Mikroprocesorové systémy

Využitie mikroprocesorových systémov takmer vo všetkých elektrických zariadeniach je najdôležitejšou črtou technickej infraštruktúry modernej spoločnosti. Elektrina, priemysel, doprava, komunikačné systémy sú vysoko závislé od počítačových riadiacich systémov. Mikroprocesorové systémy sú zabudované v meracích prístrojoch, elektrických zariadeniach, osvetľovacích inštaláciách atď.

To všetko zaväzuje elektrotechnika poznať aspoň základy mikroprocesorovej techniky.

Mikroprocesorové systémy sú určené na automatizáciu spracovania informácií a riadenie rôznych procesov.

Pojem "mikroprocesorový systém" je veľmi široký a zahŕňa také pojmy ako "elektronický výpočtový stroj (ECM)", "riadiaci počítač", "počítač" a iné.

Mikroprocesorový systém zahŕňa hardvér alebo v angličtine – hardvér a softvér (Software) – softvér.

Digitálne informácie

Mikroprocesorový systém pracuje s digitálnymi informáciami, ktoré sú radom číselných kódov.

Jadrom každého mikroprocesorového systému je mikroprocesor, ktorý dokáže akceptovať iba binárne čísla (zložené z 0 a 1).Binárne čísla sa zapisujú pomocou binárneho číselného systému. Napríklad v každodennom živote používame systém desiatkových čísel, ktorý používa desať znakov alebo číslic na písanie čísel, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Preto v binárnom systéme existujú iba dva takéto symboly (alebo číslice) - 0 a 1.

Je potrebné pochopiť, že číselný systém je iba pravidlami pre písanie čísel a výber typu systému bude určený jednoduchosťou použitia. Výber binárneho systému je spôsobený jeho jednoduchosťou, čo znamená spoľahlivosť digitálnych zariadení a jednoduchosť ich technickej implementácie.

Zvážte jednotky merania digitálnych informácií:

Bit (z anglického «Binary digiT» — binárna číslica) má iba dve hodnoty: 0 alebo 1. Môžete zakódovať logickú hodnotu «áno» alebo «nie», stav «zapnuté» alebo «vypnuté», stav « otvorené» «alebo» zatvorené «atď.

Skupina ôsmich bitov sa nazýva bajt, napríklad 10010111. Jeden bajt umožňuje zakódovať 256 hodnôt: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bit je najmenšia jednotka informácie.

Bajt — najmenšia jednotka spracovania informácií. Bajt - časť strojového slova, zvyčajne pozostávajúca z 8 bitov a používaná ako jednotka pre množstvo informácií pri ich ukladaní, prenose a spracovaní v počítači. Bajt slúži na reprezentáciu písmen, slabík a špeciálnych znakov (zvyčajne zaberá všetkých 8 bitov) alebo desatinných číslic (každá 2 číslice v 1 byte).

Dva susediace bajty sa nazývajú slovo, 4 bajty dvojité slovo, 8 bajtov štvorslovo.

Takmer všetky informácie, ktoré nás obklopujú, sú analógové. Preto predtým, ako informácie vstúpia do procesora na spracovanie, sú konvertované pomocou ADC (analógovo-digitálny prevodník).Okrem toho sú informácie zakódované v určitom formáte a môžu byť digitálne, logické, textové (symbolické), grafické, video atď.

Napríklad tabuľka ASCII kódov (z anglického American Standard Code for Information Interchange) sa používa na kódovanie textových informácií. Jeden znak sa zapisuje do jedného bajtu, ktorý môže mať 256 hodnôt. Grafické informácie sú rozdelené do bodov (pixelov) a farba a poloha každého bodu je kódovaná horizontálne a vertikálne.

MS používa okrem dvojkovej a desiatkovej sústavy šestnástkovú sústavu, v ktorej sa na zápis čísel používajú symboly 0 ... 9 a A ... F. Jej použitie je spôsobené tým, že jeden bajt je opísaný dvojkou -ciferné hexadecimálne číslo, ktoré výrazne znižuje záznam číselného kódu a robí ho čitateľnejším (11111111 — FF).

Tabuľka 1 — Zápis čísel v rôznych číselných sústavách

Ak chcete určiť hodnotu čísla (napríklad hodnota čísla 100 pre rôzne číselné systémy môže byť 42, 10010, 25616), pridajte na koniec čísla latinské písmeno označujúce číselný systém: pre binárne čísla písmeno b, pre šestnástkové čísla — h , pre desatinné čísla — d. Číslo bez dodatočného označenia sa považuje za desatinné.

