Mikroprocessorsystem

Användningen av mikroprocessorsystem i nästan alla elektriska enheter är den viktigaste egenskapen i den tekniska infrastrukturen i det moderna samhället. El, industri, transport, kommunikationssystem är starkt beroende av datorstyrningssystem. Mikroprocessorsystem är inbäddade i mätinstrument, elektriska apparater, belysningsinstallationer m.m.

Allt detta tvingar elingenjören att känna till åtminstone grunderna i mikroprocessorteknik.

Mikroprocessorsystem är designade för att automatisera informationsbehandling och styra olika processer.

Termen "mikroprocessorsystem" är mycket bred och inkluderar sådana begrepp som "elektronisk datormaskin (ECM)", "kontrolldator", "dator" och andra.

Mikroprocessorsystemet inkluderar hårdvara eller på engelska — hårdvara och mjukvara (mjukvara) — mjukvara.

Digital information

Mikroprocessorsystemet arbetar med digital information, som är en serie numeriska koder.

Kärnan i alla mikroprocessorsystem är en mikroprocessor som bara kan acceptera binära tal (som består av 0:or och 1:or).Binära tal skrivs med hjälp av det binära talsystemet. Till exempel, i vardagen använder vi ett decimaltalsystem som använder tio tecken eller siffror för att skriva siffror, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Följaktligen finns det i det binära systemet bara två sådana symboler (eller siffror) - 0 och 1.

Det är nödvändigt att förstå att nummersystemet bara är reglerna för att skriva siffror, och valet av typ av system kommer att bestämmas av användarvänligheten. Valet av ett binärt system beror på dess enkelhet, vilket innebär tillförlitligheten hos digitala enheter och enkelheten i deras tekniska implementering.

Tänk på måttenheterna för digital information:

En bit (från engelskan «BInary siffra» — binär siffra) tar bara två värden: 0 eller 1. Du kan koda det logiska värdet «ja» eller «nej», tillståndet «på» eller «av», tillståndet « öppen» «eller» stängd «osv.

En grupp på åtta bitar kallas en byte, till exempel 10010111. En byte låter dig koda 256 värden: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

En bit är den minsta informationsenheten.

Byte — den minsta enheten för informationsbehandling. Byte - en del av ett maskinord, vanligtvis bestående av 8 bitar och används som en enhet för mängden information under dess lagring, överföring och bearbetning på en dator. En byte tjänar till att representera bokstäver, stavelser och specialtecken (vanligtvis upptar alla 8 bitar) eller decimalsiffror (var och en 2 siffror i 1 byte).

Två sammanhängande byte kallas ett ord, 4 byte ett dubbelord, 8 byte ett quad-ord.

Nästan all information som omger oss är analog. Därför, innan informationen kommer in i processorn för bearbetning, omvandlas den med hjälp av en ADC (analog-till-digital-omvandlare).Dessutom är informationen kodad i ett visst format och kan vara digital, logisk, textuell (symbolisk), grafisk, video osv.

Till exempel används en tabell med ASCII-koder (från engelska American Standard Code for Information Interchange) för att koda textinformation. Ett tecken skrivs i en byte, som kan ta 256 värden. Grafisk information är uppdelad i punkter (pixlar), och färgen och positionen för varje punkt kodas horisontellt och vertikalt.

Utöver de binära och decimala systemen använder MS ett hexadecimalt system där symbolerna 0 ... 9 och A ... F används för att skriva tal. Användningen beror på att en byte beskrivs av en två -siffrigt hexadecimalt tal, vilket avsevärt minskar registreringen av den numeriska koden och gör den mer läsbar (11111111 — FF).

Tabell 1 — Skriva nummer i olika talsystem

För att bestämma värdet på siffran (till exempel kan värdet på siffran 100 för olika talsystem vara 42, 10010, 25616), lägg till en latinsk bokstav som indikerar talsystemet i slutet av siffran: för binära tal bokstaven b, för hexadecimala tal — h , för decimala tal — d. Ett tal utan ytterligare beteckning anses vara en decimal.

