē ALU darbību, nodrošina piekļuvi visiem mikroprocesoru reģistriem, uztver un ģenerē ārējos vadības signālus.

3. attēls. 8 bitu mikroprocesora vienkāršota iekšējā arhitektūra

Kā redzams diagrammā, procesora pamatā ir reģistri, kas tiek iedalīti speciālajos (ar noteiktu mērķi) un vispārējas nozīmes reģistros.

Programmu skaitītājs (dators) — reģistrs, kurā ir nākamā komandas baita adrese. Procesoram ir jāzina, kura komanda tiks izpildīta nākamā.

Akumulators — reģistrs, ko izmanto lielākajā daļā loģikas un aritmētiskās apstrādes instrukciju; tas ir gan viena no datu baitiem avots, kas nepieciešams ALU darbībai, gan vieta, kur tiek ievietots ALU darbības rezultāts.

Funkciju reģistrā (vai karogu reģistrā) ir informācija par mikroprocesora iekšējo stāvokli, īpaši pēdējās ALU darbības rezultātu. Karogu reģistrs nav reģistrs parastajā izpratnē, bet vienkārši flip flops kopums (karogs uz augšu vai uz leju. Parasti ir nulles, pārpildes, negatīvie un pārnēsāšanas karodziņi).

Stack Pointer (SP) — seko līdzi kaudzes pozīcijai, tas ir, tajā ir tās pēdējās izmantotās šūnas adrese. Stack — veids, kā organizēt datu glabāšanu.

Komandu reģistrā ir pašreizējās komandas baits, ko dekodē komandu dekodētājs.

Ārējās kopnes līnijas ir izolētas no iekšējām kopņu līnijām ar buferiem, un galvenie iekšējie elementi ir savienoti ar ātrgaitas iekšējo datu kopni.

Lai uzlabotu daudzprocesoru sistēmas veiktspēju, centrālā procesora funkcijas var sadalīt starp vairākiem procesoriem. Lai palīdzētu centrālajam procesoram, dators bieži ievieš kopprocesorus, kas ir vērsti uz jebkuru konkrētu funkciju efektīvu izpildi. Plaši izplatīti matemātiskie un grafiskie kopprocesori, ievade un izvade, kas atslogo centrālo procesoru no vienkāršām, bet daudzām mijiedarbības darbībām ar ārējām ierīcēm.

Pašreizējā posmā galvenais produktivitātes kāpināšanas virziens ir daudzkodolu procesoru attīstība, t.i. divu vai vairāku procesoru apvienošana vienā gadījumā, lai veiktu vairākas darbības paralēli (vienlaicīgi).

Intel un AMD ir vadošie procesoru projektēšanas un ražošanas uzņēmumi.

Mikroprocesoru sistēmas algoritms

Algoritms - precīzs priekšraksts, kas unikāli nosaka sākotnējās informācijas pārveidošanas procesu darbību secībā, kas ļauj atrisināt noteiktas klases uzdevumu kopumu un iegūt vēlamo rezultātu.

Visas mikroprocesoru sistēmas galvenais vadības elements ir procesors... Tas, izņemot dažus īpašus gadījumus, kontrolē visas pārējās ierīces. Pārējās ierīces, piemēram, RAM, ROM un I / O porti, ir pakārtoti.

Tiklīdz tas ir ieslēgts, procesors sāk nolasīt digitālos kodus no atmiņas apgabala, kas ir rezervēts programmu glabāšanai. Lasīšana tiek veikta secīgi pa šūnai, sākot no pašas pirmās. Šūnā ir dati, adreses un komandas. Instrukcija ir viena no elementārajām darbībām, ko var veikt mikroprocesors. Viss mikroprocesora darbs tiek samazināts līdz secīgai komandu lasīšanai un izpildei.

Apsveriet mikroprocesora darbību secību programmas komandu izpildes laikā:

1) Pirms nākamās instrukcijas izpildes mikroprocesors saglabā savu adresi datorprogrammu skaitītājā.

2) MP piekļūst atmiņai pēc adreses, kas atrodas datorā, un nolasa no atmiņas nākamās komandas pirmo baitu komandu reģistrā.

3) Komandu dekodētājs atkodē (atšifrē) komandas kodu.

