Mikroprocesorski sustavi

Primjena mikroprocesorskih sustava u gotovo svim električnim uređajima najvažnije je obilježje tehničke infrastrukture suvremenog društva. Električna energija, industrija, promet, komunikacijski sustavi uvelike ovise o računalnim sustavima upravljanja. Mikroprocesorski sustavi ugrađeni su u mjerne instrumente, električne uređaje, rasvjetne instalacije itd.

Sve to obvezuje elektrotehničara na poznavanje barem osnova mikroprocesorske tehnike.

Mikroprocesorski sustavi dizajnirani su za automatizaciju obrade informacija i kontrolu različitih procesa.

Pojam "mikroprocesorski sustav" vrlo je širok i uključuje koncepte kao što su "elektronički računalni stroj (ECM)", "kontrolno računalo", "računalo" i druge.

Mikroprocesorski sustav uključuje Hardware ili na engleskom — hardver i softver (Software) — softver.

Digitalne informacije

Mikroprocesorski sustav radi s digitalnim informacijama, koje su niz numeričkih kodova.

Srž svakog mikroprocesorskog sustava je mikroprocesor koji može prihvatiti samo binarne brojeve (sastavljene od 0 i 1).Binarni brojevi se zapisuju pomoću binarnog brojevnog sustava. Na primjer, u svakodnevnom životu koristimo decimalni brojevni sustav koji koristi deset znakova ili znamenki za pisanje brojeva, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Prema tome, u binarnom sustavu postoje samo dva takva simbola (ili znamenke) - 0 i 1.

Potrebno je razumjeti da je sustav brojeva samo pravila za pisanje brojeva, a izbor vrste sustava odredit će se jednostavnošću upotrebe. Izbor binarnog sustava je zbog njegove jednostavnosti, što znači pouzdanost digitalnih uređaja i jednostavnost njihove tehničke implementacije.

Razmotrite mjerne jedinice digitalnih informacija:

Bit (od engleskog «BInary digiT» — binarna znamenka) ima samo dvije vrijednosti: 0 ili 1. Možete kodirati logičku vrijednost «da» ili «ne», stanje «uključeno» ili «isključeno», stanje « otvoreno» «ili» zatvoreno «itd.

Skupina od osam bitova naziva se bajt, na primjer 10010111. Jedan bajt omogućuje kodiranje 256 vrijednosti: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bit je najmanja jedinica informacije.

Bajt — najmanja jedinica za obradu informacija. Bajt - dio strojne riječi, obično se sastoji od 8 bitova i koristi se kao jedinica za količinu informacija tijekom njihove pohrane, prijenosa i obrade na računalu. Bajt služi za predstavljanje slova, slogova i posebnih znakova (obično zauzima svih 8 bitova) ili decimalnih znamenki (svake 2 znamenke u 1 bajtu).

Dva uzastopna bajta nazivaju se riječ, 4 bajta dvostruka riječ, 8 bajtova četverostruka riječ.

Gotovo sve informacije koje nas okružuju su analogne. Stoga, prije nego što informacija uđe u procesor za obradu, ona se pretvara pomoću ADC (analogno-digitalnog pretvarača).Osim toga, informacija je kodirana u određenom formatu i može biti digitalna, logička, tekstualna (simbolička), grafička, video itd.

Na primjer, tablica ASCII kodova (od engleskog American Standard Code for Information Interchange) koristi se za kodiranje tekstualnih informacija. Jedan znak je zapisan u jednom bajtu, koji može imati 256 vrijednosti. Grafičke informacije podijeljene su na točke (piksele), a boja i položaj svake točke kodirani su vodoravno i okomito.

Osim binarnog i decimalnog sustava, MS koristi heksadecimalni sustav u kojem se za pisanje brojeva koriste simboli 0 ... 9 i A ... F. Njegova uporaba je zbog činjenice da je jedan bajt opisan s dva -znamenkasti heksadecimalni broj, koji uvelike smanjuje zapis numeričkog koda i čini ga čitljivijim (11111111 — FF).