Konvertering av siffror från ett system till ett annat och grundläggande aritmetiska och logiska operationer med siffror gör att du kan göra en teknisk kalkylator (standardapplikation av Windows-operativsystemet).

Struktur för ett mikroprocessorsystem

Mikroprocessorsystemet är baserat på en mikroprocessor (processor) som utför informationsbearbetning och kontrollfunktioner. Resten av enheterna som utgör mikroprocessorsystemet tjänar processorn genom att hjälpa den att fungera.

Obligatoriska enheter för att skapa ett mikroprocessorsystem är ingångs-/utgångsportar och delvis minne... Ingång - utgångsportar kopplar processorn till omvärlden genom att tillhandahålla information för bearbetning och utmatning av resultat av bearbetnings- eller kontrollåtgärder. Knappar (tangentbord), olika sensorer är anslutna till ingångsportarna; till utgångsportar — enheter som tillåter elektrisk styrning: indikatorer, displayer, kontaktorer, magnetventiler, elmotorer, etc.

Minne behövs i första hand för att lagra ett program (eller en uppsättning program) som behövs för att processorn ska fungera. Ett program är en sekvens av kommandon som processorn förstår, skrivna av en människa (vanligtvis en programmerare).

Strukturen för ett mikroprocessorsystem visas i figur 1. I en förenklad form består processorn av en aritmetisk logisk enhet (ALU) som behandlar digital information och en styrenhet (CU).

Minnet inkluderar vanligtvis läsminne (ROM), som är icke-flyktigt och avsett för långtidslagring av information (t.ex. program), och slumpmässigt åtkomstminne (RAM), avsett för tillfällig datalagring.

Figur 1 — Strukturen för mikroprocessorsystemet

Processorn, portarna och minnet kommunicerar med varandra via bussar. En buss är en uppsättning ledningar som är funktionellt förenade. En enda uppsättning systembussar kallas intrasystembuss, där det finns:

• DB-databuss (Data Bus), genom vilken data utbyts mellan processorn, minnet och portarna;

• adressbuss AB (Address Bus), används för att adressera processorns minnesceller och portar;

• kontrollbuss CB (Control Bus), en uppsättning linjer som överför olika styrsignaler från processorn till externa enheter och vice versa.

Mikroprocessorer

Mikroprocessor — en mjukvarustyrd enhet utformad för att bearbeta digital information och styra processen för denna bearbetning, gjord i form av en (eller flera) integrerade kretsar med en hög grad av integration av elektroniska element.

En mikroprocessor kännetecknas av ett stort antal parametrar, eftersom det är både en komplex mjukvarustyrd enhet och en elektronisk enhet (mikrokrets). Därför, för en mikroprocessor, både falltypen och instruktionsuppsättningen för processorn... Möjligheterna hos en mikroprocessor definieras av konceptet mikroprocessorarkitektur.

Prefixet «mikro» i processorns namn betyder att det är implementerat med hjälp av mikronteknik.

Figur 2 — Extern vy av Intel Pentium 4-mikroprocessorn

Under drift läser mikroprocessorn programkommandon från minnet eller en ingångsport och exekverar dem. Vad varje kommando betyder bestäms av processorns instruktionsuppsättning.Instruktionsuppsättningen är inbyggd i mikroprocessorns arkitektur, och exekveringen av kommandokoden uttrycks i exekvering av vissa mikrooperationer av processorns interna element.

Mikroprocessorarkitektur — detta är dess logiska organisation; den definierar mikroprocessorns kapacitet i termer av hård- och mjukvaruimplementering av de funktioner som krävs för att bygga ett mikroprocessorsystem.

Huvudegenskaper hos mikroprocessorer:

1) Klockfrekvens (måttenhet MHz eller GHz) — antalet klockpulser på 1 sekund.Klockpulserna genereras av en klockgenerator, som vanligtvis är placerad inuti processorn. Eftersom alla operationer (instruktioner) utförs i klockcykler, beror arbetsprestandan (antalet operationer som utförs per tidsenhet) på klockfrekvensen. Processorns frekvens kan variera inom vissa gränser.