4) Saskaņā ar informāciju, kas saņemta no dekodētāja, vadības bloks ģenerē noteiktā laikā sakārtotu mikrooperāciju secību, kas izpilda komandas norādījumus, tostarp:

— izgūst operandus no reģistriem un atmiņas;

— veic aritmētiskās, loģiskās vai citas darbības, ko nosaka komandas kods;

— atkarībā no komandas garuma maina datora saturu;

— nodod vadību nākamajai komandai, kuras adrese atkal ir datorprogrammu skaitītājā.

Mikroprocesora instrukciju komplektu var iedalīt trīs grupās:

1) komandas datu pārvietošanai

Pārsūtīšana notiek starp atmiņu, procesoru, I / O portiem (katram portam ir sava adrese), starp procesora reģistriem.

2) Datu transformācijas komandas

Visi dati (teksts, attēls, video utt.) ir skaitļi, un ar skaitļiem var veikt tikai aritmētiskās un loģiskās darbības. Tāpēc šīs grupas komandas ietver saskaitīšanu, atņemšanu, salīdzināšanu, loģiskās darbības utt.

3) Vadības komandas nodošana

Ļoti reti ir gadījumi, kad programma sastāv no vienas secīgas instrukcijas. Lielākajai daļai algoritmu ir nepieciešama programmas sazarošana. Lai programma atkarībā no apstākļiem mainītu sava darba algoritmu, tiek izmantotas vadības pārsūtīšanas komandas. Šīs komandas nodrošina programmas izpildes plūsmu pa dažādiem ceļiem un organizē cilpas.

Ārējās ierīces

Ārējās ierīces ietver visas ierīces, kas atrodas ārpus procesora (izņemot RAM) un ir savienotas ar I/O portiem. Ārējās ierīces var iedalīt trīs grupās:

1) cilvēka-datora sakaru ierīces (tastatūra, monitors, printeris u.c.);

2) ierīces saziņai ar vadības objektiem (sensori, izpildmehānismi, ADC un DAC);

3) ārējās atmiņas ierīces ar lielu ietilpību (cietais disks, disketes).

Ārējās ierīces ir savienotas ar mikroprocesoru sistēmu fiziski — caur savienotājiem un loģiski — caur portiem (kontrolleriem).

Pārtraukšanas sistēma (mehānisms) tiek izmantota saskarnei starp procesoru un ārējām ierīcēm.

Pārtraukšanas sistēma

Šis ir īpašs mehānisms, kas ļauj jebkurā laikā, izmantojot ārēju signālu, piespiest procesoru apturēt galvenās programmas izpildi, veikt darbības, kas saistītas ar notikumu, kas izraisīja pārtraukumu, un pēc tam atgriezties pie galvenās programmas izpildes. .

Katram mikroprocesoram ir vismaz viena pārtraukuma pieprasījuma ieeja INT (no vārda Interrupt).

Apskatīsim piemēru personālā datora procesora mijiedarbībai ar tastatūru (4. attēls).

Tastatūra — ierīce simboliskas informācijas un vadības komandu ievadīšanai. Lai pievienotu tastatūru, datoram ir īpašs tastatūras ports (mikroshēma).

4. attēls — CPU darbība ar tastatūru

Darba algoritms:

1) Nospiežot taustiņu, tastatūras kontrolleris ģenerē ciparu kodu. Šis signāls nonāk tastatūras porta mikroshēmā.

2) Tastatūras ports nosūta pārtraukuma signālu centrālajam procesoram. Katrai ārējai ierīcei ir savs pārtraukuma numurs, pēc kura procesors to atpazīst.

3) Saņemot pārtraukumu no tastatūras, procesors pārtrauc programmas izpildi (piemēram, Microsoft Office Word redaktors) un ielādē programmu tastatūras kodu apstrādei no atmiņas. Šādu programmu sauc par draiveri.

4) Šī programma virza procesoru uz tastatūras portu, un ciparu kods tiek ielādēts procesora reģistrā.

5) Ciparu kods tiek saglabāts atmiņā un procesors turpina veikt citu uzdevumu.

Pateicoties lielajam darbības ātrumam, procesors vienlaikus izpilda lielu skaitu procesu.