Mikroprocesorski sistemi

Uporaba mikroprocesorskih sistemov v skoraj vseh električnih napravah je najpomembnejša značilnost tehnične infrastrukture sodobne družbe. Električna energija, industrija, promet, komunikacijski sistemi so zelo odvisni od računalniških nadzornih sistemov. Mikroprocesorski sistemi so vgrajeni v merilne instrumente, električne naprave, svetlobne instalacije itd.

Vse to obvezuje elektrotehnika k poznavanju vsaj osnov mikroprocesorske tehnike.

Mikroprocesorski sistemi so zasnovani za avtomatizacijo obdelave informacij in nadzor različnih procesov.

Izraz "mikroprocesorski sistem" je zelo širok in vključuje koncepte, kot so "elektronski računalniški stroj (ECM)", "krmilni računalnik", "računalnik" in druge.

Mikroprocesorski sistem vključuje strojno opremo ali v angleščini – hardware and software (Software) – programsko opremo.

Digitalne informacije

Mikroprocesorski sistem deluje z digitalnimi informacijami, ki so nizi numeričnih kod.

V jedru vsakega mikroprocesorskega sistema je mikroprocesor, ki lahko sprejme le binarna števila (sestavljena iz 0 in 1).Dvojiška števila so zapisana z dvojiškim številskim sistemom. Na primer, v vsakdanjem življenju uporabljamo decimalni številski sistem, ki uporablja deset znakov ali števk za zapisovanje števil, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. V skladu s tem sta v binarnem sistemu samo dva taka simbola (ali števke) - 0 in 1.

Treba je razumeti, da je številski sistem le pravila za pisanje številk, izbiro vrste sistema pa bo določila enostavnost uporabe. Izbira binarnega sistema je posledica njegove enostavnosti, kar pomeni zanesljivost digitalnih naprav in enostavnost njihove tehnične izvedbe.

Razmislite o merskih enotah digitalnih informacij:

Bit (iz angleškega «BInary digiT» — binarna številka) ima samo dve vrednosti: 0 ali 1. Kodirate lahko logično vrednost «da» ali «ne», stanje «vklopljeno» ali «izklopljeno», stanje « odprto» «ali» zaprto «itd.

Skupina osmih bitov se imenuje bajt, na primer 10010111. En bajt omogoča kodiranje 256 vrednosti: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bit je najmanjša enota informacije.

Bajt — najmanjša enota za obdelavo informacij. Bajt - del strojne besede, običajno sestavljen iz 8 bitov in se uporablja kot enota za količino informacij med shranjevanjem, prenosom in obdelavo v računalniku. Bajt služi za predstavitev črk, zlogov in posebnih znakov (običajno zasedajo vseh 8 bitov) ali decimalnih števk (vsaka 2 števki v 1 bajtu).

Dva sosednja bajta se imenujeta beseda, 4 bajti dvojna beseda, 8 bajtov štiri beseda.

Skoraj vse informacije, ki nas obdajajo, so analogne. Zato se informacije, preden vstopijo v procesor za obdelavo, pretvorijo z ADC (analogno-digitalni pretvornik).Poleg tega so informacije kodirane v določeni obliki in so lahko digitalne, logične, besedilne (simbolične), grafične, video itd.

Na primer, tabela kod ASCII (iz angleščine American Standard Code for Information Interchange) se uporablja za kodiranje besedilnih informacij. En znak je zapisan v enem bajtu, ki lahko sprejme 256 vrednosti. Grafične informacije so razdeljene na pike (slikovne pike), barva in položaj vsake pike pa sta kodirana vodoravno in navpično.

MS poleg binarnega in decimalnega sistema uporablja še šestnajstiški sistem, v katerem se za zapisovanje števil uporabljajo simboli 0 ... 9 in A ... F. Njegova uporaba je posledica dejstva, da je en bajt opisan z dvema -mestno šestnajstiško število, ki močno zmanjša zapis numerične kode in jo naredi bolj berljivo (11111111 — FF).

Tabela 1 — Zapisovanje števil v različnih številskih sistemih

Če želite določiti vrednost števila (na primer, vrednost števila 100 za različne številske sisteme je lahko 42, 10010, 25616), na koncu številke dodajte latinično črko, ki označuje številski sistem: za dvojiška števila črka b, za šestnajstiška števila — h , za decimalna števila — d. Število brez dodatne oznake se šteje za decimalno.

