Mikroprocesorové systémy

Využití mikroprocesorových systémů téměř ve všech elektrických zařízeních je nejdůležitějším rysem technické infrastruktury moderní společnosti. Elektřina, průmysl, doprava, komunikační systémy jsou vysoce závislé na počítačových řídicích systémech. Mikroprocesorové systémy jsou zabudovány do měřicích přístrojů, elektrických zařízení, osvětlovacích zařízení atd.

To vše zavazuje elektrotechnika znát alespoň základy mikroprocesorové techniky.

Mikroprocesorové systémy jsou určeny k automatizaci zpracování informací a řízení různých procesů.

Pojem "mikroprocesorový systém" je velmi široký a zahrnuje takové pojmy jako "elektronický výpočetní stroj (ECM)", "řídicí počítač", "počítač" a další.

Mikroprocesorový systém zahrnuje Hardware nebo v angličtině — hardware and software (Software) — software.

Digitální informace

Mikroprocesorový systém pracuje s digitální informací, což je řada číselných kódů.

Jádrem každého mikroprocesorového systému je mikroprocesor, který může přijímat pouze binární čísla (složená z 0s a 1s).Binární čísla se zapisují pomocí binární číselné soustavy. Například v každodenním životě používáme desítkový číselný systém, který používá deset znaků nebo číslic k zápisu čísel, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. V binárním systému tedy existují pouze dva takové symboly (nebo číslice) — 0 a 1.

Je třeba pochopit, že číselný systém je pouze pravidly pro psaní čísel a výběr typu systému bude určen snadností použití. Volba binárního systému je dána jeho jednoduchostí, což znamená spolehlivost digitálních zařízení a snadnost jejich technické implementace.

Zvažte jednotky měření digitální informace:

Bit (z anglického «Binary digiT» — binární číslice) nabývá pouze dvou hodnot: 0 nebo 1. Můžete kódovat logickou hodnotu «ano» nebo «ne», stav «zapnuto» nebo «vypnuto», stav « otevřeno» «nebo» zavřeno «atd.

Skupina osmi bitů se nazývá bajt, například 10010111. Jeden bajt umožňuje zakódovat 256 hodnot: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bit je nejmenší jednotka informace.

Byte — nejmenší jednotka zpracování informací. Bajt - část strojového slova, obvykle sestávající z 8 bitů a sloužící jako jednotka pro množství informací při jejich ukládání, přenosu a zpracování v počítači. Bajt slouží k reprezentaci písmen, slabik a speciálních znaků (obvykle zabírajících všech 8 bitů) nebo desetinných číslic (každá 2 číslice v 1 bajtu).

Dva souvislé bajty se nazývají slovo, 4 bajty dvojité slovo, 8 bajtů slovo čtveřice.

Téměř všechny informace, které nás obklopují, jsou analogové. Proto, než informace vstoupí do procesoru ke zpracování, je převedena pomocí ADC (analogově-digitální převodník).Kromě toho jsou informace zakódovány v určitém formátu a mohou být digitální, logické, textové (symbolické), grafické, video atd.

Ke kódování textových informací se používá například tabulka ASCII kódů (z anglického American Standard Code for Information Interchange). Jeden znak se zapisuje do jednoho bajtu, který může nabývat 256 hodnot. Grafické informace jsou rozděleny do bodů (pixelů) a barva a poloha každého bodu je kódována vodorovně a svisle.

Kromě dvojkové a desítkové soustavy používá MS hexadecimální soustavu, ve které se pro zápis čísel používají symboly 0 ... 9 a A ... F. Její použití je dáno tím, že jeden bajt je popsán dvojkou -ciferné hexadecimální číslo, které výrazně omezuje záznam číselného kódu a činí jej čitelnějším (11111111 — FF).

Tabulka 1 — Zápis čísel v různých číselných soustavách

Chcete-li určit hodnotu čísla (například hodnota čísla 100 pro různé číselné soustavy může být 42, 10010, 25616), přidejte na konec čísla latinské písmeno označující číselnou soustavu: pro binární čísla písmeno b, pro hexadecimální čísla — h , pro desetinná čísla — d. Číslo bez dodatečného označení se považuje za desetinné.

