Mikroprocesorinės sistemos

Mikroprocesorinių sistemų panaudojimas beveik visuose elektros prietaisuose yra svarbiausias šiuolaikinės visuomenės techninės infrastruktūros bruožas. Elektra, pramonė, transportas, ryšių sistemos labai priklauso nuo kompiuterinio valdymo sistemų. Mikroprocesorinės sistemos yra įmontuotos į matavimo prietaisus, elektros prietaisus, apšvietimo įrenginius ir kt.

Visa tai įpareigoja elektros inžinierių išmanyti bent mikroprocesorinės technologijos pagrindus.

Mikroprocesorinės sistemos skirtos informacijos apdorojimui automatizuoti ir įvairiems procesams valdyti.

Sąvoka „mikroprocesorinė sistema“ yra labai plati ir apima tokias sąvokas kaip „elektroninė skaičiavimo mašina (ECM)“, „valdymo kompiuteris“, „kompiuteris“ ir kt.

Mikroprocesorinė sistema apima Hardware arba angliškai - aparatūra ir programinė įranga (Software) - programinė įranga.

Skaitmeninė informacija

Mikroprocesorinė sistema dirba su skaitmenine informacija, kuri yra skaitmeninių kodų serija.

Bet kurios mikroprocesorinės sistemos pagrindas yra mikroprocesorius, kuris gali priimti tik dvejetainius skaičius (sudaromas iš 0 ir 1).Dvejetainiai skaičiai rašomi naudojant dvejetainę skaičių sistemą. Pavyzdžiui, kasdieniame gyvenime naudojame dešimtainę skaičių sistemą, kuri naudoja dešimties simbolių ar skaitmenų skaičiams rašyti, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Atitinkamai, dvejetainėje sistemoje yra tik du tokie simboliai (arba skaitmenys) - 0 ir 1.

Reikia suprasti, kad skaičių sistema yra tik skaičių rašymo taisyklės, o sistemos tipo pasirinkimą lems naudojimosi patogumas. Dvejetainės sistemos pasirinkimą lemia jos paprastumas, o tai reiškia skaitmeninių įrenginių patikimumą ir jų techninio įgyvendinimo paprastumą.

Apsvarstykite skaitmeninės informacijos matavimo vienetus:

Bitas (iš anglų kalbos "BInary digiT" — dvejetainis skaitmuo) turi tik dvi reikšmes: 0 arba 1. Galite užkoduoti loginę reikšmę "taip" arba "ne", būseną "įjungta" arba "išjungta", būsena " atviras» «arba» uždarytas «ir pan.

Aštuonių bitų grupė vadinama baitu, pavyzdžiui, 10010111. Vienas baitas leidžia užkoduoti 256 reikšmes: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bitas yra mažiausias informacijos vienetas.

Baitas – mažiausias informacijos apdorojimo vienetas. Baitas – mašininio žodžio dalis, dažniausiai susidedanti iš 8 bitų ir naudojama kaip informacijos kiekio vienetas, kai ji saugoma, perduodama ir apdorojama kompiuteryje. Baitas skirtas raidėms, skiemenis ir specialiuosius simbolius (dažniausiai užimančius visus 8 bitus) arba dešimtainius skaitmenis (kiekvienas 2 skaitmenys 1 baite) pavaizduoti.

Du gretimi baitai vadinami žodžiu, 4 baitai – dvigubu žodžiu, 8 baitai – keturių žodžių.

Beveik visa mus supanti informacija yra analogiška. Todėl, kol informacija patenka į procesorių apdoroti, ji konvertuojama naudojant ADC (analoginį-skaitmeninį keitiklį).Be to, informacija yra užkoduota tam tikru formatu ir gali būti skaitmeninė, loginė, tekstinė (simbolinė), grafinė, vaizdo ir kt.