2) Bitprocessor (8, 16, 32, 64 bitar, etc.) — anger antalet byte data som behandlas i en klockcykel. Bitbredden för en processor bestäms av bitbredden för dess interna register. En processor kan vara 8-bitars, 16-bitars, 32-bitars, 64-bitars etc. dvs. data bearbetas i bitar om 1, 2, 4, 8 byte. Det är tydligt att ju större bitdjup desto högre arbetsproduktivitet.

Mikroprocessorns inre arkitektur

En förenklad intern arkitektur för en typisk 8-bitars mikroprocessor visas i figur 3. Mikroprocessorns struktur kan delas in i tre huvuddelar:

1) Register för tillfällig lagring av kommandon, data och adresser;

2) Aritmetisk logisk enhet (ALU) som utför aritmetiska och logiska operationer;

3) Styr- och tidskrets — ger kommandoval, organiserar driften av ALU, ger tillgång till alla mikroprocessorregister, uppfattar och genererar externa styrsignaler.

Figur 3 — Förenklad intern arkitektur för en 8-bitars mikroprocessor

Som du kan se i diagrammet är processorn baserad på register, som är uppdelade i specialregister (med ett specifikt syfte) och allmänna register.

Programräknare (dator) — ett register som innehåller adressen till nästa kommandobyte. Processorn måste veta vilket kommando som kommer att köras härnäst.

Batteri — ett register som används i de flesta instruktioner för logik och aritmetisk bearbetning; det är både källan till en av de databytes som krävs för ALU-operationen och platsen där resultatet av ALU-operationen placeras.

Ett funktionsregister (eller flaggregister) innehåller information om mikroprocessorns interna tillstånd, specifikt resultatet av den senaste ALU-operationen. Ett flaggregister är inte ett register i vanlig mening, utan helt enkelt en uppsättning vippor (flagga uppåt eller nedåt. Det finns vanligtvis noll-, överflödes-, negativ- och bärflaggor).

Stack Pointer (SP) — håller reda på stackens position, det vill säga den innehåller adressen till dess senast använda cell. Stack — ett sätt att organisera datalagring.

Ett kommandoregister innehåller den aktuella kommandobyten som avkodas av kommandoavkodaren.

De externa busslinjerna är isolerade från de interna busslinjerna med buffertar, och de interna huvudelementen är sammankopplade med en intern höghastighetsdatabuss.

För att förbättra prestandan hos ett multiprocessorsystem kan centralprocessorns funktioner fördelas på flera processorer. För att hjälpa den centrala processorn introducerar datorn ofta co-processors, fokuserade på att effektivt utföra specifika funktioner. Utbredda matematiska och grafiska co-processorer, in- och utdata som avlastar centralprocessorn från enkla men många operationer för interaktion med externa enheter.

I det nuvarande skedet är huvudriktningen för att öka produktiviteten utvecklingen av flerkärniga processorer, dvs. kombinera två eller flera processorer i ett fall för att utföra flera operationer parallellt (samtidigt).

Intel och AMD är de ledande företagen för design och tillverkning av processorer.

Mikroprocessorsystemalgoritm

Algoritm — ett exakt recept som unikt ställer in processen att omvandla den initiala informationen till en sekvens av operationer som tillåter att lösa en uppsättning uppgifter av en viss klass och erhålla det önskade resultatet.

Huvudkontrollelementet i hela mikroprocessorsystemet är en processor... Den styr, med undantag för några speciella fall, alla andra enheter. De återstående enheterna, såsom RAM-, ROM- och I/O-portar, är underordnade.

Så fort den slås på börjar processorn läsa digitala koder från minnesområdet som är reserverat för lagring av program. Avläsningen görs sekventiellt cell för cell, med början från den allra första. En cell innehåller data, adresser och kommandon. En instruktion är en av de elementära åtgärder som en mikroprocessor kan utföra. Allt arbete i mikroprocessorn reduceras till sekventiell läsning och exekvering av kommandon.