Pretvarjanje števil iz enega sistema v drugega ter osnovne aritmetične in logične operacije s števili vam omogočajo izdelavo inženirskega kalkulatorja (standardna aplikacija operacijskega sistema Windows).

Zgradba mikroprocesorskega sistema

Mikroprocesorski sistem temelji na mikroprocesorju (procesorju), ki opravlja funkcije obdelave informacij in krmiljenja. Ostale naprave, ki sestavljajo mikroprocesorski sistem, služijo procesorju tako, da mu pomagajo pri delu.

Obvezne naprave za ustvarjanje mikroprocesorskega sistema so vhodno/izhodna vrata in delno pomnilnik... Vhodno-izhodna vrata povezujejo procesor z zunanjim svetom z zagotavljanjem informacij za obdelavo in izpisom rezultatov obdelave ali krmilnih dejanj. Na vhodna vrata so priključeni gumbi (tipkovnica), različni senzorji; do izhodnih vrat — naprave, ki omogočajo električno krmiljenje: indikatorji, zasloni, kontaktorji, elektromagnetni ventili, elektromotorji itd.

Pomnilnik je v prvi vrsti potreben za shranjevanje programa (ali nabora programov), ki je potreben za delovanje procesorja. Program je zaporedje ukazov, ki jih procesor razume in jih napiše človek (običajno programer).

Struktura mikroprocesorskega sistema je prikazana na sliki 1. Poenostavljeno je procesor sestavljen iz aritmetično logične enote (ALU), ki obdeluje digitalne informacije, in krmilne enote (CU).

Pomnilnik običajno vključuje pomnilnik samo za branje (ROM), ki je obstojen in je namenjen dolgoročnemu shranjevanju informacij (npr. programov), in pomnilnik z naključnim dostopom (RAM), namenjen začasnemu shranjevanju podatkov.

Slika 1 — Zgradba mikroprocesorskega sistema

Procesor, vrata in pomnilnik med seboj komunicirajo prek vodil. Vodilo je niz žic, ki so funkcionalno združene. En sam niz sistemskih vodil se imenuje znotrajsistemsko vodilo, v katerem so:

• podatkovno vodilo DB (Data Bus), preko katerega se izmenjujejo podatki med procesorjem, pomnilnikom in vrati;

• naslovno vodilo AB (Address Bus), ki se uporablja za naslavljanje pomnilniških celic in vrat procesorja;

• krmilno vodilo CB (Control Bus), niz linij, ki prenašajo različne krmilne signale od procesorja do zunanjih naprav in obratno.

Mikroprocesorji

Mikroprocesor - programsko nadzorovana naprava, namenjena obdelavi digitalnih informacij in nadzoru procesa te obdelave, izdelana v obliki enega (ali več) integriranih vezij z visoko stopnjo integracije elektronskih elementov.

Za mikroprocesor je značilno veliko število parametrov, saj je hkrati kompleksna programsko vodena naprava in elektronska naprava (mikrovezje). Zato sta za mikroprocesor tako vrsta ohišja kot nabor navodil za procesor ... Zmogljivosti mikroprocesorja so opredeljene s konceptom arhitekture mikroprocesorja.

Predpona "mikro" v imenu procesorja pomeni, da je izveden z mikronsko tehnologijo.

Slika 2 — Zunanji pogled na mikroprocesor Intel Pentium 4

Med delovanjem mikroprocesor bere programske ukaze iz pomnilnika ali vhodnih vrat in jih izvaja. Kaj posamezen ukaz pomeni, določa nabor ukazov procesorja.Nabor ukazov je vgrajen v arhitekturo mikroprocesorja, izvajanje ukazne kode pa se izraža v izvajanju določenih mikrooperacij s strani notranjih elementov procesorja.

Mikroprocesorska arhitektura — to je njegova logična organizacija; opredeljuje zmožnosti mikroprocesorja v smislu strojne in programske izvedbe funkcij, potrebnih za izgradnjo mikroprocesorskega sistema.

Glavne značilnosti mikroprocesorjev:

1) Urna frekvenca (merska enota MHz ali GHz) — število taktnih impulzov v 1 sekundi.Taktne impulze generira taktni generator, ki se običajno nahaja znotraj procesorja. Ker se vse operacije (navodila) izvajajo v taktih, je delovna zmogljivost (število opravljenih operacij na časovno enoto) odvisna od frekvence takta. Frekvenca procesorja se lahko razlikuje v določenih mejah.