Převod čísel z jednoho systému do druhého a základní aritmetické a logické operace s čísly vám umožní vytvořit inženýrskou kalkulačku (standardní aplikace operačního systému Windows).

Struktura mikroprocesorového systému

Mikroprocesorový systém je založen na mikroprocesoru (procesoru), který provádí zpracování informací a řídicí funkce. Zbytek zařízení, která tvoří mikroprocesorový systém, slouží procesoru tím, že mu pomáhají pracovat.

Povinnými zařízeními pro vytvoření mikroprocesorového systému jsou vstupní / výstupní porty a částečně paměť... Vstupně - výstupní porty propojují procesor s vnějším světem poskytováním informací pro zpracování a výstup výsledků zpracování nebo řídicích akcí. Na vstupní porty jsou připojena tlačítka (klávesnice), různé senzory; do výstupních portů — zařízení, která umožňují elektrické ovládání: indikátory, displeje, stykače, solenoidové ventily, elektromotory atd.

Paměť je primárně potřebná pro uložení programu (nebo sady programů) nezbytných pro chod procesoru. Program je posloupnost příkazů, kterým procesor rozumí, napsaných člověkem (obvykle programátorem).

Struktura mikroprocesorového systému je znázorněna na obrázku 1. Ve zjednodušené podobě se procesor skládá z aritmeticky logické jednotky (ALU), která zpracovává digitální informace, a z řídicí jednotky (CU).

Paměť obvykle zahrnuje paměť pouze pro čtení (ROM), která je energeticky nezávislá a je určena pro dlouhodobé ukládání informací (např. programů), a paměť s náhodným přístupem (RAM), určená pro dočasné ukládání dat.

Obrázek 1 – Struktura mikroprocesorového systému

Procesor, porty a paměť spolu komunikují prostřednictvím sběrnic. Sběrnice je sada vodičů, které jsou funkčně sjednoceny. Jediná sada systémových sběrnic se nazývá intrasystémová sběrnice, ve které jsou:

• DB datová sběrnice (Data Bus), prostřednictvím které dochází k výměně dat mezi procesorem, pamětí a porty;

• adresová sběrnice AB (Address Bus), sloužící k adresování paměťových buněk a portů procesoru;

• řídicí sběrnice CB (Control Bus), soubor linek, které přenášejí různé řídicí signály z procesoru do externích zařízení a naopak.

Mikroprocesory

Mikroprocesor — softwarově řízené zařízení určené ke zpracování digitální informace a řízení procesu tohoto zpracování, vyrobené ve formě jednoho (nebo několika) integrovaných obvodů s vysokým stupněm integrace elektronických prvků.

Mikroprocesor se vyznačuje velkým množstvím parametrů, jelikož jde jak o složité softwarově řízené zařízení, tak o elektronické zařízení (mikroobvod). Proto u mikroprocesoru platí jak typ pouzdra, tak instrukční sada pro procesor… Schopnosti mikroprocesoru jsou definovány koncepcí architektury mikroprocesoru.

Předpona «micro» v názvu procesoru znamená, že je implementován pomocí mikronové technologie.

Obrázek 2 – Vnější pohled na mikroprocesor Intel Pentium 4

Během provozu mikroprocesor čte příkazy programu z paměti nebo vstupního portu a provádí je. Co každý příkaz znamená, je určeno instrukční sadou procesoru Instrukční sada je zabudována do architektury mikroprocesoru a provedení příkazového kódu je vyjádřeno prováděním určitých mikrooperací vnitřními prvky procesoru.

Architektura mikroprocesoru — to je jeho logická organizace; definuje schopnosti mikroprocesoru z hlediska hardwarové a softwarové implementace funkcí potřebných k vybudování mikroprocesorového systému.

Hlavní vlastnosti mikroprocesorů:

1) Frekvence hodin (měrná jednotka MHz nebo GHz) — počet hodinových impulsů za 1 sekundu.Hodinové impulsy jsou generovány generátorem hodin, který je obvykle umístěn uvnitř procesoru. Protože všechny operace (instrukce) jsou prováděny v hodinových cyklech, pak pracovní výkon (počet operací provedených za jednotku času) závisí na taktovací frekvenci. Frekvence procesoru se může v určitých mezích lišit.