Prevod čísel z jedného systému do druhého a základné aritmetické a logické operácie s číslami vám umožňujú vytvoriť inžiniersku kalkulačku (štandardná aplikácia operačného systému Windows).

Štruktúra mikroprocesorového systému

Mikroprocesorový systém je založený na mikroprocesore (procesore), ktorý vykonáva funkcie spracovania a riadenia informácií. Ostatné zariadenia, ktoré tvoria mikroprocesorový systém, slúžia procesoru tým, že mu pomáhajú pracovať.

Povinnými zariadeniami pre vytvorenie mikroprocesorového systému sú vstupné / výstupné porty a čiastočne pamäť... Vstupno - výstupné porty spájajú procesor s vonkajším svetom poskytovaním informácií pre spracovanie a výstup výsledkov spracovania alebo riadiacich akcií. Na vstupné porty sú pripojené tlačidlá (klávesnica), rôzne senzory; na výstupné porty — zariadenia, ktoré umožňujú elektrické ovládanie: indikátory, displeje, stýkače, solenoidové ventily, elektromotory atď.

Pamäť je primárne potrebná na uloženie programu (alebo sady programov) potrebných na fungovanie procesora. Program je postupnosť príkazov, ktorým procesor rozumie, napísaných človekom (zvyčajne programátorom).

Štruktúra mikroprocesorového systému je znázornená na obrázku 1. V zjednodušenej forme sa procesor skladá z aritmetickej logickej jednotky (ALU), ktorá spracováva digitálne informácie, a riadiacej jednotky (CU).

Pamäť zvyčajne zahŕňa pamäť iba na čítanie (ROM), ktorá je energeticky nezávislá a je určená na dlhodobé ukladanie informácií (napr. programov), a pamäť s náhodným prístupom (RAM), ktorá je určená na dočasné ukladanie údajov.

Obrázok 1 – Štruktúra mikroprocesorového systému

Procesor, porty a pamäť spolu komunikujú cez zbernice. Zbernica je súbor vodičov, ktoré sú funkčne spojené. Jedna sada systémových zberníc sa nazýva intrasystémová zbernica, v ktorej sú:

• DB dátová zbernica (Data Bus), prostredníctvom ktorej dochádza k výmene dát medzi procesorom, pamäťou a portami;

• adresová zbernica AB (Address Bus), používaná na adresovanie pamäťových buniek a portov procesora;

• riadiaca zbernica CB (Control Bus), súbor liniek, ktoré prenášajú rôzne riadiace signály z procesora do externých zariadení a naopak.

Mikroprocesory

Mikroprocesor — softvérovo riadené zariadenie určené na spracovanie digitálnych informácií a riadenie procesu tohto spracovania, vyrobené vo forme jedného (alebo viacerých) integrovaných obvodov s vysokým stupňom integrácie elektronických prvkov.

Mikroprocesor sa vyznačuje veľkým množstvom parametrov, keďže ide jednak o komplexné softvérovo riadené zariadenie a jednak o elektronické zariadenie (mikroobvod). Pre mikroprocesor teda typ prípadu aj inštrukčná sada pre procesor... Schopnosti mikroprocesora sú definované koncepciou architektúry mikroprocesora.

Predpona «micro» v názve procesora znamená, že je implementovaný pomocou mikrónovej technológie.

Obrázok 2 – Vonkajší pohľad na mikroprocesor Intel Pentium 4

Počas prevádzky mikroprocesor číta príkazy programu z pamäte alebo vstupného portu a vykonáva ich. Čo jednotlivé príkazy znamenajú, je určené inštrukčnou sadou procesora Sada inštrukcií je zabudovaná do architektúry mikroprocesora a vykonávanie príkazového kódu je vyjadrené vykonávaním určitých mikrooperácií vnútornými prvkami procesora.

Architektúra mikroprocesora — to je jeho logická organizácia; definuje schopnosti mikroprocesora z hľadiska hardvérovej a softvérovej implementácie funkcií potrebných na zostavenie mikroprocesorového systému.

Hlavné vlastnosti mikroprocesorov:

1) Frekvencia hodín (merná jednotka MHz alebo GHz) — počet hodinových impulzov za 1 sekundu.Hodinové impulzy sú generované generátorom hodín, ktorý je zvyčajne umiestnený vo vnútri procesora. Pretože všetky operácie (inštrukcie) sa vykonávajú v hodinových cykloch, potom pracovný výkon (počet operácií vykonaných za jednotku času) závisí od frekvencie hodín. Frekvencia procesora sa môže v rámci určitých limitov líšiť.