Pavyzdžiui, tekstinei informacijai koduoti naudojama ASCII kodų lentelė (iš anglų kalbos Amerikos standartinio informacijos mainų kodo). Viename baite įrašomas vienas simbolis, kuris gali turėti 256 reikšmes. Grafinė informacija suskirstyta į taškus (pikselius), o kiekvieno taško spalva ir padėtis koduojama horizontaliai ir vertikaliai.

Be dvejetainės ir dešimtainės sistemos, MS naudoja šešioliktainę sistemą, kurioje skaičiams rašyti naudojami simboliai 0 ... 9 ir A ... F. Ji naudojama dėl to, kad vienas baitas apibūdinamas dviem. -skaitmenų šešioliktainis skaičius, kuris labai sumažina įrašo skaitmeninį kodą ir daro jį lengviau skaitomu (11111111 – FF).

1 lentelė. Skaičių rašymas skirtingose ​​skaičių sistemose

Norėdami nustatyti skaičiaus reikšmę (pavyzdžiui, skaičiaus 100 reikšmė skirtingoms skaičių sistemoms gali būti 42, 10010, 25616), skaičiaus pabaigoje pridėkite lotynišką raidę, nurodančią skaičių sistemą: dvejetainiams skaičiams raidė b, šešioliktainiams skaičiams – h , dešimtainiams skaičiams – d. Skaičius be papildomo pavadinimo laikomas dešimtainiu.

Skaičių konvertavimas iš vienos sistemos į kitą ir pagrindinės aritmetinės bei loginės operacijos su skaičiais leidžia pasidaryti inžinerinį skaičiuotuvą (standartinė Windows operacinės sistemos programa).

Mikroprocesorinės sistemos sandara

Mikroprocesorinė sistema yra pagrįsta mikroprocesoriumi (procesoriumi), kuris atlieka informacijos apdorojimo ir valdymo funkcijas. Likę įrenginiai, sudarantys mikroprocesorių sistemą, tarnauja procesoriui, padėdami jam veikti.

Privalomi įrenginiai mikroprocesorinei sistemai sukurti yra įvesties / išvesties prievadai ir iš dalies atmintis... Įvesties - išvesties prievadai jungia procesorių su išoriniu pasauliu, pateikdami informaciją apdorojimo ar valdymo veiksmų rezultatams apdoroti ir išvesti. Prie įvesties prievadų prijungti mygtukai (klaviatūra), įvairūs davikliai; į išvesties prievadus — prietaisus, leidžiančius valdyti elektrą: indikatorius, ekranus, kontaktorius, solenoidinius vožtuvus, elektros variklius ir kt.

Atmintis pirmiausia reikalinga norint išsaugoti programą (arba programų rinkinį), reikalingą procesoriui veikti. Programa – tai procesoriui suprantamų komandų seka, kurią parašė žmogus (dažniausiai programuotojas).

Mikroprocesorinės sistemos struktūra parodyta 1 paveiksle. Supaprastinta forma procesorius susideda iš aritmetinio loginio bloko (ALU), kuris apdoroja skaitmeninę informaciją, ir valdymo bloko (CU).

Į atmintį paprastai įeina tik skaitymo atmintis (ROM), kuri yra nepastovi ir skirta ilgalaikiam informacijos (pvz., programų) saugojimui, ir laisvosios prieigos atmintis (RAM), skirta laikinam duomenų saugojimui.

1 pav. Mikroprocesorinės sistemos struktūra

Procesorius, prievadai ir atmintis bendrauja tarpusavyje per magistrales. Magistralė yra funkciškai sujungtų laidų rinkinys. Vienas sistemos magistralių rinkinys vadinamas vidine sistemos magistrale, kurioje yra:

• DB duomenų magistralė (Data Bus), per kurią keičiamasi duomenimis tarp procesoriaus, atminties ir prievadų;

• adresų magistralė AB (Address Bus), naudojama procesoriaus atminties ląstelėms ir prievadams adresuoti;

• valdymo magistralė CB (Control Bus) – linijų rinkinys, perduodantis įvairius valdymo signalus iš procesoriaus į išorinius įrenginius ir atvirkščiai.