2) Bitový procesor (8, 16, 32, 64 bitů atd.) — určuje počet bytů dat zpracovaných v jednom hodinovém cyklu. Bitová šířka procesoru je určena bitovou šířkou jeho vnitřních registrů. Procesor může být 8bitový, 16bitový, 32bitový, 64bitový atd. tzn. data jsou zpracovávána v blocích po 1, 2, 4, 8 bytech. Je jasné, že čím větší bitová hloubka, tím vyšší produktivita práce.

Vnitřní architektura mikroprocesoru

Zjednodušená vnitřní architektura typického 8bitového mikroprocesoru je znázorněna na obrázku 3. Strukturu mikroprocesoru lze rozdělit do tří hlavních částí:

1) Registry pro dočasné ukládání příkazů, dat a adres;

2) Aritmetická logická jednotka (ALU), která provádí aritmetické a logické operace;

3) Řídicí a časovací obvod — zajišťuje výběr příkazů, organizuje činnost ALU, poskytuje přístup ke všem mikroprocesorovým registrům, vnímá a generuje externí řídicí signály.

Obrázek 3 – Zjednodušená vnitřní architektura 8bitového mikroprocesoru

Jak je patrné ze schématu, procesor je založen na registrech, které se dělí na speciální (se specifickým určením) a obecné registry.

Program counter (počítač) — registr obsahující adresu dalšího příkazového bajtu. Procesor potřebuje vědět, který příkaz bude proveden jako další.

Baterie — registr používaný ve většině instrukcí pro logické a aritmetické zpracování; je to jak zdroj jednoho z bajtů dat potřebných pro operaci ALU, tak místo, kam je umístěn výsledek operace ALU.

Funkční registr (nebo příznakový registr) obsahuje informace o vnitřním stavu mikroprocesoru, konkrétně o výsledku poslední operace ALU. Registr příznaků není registr v obvyklém smyslu, ale jednoduše sada klopných obvodů (příznak nahoru nebo dolů. Obvykle jsou příznaky nula, přetečení, záporné a nesoucí příznaky).

Ukazatel zásobníku (SP) — sleduje polohu zásobníku, to znamená, že obsahuje adresu jeho poslední použité buňky. Zásobník — způsob organizace ukládání dat.

Příkazový registr obsahuje aktuální příkazový bajt, který je dekódován příkazovým dekodérem.

Externí sběrnicové linky jsou izolovány od vnitřních sběrnicových linek vyrovnávacími pamětmi a hlavní vnitřní prvky jsou propojeny vysokorychlostní interní datovou sběrnicí.

Pro zlepšení výkonu víceprocesorového systému lze funkce centrálního procesoru rozdělit mezi několik procesorů. Aby pomohl centrálnímu procesoru, počítač často zavádí koprocesory, zaměřené na efektivní provádění jakýchkoli specifických funkcí. Rozsáhlé matematické a grafické koprocesory, vstup a výstup odlehčující centrálnímu procesoru od jednoduchých, ale četných operací interakce s externími zařízeními.

V současné fázi je hlavním směrem zvyšování produktivity vývoj vícejádrových procesorů, tzn. spojení dvou nebo více procesorů v jednom případě pro provádění několika operací paralelně (současně).

Intel a AMD jsou předními společnostmi v oblasti navrhování a výroby procesorů.

Algoritmus mikroprocesorového systému

Algoritmus — přesný předpis, který jedinečně nastavuje proces transformace počáteční informace do sledu operací, které umožňují vyřešit sadu úloh určité třídy a získat požadovaný výsledek.

Hlavním ovládacím prvkem celého mikroprocesorového systému je procesor... Ten až na pár speciálních případů ovládá všechna ostatní zařízení. Zbývající zařízení, jako jsou RAM, ROM a I/O porty, jsou podřízena.

Jakmile se zapne, procesor začne číst digitální kódy z oblasti paměti, která je vyhrazena pro ukládání programů. Čtení se provádí postupně buňka po buňce, počínaje úplně první. Buňka obsahuje data, adresy a příkazy. Instrukce je jednou ze základních akcí, které může mikroprocesor provádět. Veškerá práce mikroprocesoru je zredukována na sekvenční čtení a provádění příkazů.

