Микропроцесорни системи

Използването на микропроцесорни системи в почти всички електрически устройства е най -важната характеристика на техническата инфраструктура на съвременното общество. Електричеството, промишлеността, транспорта, комуникационните системи са силно зависими от компютърните системи за управление. Микропроцесорните системи са вградени в измервателни уреди, електрически устройства, осветителни инсталации и др.

Всичко това задължава електротехника да знае поне основите на микропроцесорната технология.

Микропроцесорни системи са предназначени да автоматизират обработката на информация и да контролират различни процеси.

Понятието „микропроцесорна система“ е много широко и обединява такива понятия като „електронна изчислителна машина (ECM)“, „управляващ компютър“, „компютър“ и др.

Микропроцесорната система включва Хардуер или на английски — хардуер и софтуер (Софтуер) — софтуер.

Цифрова информация

Микропроцесорната система работи с цифрова информация, което е поредица от цифрови кодове.

В основата на всяка микропроцесорна система е микропроцесор, който може да приема само двоични числа (съставени от 0 и 1). Двоичните числа се записват с помощта на двоичната система с числа. Например, в ежедневието използваме десетична система от числа, която използва десет знака или цифри за записване на числа, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Съответно в двоичната система има само два такива символа (или цифри) — 0 и 1.

Необходимо е да се разбере, че числовата система е само правилата за писане на числа, а изборът на типа система ще се определя от лекотата на използване. Изборът на двоична система се дължи на нейната простота, което означава надеждността на цифровите устройства и лекотата на техническото им внедряване.

Помислете за мерните единици на цифрова информация:

Бит (от английския «BInary digiT» — двоична цифра) приема само две стойности: 0 или 1. Можете да кодирате логическата стойност «да» или «не», състоянието «включено» или «изключено», състоянието «отворено» «или» затворен «и т.н.

Група от осем бита се нарича байт, например 10010111. Един байт ви позволява да кодирате 256 стойности: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Битът е най -малката единица информация.

Байт — най -малката единица за обработка на информация. Байт — част от машинна дума, обикновено състояща се от 8 бита и използвана като единица за количеството информация по време на нейното съхранение, предаване и обработка на компютър. Байт обслужва за представяне на букви, срички и специални знаци (обикновено заемащи всички 8 бита) или десетични цифри (всяка 2 цифри в 1 байт).

Два взаимосвързани байта се наричат ​​дума, 4 байта — двойна дума, 8 байта — четворна дума.

Почти цялата информация, която ни заобикаля, е аналогова. Следователно, преди информацията да попадне в процесора за обработка, тя се преобразува с помощта на ADC (аналогово-цифров преобразувател). Освен това информацията е кодирана в определен формат и може да бъде цифрова, логическа, текстова (символна), графична, видео и др.

Например, за кодиране на текстова информация се използва таблица с ASCII кодове (от английския американски стандартен код за обмен на информация). Един знак се записва в един байт, който може да приема 256 стойности. Графичната информация е разделена на точки (пиксели), а цветът и позицията на всяка точка са кодирани хоризонтално и вертикално.

В допълнение към двоичната и десетичната система, MS използва шестнадесетична система, в която символите 0 … 9 и A … F се използват за записване на числа.Използването му се дължи на факта, че един байт е описан с двуцифрено шестнадесетично число, което значително намалява записа на цифровия код и го прави по -четим (11111111 — FF).

Таблица 1 — Записване на числа в различни бройни системи

За да се определи стойността на числото (например стойността на числото 100 за различни бройни системи може да бъде 42, 10010, 25616), в края на числото добавете латинска буква, обозначаваща числовата система: за двоични числа буквата b, за шестнадесетични числа — h, за десетични числа — d. Число без допълнително обозначение се счита за десетично.

Конвертирането на числа от една система в друга и основни аритметични и логически операции с числата ви позволява да направите инженерен калкулатор (стандартно приложение на операционната система Windows).

Структура на микропроцесорна система

Микропроцесорната система се основава на микропроцесор (процесор), който изпълнява функции за обработка на информация и контрол. Останалите устройства, които съставят микропроцесорната система, обслужват процесора, като му помагат да работи.

Задължителни устройства за създаване на микропроцесорна система са вход / изход портове и отчасти памет… Входно -изходните портове свързват процесора с външния свят, като предоставят информация за обработка и извеждане на резултатите от обработката или контролни действия. Бутони (клавиатура), различни сензори са свързани към входните портове; към изходни портове — устройства, които позволяват електрическо управление: индикатори, дисплеи, контактори, електромагнитни клапани, електродвигатели и др.

Паметта е необходима предимно за съхраняване на програма (или набор от програми), необходими за работата на процесора. Програма е последователност от команди, които процесорът разбира, написани от човек (обикновено програмист).

Структурата на микропроцесорната система е показана на фигура 1. В опростена форма процесорът се състои от аритметична логическа единица (ALU), която обработва цифрова информация, и контролен блок (CU).

Паметта обикновено включва памет само за четене (ROM), която е енергонезависима и е предназначена за дългосрочно съхранение на информация (например програми) и памет с произволен достъп (RAM), предназначена за временно съхранение на данни.