2) Bitni procesor (8, 16, 32, 64 bitov itd.) — določa število bajtov podatkov, obdelanih v enem taktu. Bitna širina procesorja je določena z bitno širino njegovih notranjih registrov. Procesor je lahko 8-bitni, 16-bitni, 32-bitni, 64-bitni itd., tj. podatki se obdelujejo v kosih po 1, 2, 4, 8 bajtov. Jasno je, da večja kot je bitna globina, večja je produktivnost dela.

Notranja arhitektura mikroprocesorja

Poenostavljena notranja arhitektura tipičnega 8-bitnega mikroprocesorja je prikazana na sliki 3. Zgradbo mikroprocesorja lahko razdelimo na tri glavne dele:

1) Registri za začasno hrambo ukazov, podatkov in naslovov;

2) Aritmetično logična enota (ALU), ki izvaja aritmetične in logične operacije;

3) Krmilno in časovno vezje — zagotavlja izbiro ukazov, organizira delovanje ALU, omogoča dostop do vseh mikroprocesorskih registrov, zaznava in generira zunanje krmilne signale.

Slika 3 — Poenostavljena notranja arhitektura 8-bitnega mikroprocesorja

Kot je razvidno iz diagrama, procesor temelji na registrih, ki jih delimo na posebne (namenske) in splošne.

Programski števec (računalnik) — register, ki vsebuje naslov naslednjega ukaznega bajta. Procesor mora vedeti, kateri ukaz bo naslednji izveden.

Baterija — register, ki se uporablja v večini navodil za logično in aritmetično obdelavo; je hkrati vir enega od bajtov podatkov, ki so potrebni za operacijo ALU, in mesto, kjer je rezultat operacije ALU.

Funkcijski register (ali register zastavic) vsebuje informacije o notranjem stanju mikroprocesorja, natančneje o rezultatu zadnje operacije ALU. Register zastavic ni register v običajnem pomenu, ampak preprosto niz japonk (zastavica gor ali dol. Običajno obstajajo ničelne, prelivne, negativne in prenosne zastavice).

Kazalec sklada (SP) — spremlja položaj sklada, kar pomeni, da vsebuje naslov zadnje uporabljene celice. Stack — način organizacije shranjevanja podatkov.

Ukazni register vsebuje trenutni ukazni bajt, ki ga dekodira ukazni dekoder.

Zunanji vodilni vodi so ločeni od notranjih vodilnih vodov z odbojniki, glavni notranji elementi pa so povezani s hitrim notranjim podatkovnim vodilom.

Za izboljšanje zmogljivosti večprocesorskega sistema je mogoče funkcije centralnega procesorja porazdeliti med več procesorjev. Za pomoč centralnemu procesorju računalnik pogosto uvaja koprocesorje, ki so osredotočeni na učinkovito izvajanje katere koli posebne funkcije. Razširjeni matematični in grafični koprocesorji, vhod in izhod razbremenijo centralni procesor od preprostih, a številnih operacij interakcije z zunanjimi napravami.

Na trenutni stopnji je glavna smer povečanja produktivnosti razvoj večjedrnih procesorjev, tj. združevanje dveh ali več procesorjev v enem ohišju za izvajanje več operacij vzporedno (hkrati).

Intel in AMD sta vodilni podjetji za načrtovanje in proizvodnjo procesorjev.

Algoritem mikroprocesorskega sistema

Algoritem - natančen predpis, ki edinstveno določa postopek pretvorbe začetnih informacij v zaporedje operacij, ki omogočajo reševanje niza nalog določenega razreda in doseganje želenega rezultata.

Glavni krmilni element celotnega mikroprocesorskega sistema je procesor... Ta, z izjemo nekaj posebnih primerov, krmili vse ostale naprave. Preostale naprave, kot so RAM, ROM in V/I vrata, so podrejene.

Takoj ko se vklopi, začne procesor brati digitalne kode iz pomnilniškega področja, ki je rezervirano za shranjevanje programov. Branje poteka zaporedno od celice do celice, začenši od prve. Celica vsebuje podatke, naslove in ukaze. Navodilo je eno od osnovnih dejanj, ki jih lahko izvede mikroprocesor. Vse delo mikroprocesorja je zmanjšano na zaporedno branje in izvajanje ukazov.