Tänk på sekvensen av mikroprocessorns åtgärder under exekveringen av programkommandon:

1) Innan nästa instruktion exekveras, lagrar mikroprocessorn sin adress i datorprogramräknaren.

2) MP kommer åt minnet på adressen som finns i datorn och läser från minnet den första byten av nästa kommando i kommandoregistret.

3) Kommandoavkodaren avkodar (dechiffrerar) kommandokoden.

4) I enlighet med informationen som mottagits från avkodaren genererar styrenheten en tidsordnad sekvens av mikrooperationer som exekverar kommandoinstruktionerna, inklusive:

— hämtar operander från register och minne;

— utför aritmetiska, logiska eller andra operationer på dem enligt kommandokoden.

— beroende på längden på kommandot, ändrar innehållet på datorn;

— överför kontrollen till nästa kommando vars adress återigen finns i datorprogramräknaren.

Instruktionsuppsättningen för en mikroprocessor kan delas in i tre grupper:

1) Kommandon för att flytta data

Överföringen sker mellan minne, processor, I/O-portar (varje port har sin egen adress), mellan processorregister.

2) Datatransformationskommandon

All data (text, bild, video, etc.) är siffror, och endast aritmetiska och logiska operationer kan utföras med siffror. Därför inkluderar kommandona för denna grupp addition, subtraktion, jämförelse, logiska operationer etc.

3) Överföring av kontrollkommando

Det är mycket sällsynt att ett program består av en enda sekventiell instruktion. De flesta algoritmer kräver programförgrening. För att programmet ska kunna ändra algoritmen för sitt arbete, beroende på vilket tillstånd som helst, används kontrollöverföringskommandon. Dessa kommandon säkerställer flödet av programexekvering längs olika vägar och organiserar loopar.

Externa enheter

Externa enheter inkluderar alla enheter som är externa till processorn (förutom RAM) och anslutna via I/O-portar. Externa enheter kan klassificeras i tre grupper:

1) kommunikationsenheter mellan människa och dator (tangentbord, bildskärm, skrivare, etc.);

2) enheter för kommunikation med kontrollobjekt (sensorer, ställdon, ADC och DAC);

3) externa lagringsenheter med stor kapacitet (hårddisk, disketter).

Externa enheter är anslutna till mikroprocessorsystemet fysiskt - genom kontakter och logiskt - via portar (kontroller).

Ett avbrottssystem (mekanism) används för gränssnitt mellan processorn och externa enheter.

Avbryta systemet

Detta är en speciell mekanism som gör det möjligt att när som helst, genom en extern signal, tvinga processorn att stoppa exekveringen av huvudprogrammet, utföra operationer relaterade till händelsen som orsakade avbrottet och sedan återgå till exekveringen av huvudprogrammet .

Varje mikroprocessor har minst en avbrottsbegäran-ingång INT (från ordet Avbrott).

Låt oss överväga ett exempel på interaktionen mellan en persondatorprocessor och ett tangentbord (Figur 4).

Tangentbord — en enhet för att mata in symbolisk information och kontrollkommandon. För att ansluta tangentbordet har datorn en speciell tangentbordsport (chip).

Figur 4 — CPU-drift med tangentbordet

Arbetets algoritm:

1) När en tangent trycks ned genererar tangentbordskontrollen en numerisk kod. Denna signal går till tangentbordsportchippet.

2) Tangentbordsporten skickar en avbrottssignal till CPU:n. Varje extern enhet har sitt eget avbrottsnummer genom vilket processorn känner igen den.

3) Efter att ha tagit emot ett avbrott från tangentbordet avbryter processorn körningen av programmet (till exempel Microsoft Office Word-editorn) och laddar programmet för bearbetning av tangentbordskoder från minnet. Ett sådant program kallas för en drivrutin.

4) Detta program dirigerar processorn till tangentbordsporten och den numeriska koden laddas in i processorregistret.

5) Den digitala koden lagras i minnet och processorn fortsätter att utföra en annan uppgift.

På grund av den höga drifthastigheten exekverar processorn ett stort antal processer samtidigt.