Фигура 1 — Структурата на микропроцесорната система

Процесорът, портовете и паметта комуникират помежду си чрез шини. Автобусът е набор от проводници, които са функционално обединени. Извиква се единичен набор от системни шини вътрешносистемна магистрала, в които има:

• DB шина за данни (Data Bus), чрез която се обменят данни между процесора, паметта и портовете;

• шинен адрес AB (Address Bus), използван за адресиране на клетките и портовете на паметта на процесора;

• контролна шина CB (Control Bus), набор от линии, които предават различни управляващи сигнали от процесора към външни устройства и обратно.

Микропроцесори

Микропроцесор — софтуерно управляемо устройство, предназначено за обработка на цифрова информация и контрол на процеса на тази обработка, направено под формата на една (или няколко) интегрални схеми с висока степен на интеграция на електронни елементи.

Микропроцесорът се характеризира с голям брой параметри, тъй като е едновременно сложно софтуерно управлявано устройство и електронно устройство (микросхема). Следователно, за микропроцесор, както типът на корпуса, така и набор от инструкции за процесора… Възможностите на микропроцесор се определят от концепцията за микропроцесорна архитектура.

Префиксът «микро» в името на процесора означава, че той се изпълнява с помощта на микронова технология.

Фигура 2 — Външен изглед на микропроцесора Intel Pentium 4

По време на работа микропроцесорът чете програмни команди от паметта или входния порт и ги изпълнява. Какво означава всяка команда се определя от набора от инструкции на процесора.Системата от инструкции е вградена в архитектурата на микропроцесора и изпълнението на командния код се изразява в изпълнението на определени микро-операции от вътрешните елементи на процесора.

Микропроцесорна архитектура — това е неговата логическа организация; той определя възможностите на микропроцесора по отношение на хардуерно и софтуерно изпълнение на функциите, необходими за изграждането на микропроцесорна система.

Основни характеристики на микропроцесорите:

1) Тактова честота (мерна единица MHz или GHz) — броят на тактовите импулси за 1 секунда. Тактовите импулси се генерират от часовник генератор, който най -често се намира вътре в процесора. Защото всички операции (инструкции) се извършват в тактови цикли, след това работното изпълнение (броят на извършените операции за единица време) зависи от тактовата честота. Честотата на процесора може да варира в определени граници.

2) Битов процесор (8, 16, 32, 64 бита и т.н.) — определя броя на байтовете данни, обработени в един тактов цикъл. Битовата ширина на процесора се определя от битовата ширина на неговите вътрешни регистри. Процесорът може да бъде 8-битов, 16-битов, 32-битов, 64-битов и т.н., т.е. данните се обработват на части от 1, 2, 4, 8 байта. Ясно е, че колкото по -голяма е битовата дълбочина, толкова по -висока е работната производителност.

Вътрешна архитектура на микропроцесора

Опростена вътрешна архитектура на типичен 8-битов микропроцесор е показана на фигура 3. Структурата на микропроцесора може да бъде разделена на три основни части:

1) Регистри за временно съхранение на команди, данни и адреси;

2) Аритметична логическа единица (ALU)която изпълнява аритметични и логически операции;

3) Схема за управление и синхронизация — осигурява избор на команди, организира функционирането на ALU, осигурява достъп до всички регистри на микропроцесора, възприема и генерира външни управляващи сигнали.

Фигура 3 — Опростена вътрешна архитектура на 8 -битов микропроцесор

Както можете да видите от диаграмата, процесорът се основава на регистри, които са разделени на специални (със специфично предназначение) и регистри с общо предназначение.

Брояч на програми (компютър) — регистър, съдържащ адреса на следващия команден байт. Процесорът трябва да знае коя команда ще бъде изпълнена по -нататък.

Батерия — регистър, използван в по -голямата част от командите за логическа и аритметична обработка; той е както източникът на един от байтовете данни, които са необходими за операцията ALU, така и мястото, където се поставя резултатът от операцията ALU.

Регистър на функциите (или регистър на флаговете) съдържа информация за вътрешното състояние на микропроцесора, по -специално за резултата от последната операция ALU. Регистърът на флаговете не е регистър в обичайния смисъл, а просто е набор от джапанки (флаг нагоре или надолу. Обикновено има нула, препълване, отрицателни и носещи флагове).

Указател на стека (SP) — следи позицията на стека, тоест съдържа адреса на последната му използвана клетка. Стек — начин за организиране на съхранение на данни.

Регистър на командите съдържа текущия команден байт, който се декодира от командния декодер.

Външните автобусни линии са изолирани от вътрешните шинни линии чрез буфери, а основните вътрешни елементи са свързани чрез високоскоростна вътрешна шина за данни.

За да се подобри работата на многопроцесорна система, функциите на централния процесор могат да бъдат разпределени между няколко процесора. За да помогне на централния процесор, компютърът често се въвежда съпроцесори, фокусирани върху ефективното изпълнение на всякакви специфични функции. Широко разпространен математически и графични, съпроцесори вход изходразтоварване на централния процесор от прости, но многобройни операции на взаимодействие с външни устройства.