Mikroprocesoriai

Mikroprocesorius – programine įranga valdomas įrenginys, skirtas apdoroti skaitmeninę informaciją ir valdyti šio apdorojimo procesą, pagamintas iš vienos (ar kelių) integrinių grandynų su dideliu elektroninių elementų integracijos laipsniu.

Mikroprocesorius pasižymi daugybe parametrų, nes tai ir sudėtingas programine įranga valdomas įrenginys, ir elektroninis įrenginys (mikroschema). Todėl mikroprocesoriui ir korpuso tipas, ir procesoriaus instrukcijų rinkinys... Mikroprocesoriaus galimybes apibrėžia mikroprocesoriaus architektūros sąvoka.

Procesoriaus pavadinime esantis priešdėlis „micro“ reiškia, kad jis įgyvendintas naudojant mikronų technologiją.

2 pav. Išorinis Intel Pentium 4 mikroprocesoriaus vaizdas

Veikimo metu mikroprocesorius nuskaito programos komandas iš atminties arba įvesties prievado ir jas vykdo. Ką reiškia kiekviena komanda, nusako procesoriaus komandų rinkinys.Komandų rinkinys yra įmontuotas į mikroprocesoriaus architektūrą, o komandos kodo vykdymas išreiškiamas tam tikrų mikrooperacijų vykdymu vidiniais procesoriaus elementais.

Mikroprocesoriaus architektūra – tai logiška jo struktūra; jame apibrėžiamos mikroprocesoriaus galimybės aparatinės ir programinės įrangos, reikalingų mikroprocesorinei sistemai sukurti, įgyvendinimui.

Pagrindinės mikroprocesorių savybės:

1) Laikrodžio dažnis (matavimo vienetas MHz arba GHz) – laikrodžio impulsų skaičius per 1 sekundę.Laikrodžio impulsus generuoja laikrodžio generatorius, kuris dažniausiai yra procesoriaus viduje. Kadangi visos operacijos (instrukcijos) atliekamos laikrodžio ciklais, tai darbo našumas (per laiko vienetą atliekamų operacijų skaičius) priklauso nuo laikrodžio dažnio. Procesoriaus dažnis gali skirtis tam tikrose ribose.

2) Bitų procesorius (8, 16, 32, 64 bitai ir tt) – nurodo baitų skaičių duomenų, apdorojamų per vieną laikrodžio ciklą. Procesoriaus bitų plotis nustatomas pagal jo vidinių registrų bitų plotį. Procesorius gali būti 8 bitų, 16 bitų, 32 bitų, 64 bitų ir kt. duomenys apdorojami 1, 2, 4, 8 baitų gabalais. Akivaizdu, kad kuo didesnis grąžto gylis, tuo didesnis darbo našumas.

Vidinė mikroprocesoriaus architektūra

Įprasto 8 bitų mikroprocesoriaus supaprastinta vidinė architektūra parodyta 3 paveiksle. Mikroprocesoriaus struktūrą galima suskirstyti į tris pagrindines dalis:

1) komandų, duomenų ir adresų laikino saugojimo registrai;

2) Aritmetinis loginis vienetas (ALU), kuris atlieka aritmetines ir logines operacijas;

3) Valdymo ir laiko grandinė – suteikia komandų pasirinkimą, organizuoja ALU darbą, suteikia prieigą prie visų mikroprocesorių registrų, suvokia ir generuoja išorinius valdymo signalus.

3 pav. Supaprastinta vidinė 8 bitų mikroprocesoriaus architektūra

Kaip matote iš diagramos, procesorius yra pagrįstas registrais, kurie skirstomi į specialiuosius (turinčius konkrečią paskirtį) ir bendrosios paskirties registrus.

Programos skaitiklis (kompiuteris) — registras, kuriame yra kitos komandos baito adresas. Procesorius turi žinoti, kuri komanda bus vykdoma toliau.