2) Bitový procesor (8, 16, 32, 64 bitov atď.) — určuje počet bajtov údajov spracovaných v jednom hodinovom cykle. Bitová šírka procesora je určená bitovou šírkou jeho vnútorných registrov. Procesor môže byť 8-bitový, 16-bitový, 32-bitový, 64-bitový atď. údaje sa spracúvajú v blokoch po 1, 2, 4, 8 bajtoch. Je jasné, že čím väčšia je bitová hĺbka, tým vyššia je produktivita práce.

Vnútorná architektúra mikroprocesora

Zjednodušená vnútorná architektúra typického 8-bitového mikroprocesora je znázornená na obrázku 3. Štruktúru mikroprocesora možno rozdeliť do troch hlavných častí:

1) Registre na dočasné ukladanie príkazov, údajov a adries;

2) aritmetická logická jednotka (ALU), ktorá vykonáva aritmetické a logické operácie;

3) Riadiaci a časovací obvod — zabezpečuje výber príkazov, organizuje činnosť ALU, poskytuje prístup ku všetkým mikroprocesorovým registrom, vníma a generuje externé riadiace signály.

Obrázok 3 – Zjednodušená vnútorná architektúra 8-bitového mikroprocesora

Ako je zrejmé z diagramu, procesor je založený na registroch, ktoré sa delia na špeciálne (so špecifickým určením) a všeobecné registre.

Programové počítadlo (počítač) — register obsahujúci adresu nasledujúceho príkazového bajtu. Procesor potrebuje vedieť, ktorý príkaz sa vykoná ako ďalší.

Batéria — register používaný vo väčšine inštrukcií na logické a aritmetické spracovanie; je to zdroj jedného z bajtov údajov, ktoré sú potrebné pre operáciu ALU, ako aj miesto, kde je umiestnený výsledok operácie ALU.

Register funkcií (alebo register príznakov) obsahuje informácie o vnútornom stave mikroprocesora, konkrétne o výsledku poslednej operácie ALU. Vlajkový register nie je register v bežnom zmysle, ale jednoducho súbor klopných obvodov (príznak hore alebo dole. Zvyčajne sú nula, pretečenie, záporné a prenášacie príznaky).

Ukazovateľ zásobníka (SP) — sleduje polohu zásobníka, to znamená, že obsahuje adresu jeho poslednej použitej bunky. Zásobník — spôsob organizácie ukladania dát.

Príkazový register obsahuje aktuálny príkazový bajt, ktorý dekóduje príkazový dekodér.

Vonkajšie zbernicové linky sú izolované od interných zbernicových liniek vyrovnávacími pamäťami a hlavné interné prvky sú spojené vysokorýchlostnou internou dátovou zbernicou.

Na zlepšenie výkonu viacprocesorového systému môžu byť funkcie centrálneho procesora rozdelené medzi niekoľko procesorov. Na pomoc centrálnemu procesoru počítač často zavádza koprocesory zamerané na efektívne vykonávanie akýchkoľvek špecifických funkcií. Rozšírené matematické a grafické koprocesory, vstup a výstup odbremeňujú centrálny procesor od jednoduchých, ale početných operácií interakcie s externými zariadeniami.

V súčasnej fáze je hlavným smerom zvyšovania produktivity vývoj viacjadrových procesorov, t.j. spojenie dvoch alebo viacerých procesorov v jednom prípade na vykonávanie niekoľkých operácií paralelne (súčasne).

Intel a AMD sú poprednými spoločnosťami v oblasti navrhovania a výroby procesorov.

Algoritmus mikroprocesorového systému

Algoritmus — presný predpis, ktorý jedinečne nastavuje proces transformácie počiatočných informácií na postupnosť operácií, ktoré umožňujú vyriešiť súbor úloh určitej triedy a dosiahnuť požadovaný výsledok.

Hlavným ovládacím prvkom celého mikroprocesorového systému je procesor... Ten až na pár špeciálnych prípadov ovláda všetky ostatné zariadenia. Zvyšné zariadenia, ako sú RAM, ROM a I/O porty, sú podriadené.

Hneď po zapnutí začne procesor čítať digitálne kódy z oblasti pamäte, ktorá je vyhradená na ukladanie programov. Čítanie sa vykonáva postupne bunka po bunke, pričom sa začína úplne od prvej. Bunka obsahuje údaje, adresy a príkazy. Inštrukcia je jednou zo základných akcií, ktoré môže mikroprocesor vykonávať. Celá práca mikroprocesora je zredukovaná na sekvenčné čítanie a vykonávanie príkazov.