На настоящия етап основната посока на увеличаване на производителността е развитието многоядрени процесори, т.е. комбиниране на два или повече процесора в един случай, за да се извършат няколко операции паралелно (едновременно).

Intel и AMD са водещите компании за проектиране и производство на процесори.

Алгоритъм на микропроцесорната система

Алгоритъм — точно предписание, което уникално задава процеса на преобразуване на първоначалната информация в последователност от операции, които позволяват решаване на набор от задачи на определена клас и да получите желания резултат.

Основният елемент за управление на цялата микропроцесорна система е процесор… Той, с изключение на няколко специални случая, контролира всички други устройства. Останалите устройства, като RAM, ROM и I / O портове, са подчинени.

Веднага след включване процесорът започва да чете цифрови кодове от областта на паметта, която е запазена за съхраняване на програми. Четенето става последователно клетка по клетка, започвайки от самото първо. Клетката съдържа данни, адреси и команди. Командата е едно от елементарните действия, които микропроцесорът може да извърши. Цялата работа на микропроцесора се свежда до последователно четене и изпълнение на команди.

Помислете за последователността от действия на микропроцесора по време на изпълнението на програмни команди:

1) Преди да бъде изпълнена следващата команда, микропроцесорът съдържа своя адрес в брояча на компютърни програми.

2) MP осъществява достъп до паметта на адреса, съдържащ се в компютъра, и чете от паметта първия байт на следващата команда в командния регистър.

3) Командният декодер декодира (дешифрира) кода на командата.

4) В съответствие с информацията, получена от декодера, управляващото устройство генерира подредена по време последователност от микро-операции, които изпълняват инструкциите на командата, включително:

— извлича операнди от регистри и памет;

— извършва аритметични, логически или други операции върху тях, както е предписано от командния код;

— в зависимост от дължината на командата, променя съдържанието на компютъра;

— прехвърля контрола към следващата команда, чийто адрес отново е в брояча на компютърните програми.

Наборът от команди за микропроцесор може да бъде разделен на три групи:

1) Команди за преместване на данни

Преместването става между памет, процесор, I / O портове (всеки порт има свой собствен адрес), между регистрите на процесора.

2) Команди за трансформация на данни

Всички данни (текст, картина, видео и т.н.) са числа и само аритметични и логически операции могат да се извършват с числа. Следователно командите на тази група включват събиране, изваждане, сравнение, логически операции и т.н.

3) Прехвърляне на команда за управление

Много рядко се случва програма да се състои от една последователна инструкция. По -голямата част от алгоритмите изискват разклоняване на програмата. За да може програмата да промени алгоритъма на своята работа, в зависимост от всяко условие, се използват команди за прехвърляне на контрол. Тези команди осигуряват потока от изпълнение на програмата по различни пътища и организират цикли.

Външни устройства

Външните устройства включват всички устройства, които са извън процесора (с изключение на RAM) и са свързани чрез I / O портове. Външните устройства могат да бъдат класифицирани в три групи:

1) устройства за комуникация човек-компютър (клавиатура, монитор, принтер и др.);

2) устройства за комуникация с обекти за управление (сензори, задвижващи механизми, ADC и DAC);

3) външни устройства за съхранение с голям капацитет (твърд диск, дискети).

Външните устройства са свързани към микропроцесорната система физически — чрез съединители и логически — чрез портове (контролери).

Система за прекъсване (механизъм) се използва за взаимодействие между процесора и външните устройства.

Система за прекъсване

Това е специален механизъм, който позволява по всяко време чрез външен сигнал да принуди процесора да спре изпълнението на основната програма, да извърши операции, свързани със събитието, причиняващо прекъсването, и след това да се върне към изпълнението на основната програма.

Всеки микропроцесор има поне един вход за заявка за прекъсване INT (от думата Прекъсване).

Нека разгледаме пример за взаимодействие на процесор на персонален компютър с клавиатура (Фигура 4).

Клавиатура — устройство за въвеждане на символична информация и команди за управление. За да свържете клавиатурата, компютърът има специален порт за клавиатура (микросхема).

Фигура 4 — Работа на процесора с клавиатурата

Алгоритъм на работа:

1) Когато се натисне клавиш, клавиатурният контролер генерира цифров код. Този сигнал отива към чипа на порта на клавиатурата.

2) Портът на клавиатурата изпраща сигнал за прекъсване към процесора. Всяко външно устройство има свой собствен номер на прекъсване, по който процесорът го разпознава.

3) След като получи прекъсване от клавиатурата, процесорът прекъсва изпълнението на програмата (например редактора на Microsoft Office Word) и зарежда програмата за обработка на кодове от клавиатурата от паметта. Такава програма се нарича драйвер.

4) Тази програма насочва процесора към порта на клавиатурата и цифровият код се зарежда в регистъра на процесора.

5) Цифровият код се съхранява в паметта и процесорът продължава да изпълнява друга задача.

Поради високата скорост на работа, процесорът изпълнява голям брой процеси едновременно.