Zvažte posloupnost akcí mikroprocesoru během provádění příkazů programu:

1) Před provedením další instrukce si mikroprocesor uloží svou adresu do čítače počítačových programů.

2) MP přistupuje do paměti na adrese obsažené v počítači a čte z paměti první bajt dalšího příkazu v registru příkazů.

3) Příkazový dekodér dekóduje (dešifruje) kód příkazu.

4) V souladu s informacemi přijatými z dekodéru řídicí jednotka generuje časově uspořádanou sekvenci mikrooperací, které provádějí příkazové instrukce, včetně:

— získává operandy z registrů a paměti;

— provádí na nich aritmetické, logické nebo jiné operace předepsané příkazovým kódem;

— v závislosti na délce příkazu změní obsah počítače;

— předá řízení dalšímu příkazu, jehož adresa je opět v čítači počítačových programů.

Instrukční sadu pro mikroprocesor lze rozdělit do tří skupin:

1) Příkazy pro přesun dat

Přenos probíhá mezi pamětí, procesorem, I/O porty (každý port má svou adresu), mezi registry procesoru.

2) Příkazy transformace dat

Všechna data (text, obrázek, video atd.) jsou čísla a s čísly lze provádět pouze aritmetické a logické operace. Proto příkazy této skupiny zahrnují sčítání, odčítání, porovnávání, logické operace atd.

3) Předání řídicího příkazu

Je velmi vzácné, aby se program skládal z jediné sekvenční instrukce. Většina algoritmů vyžaduje větvení programu. Aby program mohl změnit algoritmus své práce v závislosti na jakékoli podmínce, používají se příkazy pro přenos řízení. Tyto příkazy zajišťují tok provádění programu po různých cestách a organizují smyčky.

Externí zařízení

Externí zařízení zahrnují všechna zařízení, která jsou externí k procesoru (kromě RAM) a připojená přes I/O porty. Externí zařízení lze rozdělit do tří skupin:

1) komunikační zařízení člověk-počítač (klávesnice, monitor, tiskárna atd.);

2) zařízení pro komunikaci s řídicími objekty (senzory, akční členy, ADC a DAC);

3) externí paměťová zařízení s velkou kapacitou (pevný disk, diskety).

Externí zařízení jsou připojena k mikroprocesorovému systému fyzicky — přes konektory a logicky — přes porty (řadiče).

K rozhraní mezi procesorem a externími zařízeními se používá systém přerušení (mechanismus).

Systém přerušení

Jedná se o speciální mechanismus, který umožňuje kdykoli pomocí externího signálu přinutit procesor zastavit provádění hlavního programu, provést operace související s událostí, která způsobila přerušení, a poté se vrátit ke spuštění hlavního programu. .

Každý mikroprocesor má alespoň jeden vstup požadavku na přerušení INT (od slova Interrupt).

Uvažujme příklad interakce procesoru osobního počítače s klávesnicí (obrázek 4).

Klávesnice — zařízení pro zadávání symbolických informací a ovládacích příkazů. Pro připojení klávesnice má počítač speciální port klávesnice (čip).

Obrázek 4 – Provoz CPU s klávesnicí

Algoritmus práce:

1) Po stisknutí klávesy vygeneruje ovladač klávesnice číselný kód. Tento signál jde do čipu portu klávesnice.

2) Port klávesnice vysílá signál přerušení do CPU. Každé externí zařízení má své vlastní číslo přerušení, podle kterého jej procesor rozpozná.

3) Po přijetí přerušení z klávesnice procesor přeruší provádění programu (například editor Microsoft Office Word) a načte program pro zpracování kódů klávesnice z paměti. Takový program se nazývá ovladač.

4) Tento program nasměruje procesor na port klávesnice a číselný kód se načte do registru procesoru.

5) Digitální kód se uloží do paměti a procesor pokračuje v plnění dalšího úkolu.

Díky vysoké rychlosti provozu procesor provádí velké množství procesů současně.