Zvážte postupnosť akcií mikroprocesora počas vykonávania príkazov programu:

1) Pred vykonaním ďalšej inštrukcie mikroprocesor uloží svoju adresu do počítadla počítačového programu.

2) MP pristúpi k pamäti na adrese obsiahnutej v počítači a načíta z pamäte prvý bajt nasledujúceho príkazu v príkazovom registri.

3) Príkazový dekodér dekóduje (dešifruje) príkazový kód.

4) V súlade s informáciami prijatými z dekodéra riadiaca jednotka generuje časovo usporiadanú postupnosť mikro operácií, ktoré vykonávajú príkazové inštrukcie, vrátane:

— získava operandy z registrov a pamäte;

— vykonáva s nimi aritmetické, logické alebo iné operácie podľa príkazového kódu;

— v závislosti od dĺžky príkazu mení obsah počítača;

— prenesie riadenie na nasledujúci príkaz, ktorého adresa je opäť v počítadle počítačových programov.

Inštrukčnú sadu pre mikroprocesor možno rozdeliť do troch skupín:

1) Príkazy na presun údajov

Prenos prebieha medzi pamäťou, procesorom, I/O portami (každý port má svoju adresu), medzi procesorovými registrami.

2) Príkazy na transformáciu údajov

Všetky údaje (text, obrázok, video atď.) sú čísla a s číslami je možné vykonávať iba aritmetické a logické operácie. Preto príkazy tejto skupiny zahŕňajú sčítanie, odčítanie, porovnávanie, logické operácie atď.

3) Odovzdanie riadiaceho príkazu

Je veľmi zriedkavé, aby program pozostával z jednej postupnej inštrukcie. Väčšina algoritmov vyžaduje vetvenie programu. Aby program zmenil algoritmus svojej práce v závislosti od akejkoľvek podmienky, používajú sa príkazy prenosu riadenia. Tieto príkazy zabezpečujú tok vykonávania programu po rôznych cestách a organizujú slučky.

Externé zariadenia

Externé zariadenia zahŕňajú všetky zariadenia, ktoré sú externé voči procesoru (okrem RAM) a sú pripojené cez I/O porty. Externé zariadenia možno rozdeliť do troch skupín:

1) komunikačné zariadenia medzi človekom a počítačom (klávesnica, monitor, tlačiareň atď.);

2) zariadenia na komunikáciu s riadiacimi objektmi (snímače, akčné členy, ADC a DAC);

3) externé úložné zariadenia s veľkou kapacitou (pevný disk, diskety).

Externé zariadenia sú pripojené k mikroprocesorovému systému fyzicky — cez konektory a logicky — cez porty (ovládače).

Na prepojenie medzi procesorom a externými zariadeniami sa používa systém prerušenia (mechanizmus).

Systém prerušenia

Ide o špeciálny mechanizmus, ktorý umožňuje kedykoľvek pomocou externého signálu prinútiť procesor zastaviť vykonávanie hlavného programu, vykonať operácie súvisiace s udalosťou, ktorá spôsobila prerušenie, a potom sa vrátiť k vykonávaniu hlavného programu. .

Každý mikroprocesor má aspoň jeden vstup požiadavky na prerušenie INT (od slova Interrupt).

Zoberme si príklad interakcie procesora osobného počítača s klávesnicou (obrázok 4).

Klávesnica — zariadenie na zadávanie symbolických informácií a ovládacích príkazov. Na pripojenie klávesnice má počítač špeciálny klávesnicový port (čip).

Obrázok 4 – Činnosť procesora s klávesnicou

Algoritmus práce:

1) Po stlačení klávesu ovládač klávesnice vygeneruje číselný kód. Tento signál ide do čipu portu klávesnice.

2) Port klávesnice vysiela signál prerušenia do CPU. Každé externé zariadenie má svoje číslo prerušenia, podľa ktorého ho procesor rozpozná.

3) Po prijatí prerušenia z klávesnice procesor preruší vykonávanie programu (napríklad editor Microsoft Office Word) a načíta program na spracovanie kódov klávesnice z pamäte. Takýto program sa nazýva ovládač.

4) Tento program nasmeruje procesor na port klávesnice a číselný kód sa nahrá do registra procesora.

5) Digitálny kód sa uloží do pamäte a procesor pokračuje vo vykonávaní ďalšej úlohy.

Vďaka vysokej rýchlosti prevádzky procesor vykonáva veľké množstvo procesov súčasne.