Baterija – registras, naudojamas daugumoje logikos ir aritmetinio apdorojimo instrukcijų; tai yra ir vieno iš baitų duomenų, reikalingų ALU operacijai, šaltinis ir vieta, kur talpinamas ALU operacijos rezultatas.

Funkcijų registre (arba vėliavėlės registre) yra informacija apie vidinę mikroprocesoriaus būseną, ypač apie paskutinės ALU operacijos rezultatą. Vėliavos registras nėra registras įprasta prasme, o tiesiog šlepečių rinkinys (žymėti aukštyn arba žemyn. Dažniausiai būna nulio, perpildymo, neigiamos ir nešiojimo vėliavėlės).

Stack Pointer (SP) – seka krūvos padėtį, tai yra, jame yra paskutinio naudoto langelio adresas. Stack – duomenų saugojimo organizavimo būdas.

Komandų registre yra dabartinės komandos baitas, kurį dekoduoja komandų dekoderis.

Išorinės magistralės linijos yra izoliuotos nuo vidinių magistralių linijų buferiais, o pagrindiniai vidiniai elementai yra sujungti didelės spartos vidine duomenų magistrale.

Norint pagerinti kelių procesorių sistemos veikimą, centrinio procesoriaus funkcijos gali būti paskirstytos keliems procesoriams. Kad padėtų centriniam procesoriui, kompiuteris dažnai įveda koprocesorius, orientuotus į efektyvų bet kokių konkrečių funkcijų vykdymą. Plačiai paplitę matematiniai ir grafiniai koprocesoriai, įvestis ir išvestis, apkraunantys centrinį procesorių nuo paprastų, bet daugybės sąveikos su išoriniais įrenginiais operacijų.

Dabartiniame etape pagrindinė produktyvumo didinimo kryptis yra kelių branduolių procesorių kūrimas, t.y. sujungiant du ar daugiau procesorių vienu atveju, siekiant atlikti kelias operacijas lygiagrečiai (vienu metu).

„Intel“ ir AMD yra pirmaujančios procesorių projektavimo ir gamybos įmonės.

Mikroprocesorinės sistemos algoritmas

Algoritmas – tikslus receptas, kuris vienareikšmiškai nustato pradinės informacijos transformavimo į operacijų seką procesą, leidžiantį išspręsti tam tikros klasės užduočių rinkinį ir gauti norimą rezultatą.

Pagrindinis visos mikroprocesorinės sistemos valdymo elementas yra procesorius... Jis, išskyrus kelis specialius atvejus, valdo visus kitus įrenginius. Likę įrenginiai, tokie kaip RAM, ROM ir I / O prievadai, yra pavaldūs.

Vos įjungus, procesorius pradeda skaityti skaitmeninius kodus iš atminties srities, skirtos programoms saugoti. Skaitymas atliekamas nuosekliai po ląsteles, pradedant nuo pirmos. Ląstelėje yra duomenys, adresai ir komandos. Instrukcija yra vienas iš elementarių veiksmų, kuriuos gali atlikti mikroprocesorius. Visas mikroprocesoriaus darbas sumažinamas iki nuoseklaus komandų skaitymo ir vykdymo.

Apsvarstykite mikroprocesoriaus veiksmų seką vykdant programos komandas:

1) Prieš vykdant kitą komandą, mikroprocesorius išsaugo savo adresą kompiuterio programų skaitiklyje.

2) MP pasiekia atmintį kompiuteryje esančiu adresu ir nuskaito iš atminties pirmą kitos komandos baitą komandų registre.

3) Komandų dekoderis dekoduoja (iššifruoja) komandos kodą.

4) Remdamasis iš dekoderio gauta informacija, valdymo blokas generuoja pagal laiką suskirstytą mikrooperacijų, kurios vykdo komandų komandas, seką, įskaitant:

— nuskaito operandus iš registrų ir atminties;

— atlieka su jais aritmetines, logines ar kitokias komandas, nurodytas komandos kodu;

— priklausomai nuo komandos ilgio, keičia kompiuterio turinį;

— perduoda valdymą kitai komandai, kurios adresas vėl yra kompiuterio programų skaitiklyje.