Tablica 1 — Zapisivanje brojeva u različitim brojevnim sustavima

Da biste odredili vrijednost broja (na primjer, vrijednost broja 100 za različite brojevne sustave može biti 42, 10010, 25616), na kraju broja dodajte latinično slovo koje označava brojevni sustav: za binarne brojeve slovo b, za heksadecimalne brojeve — h , za decimalne brojeve — d. Broj bez dodatne oznake smatra se decimalom.

Pretvaranje brojeva iz jednog sustava u drugi te osnovne aritmetičke i logičke operacije s brojevima omogućavaju izradu inženjerskog kalkulatora (standardna aplikacija operacijskog sustava Windows).

Struktura mikroprocesorskog sustava

Mikroprocesorski sustav temelji se na mikroprocesoru (procesoru) koji obavlja obradu informacija i upravljačke funkcije. Ostali uređaji koji čine mikroprocesorski sustav služe procesoru pomažući mu u radu.

Obavezni uređaji za kreiranje mikroprocesorskog sustava su ulazno/izlazni portovi i djelomično memorija... Ulazno-izlazni portovi povezuju procesor s vanjskim svijetom dajući informacije za obradu i izlazeći rezultate obrade ili upravljačkih akcija. Na ulazne priključke spojeni su gumbi (tipkovnica), razni senzori; na izlazne priključke — uređaji koji omogućuju električnu kontrolu: indikatori, zasloni, kontaktori, solenoidni ventili, elektromotori itd.

Memorija je primarno potrebna za pohranu programa (ili skupa programa) potrebnih za rad procesora. Program je niz naredbi koje procesor razumije, a napisao ih je čovjek (obično programer).

Struktura mikroprocesorskog sustava prikazana je na slici 1. Pojednostavljeno, procesor se sastoji od aritmetičko-logičke jedinice (ALU) koja obrađuje digitalne informacije i upravljačke jedinice (CU).

Memorija obično uključuje memoriju samo za čitanje (ROM), koja je trajna i namijenjena za dugotrajnu pohranu informacija (npr. programa), i memoriju s izravnim pristupom (RAM), namijenjenu privremenoj pohrani podataka.

Slika 1 — Struktura mikroprocesorskog sustava

Procesor, portovi i memorija međusobno komuniciraju putem sabirnica. Sabirnica je skup žica koje su funkcionalno objedinjene. Jedan skup sistemskih sabirnica naziva se unutarsistemska sabirnica, u kojoj postoje:

• DB sabirnica podataka (Data Bus), preko koje se razmjenjuju podaci između procesora, memorije i portova;

• adresna sabirnica AB (Address Bus), služi za adresiranje memorijskih ćelija i portova procesora;

• upravljačka sabirnica CB (Control Bus), skup linija koje prenose različite upravljačke signale od procesora do vanjskih uređaja i obrnuto.

Mikroprocesori

Mikroprocesor - softverski upravljani uređaj dizajniran za obradu digitalnih informacija i upravljanje procesom te obrade, izrađen u obliku jednog (ili više) integriranih krugova s ​​visokim stupnjem integracije elektroničkih elemenata.

Mikroprocesor karakterizira veliki broj parametara, budući da je i složeni programski upravljani uređaj i elektronički uređaj (mikrokrug). Stoga, za mikroprocesor, i tip kućišta i skup instrukcija za procesor... Mogućnosti mikroprocesora definirane su konceptom arhitekture mikroprocesora.

Prefiks «mikro» u nazivu procesora znači da je implementiran korištenjem mikronske tehnologije.

Slika 2 — Vanjski pogled na mikroprocesor Intel Pentium 4

Tijekom rada mikroprocesor čita programske naredbe iz memorije ili ulaznog porta i izvršava ih. Što pojedina naredba znači određeno je skupom instrukcija procesora.Skup instrukcija ugrađen je u arhitekturu mikroprocesora, a izvršavanje koda naredbe izražava se u izvršavanju određenih mikrooperacija od strane unutarnjih elemenata procesora.

Arhitektura mikroprocesora — to je njegova logična organizacija; definira mogućnosti mikroprocesora u smislu hardverske i programske implementacije funkcija potrebnih za izgradnju mikroprocesorskog sustava.