Razmislite o zaporedju dejanj mikroprocesorja med izvajanjem programskih ukazov:

1) Preden se izvrši naslednji ukaz, mikroprocesor shrani svoj naslov v števec računalniških programov.

2) MP dostopa do pomnilnika na naslovu, ki ga vsebuje računalnik, in iz pomnilnika prebere prvi bajt naslednjega ukaza v ukaznem registru.

3) Dekoder ukazov dekodira (dešifrira) kodo ukaza.

4) V skladu z informacijami, prejetimi iz dekoderja, krmilna enota ustvari časovno urejeno zaporedje mikrooperacij, ki izvajajo ukazna navodila, vključno z:

— pridobi operande iz registrov in pomnilnika;

— nad njimi izvaja aritmetične, logične ali druge operacije, kot jih predpisuje ukazna koda;

— glede na dolžino ukaza spreminja vsebino računalnika;

— prenese nadzor na naslednji ukaz, katerega naslov je spet v števcu računalniškega programa.

Nabor navodil za mikroprocesor lahko razdelimo v tri skupine:

1) Ukazi za premikanje podatkov

Prenos poteka med pomnilnikom, procesorjem, V/I vrati (vsaka vrata imajo svoj naslov), med registri procesorja.

2) Ukazi za pretvorbo podatkov

Vsi podatki (besedilo, slika, video itd.) so številke, s številkami pa je mogoče izvajati le aritmetične in logične operacije. Zato ukazi te skupine vključujejo seštevanje, odštevanje, primerjavo, logične operacije itd.

3) Prenos nadzornega povelja

Zelo redko je, da je program sestavljen iz enega samega zaporednega ukaza. Večina algoritmov zahteva razvejanje programa. Da program spremeni algoritem svojega dela, odvisno od katerega koli stanja, se uporabljajo ukazi za prenos nadzora. Ti ukazi zagotavljajo potek izvajanja programa po različnih poteh in organizirajo zanke.

Zunanje naprave

Zunanje naprave vključujejo vse naprave, ki so zunanje glede na procesor (razen RAM-a) in so povezane prek V/I vrat. Zunanje naprave lahko razdelimo v tri skupine:

1) komunikacijske naprave med človekom in računalnikom (tipkovnica, monitor, tiskalnik itd.);

2) naprave za komunikacijo z nadzornimi objekti (senzorji, aktuatorji, ADC in DAC);

3) zunanje pomnilniške naprave z veliko kapaciteto (trdi disk, diskete).

Zunanje naprave so na mikroprocesorski sistem povezane fizično — preko konektorjev in logično — preko vrat (krmilnikov).

Prekinitveni sistem (mehanizem) se uporablja za vmesnik med procesorjem in zunanjimi napravami.

Sistem prekinitev

To je poseben mehanizem, ki omogoča, da kadar koli prek zunanjega signala prisili procesor, da ustavi izvajanje glavnega programa, izvede operacije, povezane z dogodkom, ki je povzročil prekinitev, in se nato vrne k izvajanju glavnega programa. .

Vsak mikroprocesor ima vsaj en vhod za zahtevo po prekinitvi INT (iz besede Interrupt).

Oglejmo si primer interakcije procesorja osebnega računalnika s tipkovnico (slika 4).

Tipkovnica — naprava za vnos simbolnih informacij in krmilnih ukazov. Za priključitev tipkovnice ima računalnik posebna vrata za tipkovnico (čip).

Slika 4 — Delovanje procesorja s tipkovnico

Algoritem dela:

1) Ko pritisnete tipko, krmilnik tipkovnice ustvari številčno kodo. Ta signal gre do čipa vrat tipkovnice.

2) Vrata tipkovnice pošljejo prekinitveni signal CPE-ju. Vsaka zunanja naprava ima svojo prekinitveno številko, po kateri jo procesor prepozna.

3) Po prejemu prekinitve s tipkovnice procesor prekine izvajanje programa (npr. urejevalnik Microsoft Office Word) in iz pomnilnika naloži program za obdelavo kod tipkovnice. Tak program se imenuje gonilnik.

4) Ta program usmeri procesor na vrata tipkovnice in številčna koda se naloži v register procesorja.

5) Digitalna koda se shrani v pomnilnik in procesor nadaljuje z izvajanjem druge naloge.

Zaradi visoke hitrosti delovanja procesor izvaja veliko število procesov hkrati.