Mikroprocesoriaus instrukcijų rinkinį galima suskirstyti į tris grupes:

1) komandos perkelti duomenis

Perdavimas vyksta tarp atminties, procesoriaus, I/O prievadų (kiekvienas prievadas turi savo adresą), tarp procesoriaus registrų.

2) Duomenų transformavimo komandos

Visi duomenys (tekstas, paveikslas, vaizdo įrašas ir kt.) yra skaičiai, o su skaičiais galima atlikti tik aritmetines ir logines operacijas. Todėl šios grupės komandos apima sudėjimą, atimtį, palyginimą, logines operacijas ir kt.

3) Valdymo komandos perdavimas

Labai retai programa susideda iš vienos nuoseklios instrukcijos. Daugumai algoritmų reikalingas programos išsišakojimas. Kad programa pakeistų savo darbo algoritmą, priklausomai nuo bet kokios sąlygos, naudojamos valdymo perdavimo komandos. Šios komandos užtikrina programos vykdymo srautą skirtingais keliais ir organizuoja kilpas.

Išoriniai įrenginiai

Išoriniai įrenginiai apima visus įrenginius, kurie yra išoriniai nuo procesoriaus (išskyrus RAM) ir prijungti per įvesties / išvesties prievadus. Išorinius įrenginius galima suskirstyti į tris grupes:

1) žmogaus ir kompiuterio ryšio priemonės (klaviatūra, monitorius, spausdintuvas ir kt.);

2) ryšio su valdymo objektais įrenginiai (jutikliai, pavaros, ADC ir DAC);

3) didelės talpos išoriniai saugojimo įrenginiai (kietasis diskas, diskeliai).

Išoriniai įrenginiai prie mikroprocesorinės sistemos jungiami fiziškai – per jungtis ir logiškai – per prievadus (valdiklius).

Pertraukimo sistema (mechanizmas) naudojama sąsajai tarp procesoriaus ir išorinių įrenginių.

Pertraukimo sistema

Tai yra specialus mechanizmas, leidžiantis bet kuriuo metu per išorinį signalą priversti procesorių sustabdyti pagrindinės programos vykdymą, atlikti operacijas, susijusias su įvykiu, sukėlusiu pertraukimą, ir tada grįžti prie pagrindinės programos vykdymo. .

Kiekvienas mikroprocesorius turi bent vieną pertraukimo užklausos įvestį INT (iš žodžio Interrupt).

Panagrinėkime asmeninio kompiuterio procesoriaus sąveikos su klaviatūra pavyzdį (4 pav.).

Klaviatūra – įrenginys, skirtas įvesti simbolinę informaciją ir valdymo komandas. Klaviatūrai prijungti kompiuteris turi specialų klaviatūros prievadą (lustą).

4 pav. CPU veikimas naudojant klaviatūrą

Darbo algoritmas:

1) Kai paspaudžiamas klavišas, klaviatūros valdiklis sugeneruoja skaitmeninį kodą. Šis signalas patenka į klaviatūros prievado lustą.

2) Klaviatūros prievadas siunčia pertraukimo signalą į centrinį procesorių. Kiekvienas išorinis įrenginys turi savo pertraukimo numerį, pagal kurį procesorius jį atpažįsta.

3) Gavęs pertraukimą iš klaviatūros, procesorius nutraukia programos vykdymą (pavyzdžiui, Microsoft Office Word redaktorius) ir įkelia programą klaviatūros kodams apdoroti iš atminties. Tokia programa vadinama tvarkykle.

4) Ši programa nukreipia procesorių į klaviatūros prievadą ir skaitmeninis kodas įkeliamas į procesoriaus registrą.

5) Skaitmeninis kodas išsaugomas atmintyje, o procesorius toliau atlieka kitą užduotį.

Dėl didelio veikimo greičio procesorius vienu metu vykdo daugybę procesų.