Glavne karakteristike mikroprocesora:

1) Frekvencija takta (mjerna jedinica MHz ili GHz) — broj taktnih impulsa u 1 sekundi.Impulse takta generira generator takta, koji se obično nalazi unutar procesora. Budući da se sve operacije (instrukcije) izvode u ciklusima takta, radni učinak (broj operacija izvedenih u jedinici vremena) ovisi o frekvenciji takta. Frekvencija procesora može varirati unutar određenih granica.

2) Bitni procesor (8, 16, 32, 64 bita, itd.) — određuje broj bajtova podataka koji se obrađuju u jednom taktu. Širina bita procesora određena je širinom bita njegovih unutarnjih registara. Procesor može biti 8-bitni, 16-bitni, 32-bitni, 64-bitni itd., tj. podaci se obrađuju u komadima od 1, 2, 4, 8 bajtova. Jasno je da što je veća dubina bita, to je veća produktivnost rada.

Unutarnja arhitektura mikroprocesora

Pojednostavljena unutarnja arhitektura tipičnog 8-bitnog mikroprocesora prikazana je na slici 3. Struktura mikroprocesora može se podijeliti u tri glavna dijela:

1) Registri za privremenu pohranu naredbi, podataka i adresa;

2) Aritmetičko-logička jedinica (ALU) koja obavlja aritmetičke i logičke operacije;

3) Kontrolni i vremenski sklop — osigurava odabir naredbi, organizira rad ALU, omogućuje pristup svim mikroprocesorskim registrima, percipira i generira vanjske upravljačke signale.

Slika 3 — Pojednostavljena unutarnja arhitektura 8-bitnog mikroprocesora

Kao što možete vidjeti na dijagramu, procesor se temelji na registrima koji se dijele na posebne (s određenom namjenom) i registre opće namjene.

Programski brojač (računalo) — registar koji sadrži adresu sljedećeg bajta naredbe. Procesor mora znati koja će naredba biti sljedeća izvršena.

Baterija — registar koji se koristi u većini instrukcija za logičku i aritmetičku obradu; to je i izvor jednog od bajtova podataka koji su potrebni za ALU operaciju i mjesto gdje se nalazi rezultat ALU operacije.

Funkcijski registar (ili registar zastavica) sadrži informacije o unutarnjem stanju mikroprocesora, posebno rezultat posljednje ALU operacije. Registar zastavica nije registar u uobičajenom smislu, već jednostavno skup flip-flopova (zastavica gore ili dolje. Obično postoje zastavice nule, preljeva, negativne i noseće zastavice).

Stack Pointer (SP) — prati položaj steka, odnosno sadrži adresu zadnje korištene ćelije. Stog — način organiziranja pohrane podataka.

Registar naredbi sadrži trenutni naredbeni bajt koji dekodira naredbeni dekoder.

Vanjske sabirnice izolirane su od unutarnjih sabirnica međuspremnicima, a glavni unutarnji elementi povezani su internom podatkovnom sabirnicom velike brzine.

Kako bi se poboljšala izvedba višeprocesorskog sustava, funkcije središnjeg procesora mogu se raspodijeliti na nekoliko procesora. Kako bi pomoglo središnjem procesoru, računalo često uvodi koprocesore, usmjerene na učinkovito izvršavanje bilo koje specifične funkcije. Široko rasprostranjeni matematički i grafički koprocesori, ulaz i izlaz rasterećuju središnji procesor od jednostavnih, ali brojnih operacija interakcije s vanjskim uređajima.

U trenutnoj fazi, glavni smjer povećanja produktivnosti je razvoj višejezgrenih procesora, tj. kombiniranje dva ili više procesora u jednom kućištu za izvođenje nekoliko operacija paralelno (istodobno).

Intel i AMD vodeće su tvrtke za projektiranje i proizvodnju procesora.

Algoritam mikroprocesorskog sustava

Algoritam — točan recept koji jedinstveno postavlja proces transformacije početnih informacija u niz operacija koje omogućuju rješavanje skupa zadataka određene klase i dobivanje željenog rezultata.

Glavni upravljački element cjelokupnog mikroprocesorskog sustava je procesor... On, osim nekoliko posebnih slučajeva, upravlja svim ostalim uređajima. Preostali uređaji, kao što su RAM, ROM i I/O portovi, su podređeni.

Čim se uključi, procesor počinje čitati digitalne kodove iz memorijskog područja koje je rezervirano za pohranu programa. Čitanje se vrši redom ćeliju po ćeliju, počevši od prve. Ćelija sadrži podatke, adrese i naredbe. Instrukcija je jedna od elementarnih radnji koje mikroprocesor može izvesti. Sav rad mikroprocesora svodi se na sekvencijalno čitanje i izvršavanje naredbi.

Razmotrite redoslijed radnji mikroprocesora tijekom izvršavanja programskih naredbi:

1) Prije nego što se izvrši sljedeća instrukcija, mikroprocesor pohranjuje svoju adresu u programskom brojaču računala.

2) MP pristupa memoriji na adresi sadržanoj u računalu i čita iz memorije prvi bajt sljedeće naredbe u registru naredbi.

3) Dekoder naredbi dekodira (dešifrira) naredbeni kod.

4) U skladu s informacijama primljenim od dekodera, upravljačka jedinica generira vremenski uređen niz mikrooperacija koje izvršavaju naredbene instrukcije, uključujući:

— dohvaća operande iz registara i memorije;

— izvodi aritmetičke, logičke ili druge operacije na njima kako je propisano kodom naredbe;

— ovisno o duljini naredbe mijenja sadržaj računala;

— prenosi kontrolu na sljedeću naredbu čija je adresa ponovno u programskom brojaču računala.

Skup instrukcija za mikroprocesor može se podijeliti u tri skupine:

1) Naredbe za premještanje podataka

Prijenos se odvija između memorije, procesora, I/O portova (svaki port ima svoju adresu), između registara procesora.

2) Naredbe za transformaciju podataka

Svi podaci (tekst, slika, video itd.) su brojevi, a s brojevima se mogu izvoditi samo aritmetičke i logičke operacije. Dakle, naredbe ove skupine uključuju zbrajanje, oduzimanje, usporedbu, logičke operacije itd.

3) Prijenos zapovijedi upravljanja

Vrlo je rijetko da se program sastoji od jedne sekvencijalne instrukcije. Većina algoritama zahtijeva grananje programa. Kako bi program promijenio algoritam svog rada, ovisno o bilo kojem stanju, koriste se naredbe prijenosa kontrole. Ove naredbe osiguravaju tijek izvršavanja programa duž različitih staza i organiziraju petlje.

Vanjski uređaji

Vanjski uređaji uključuju sve uređaje koji su vanjski u odnosu na procesor (osim RAM-a) i spojeni preko I/O portova. Vanjski uređaji mogu se svrstati u tri skupine:

1) uređaji za komunikaciju između čovjeka i računala (tipkovnica, monitor, pisač itd.);

2) uređaji za komunikaciju s objektima upravljanja (senzori, aktuatori, ADC i DAC);

3) vanjski uređaji za pohranu podataka velikog kapaciteta (tvrdi disk, diskete).

Vanjski uređaji povezani su s mikroprocesorskim sustavom fizički — konektorima i logički — portovima (kontrolerima).

Sustav prekida (mehanizam) koristi se za sučelje između procesora i vanjskih uređaja.

Sustav prekida

Ovo je poseban mehanizam koji omogućuje da se u bilo kojem trenutku putem vanjskog signala prisili procesor da zaustavi izvođenje glavnog programa, izvrši operacije vezane uz događaj koji je uzrokovao prekid, a zatim se vrati na izvođenje glavnog programa. .

Svaki mikroprocesor ima barem jedan ulaz zahtjeva za prekid INT (od riječi Interrupt).

Razmotrimo primjer interakcije procesora osobnog računala s tipkovnicom (slika 4).

Tipkovnica — uređaj za unos simboličkih informacija i upravljačkih naredbi. Za spajanje tipkovnice računalo ima poseban priključak za tipkovnicu (čip).

Slika 4 — Rad CPU-a s tipkovnicom

Algoritam rada:

1) Kada se pritisne tipka, kontroler tipkovnice generira numerički kod. Ovaj signal ide do čipa porta tipkovnice.

2) Priključak tipkovnice šalje signal prekida CPU-u. Svaki vanjski uređaj ima svoj broj prekida po kojem ga procesor prepoznaje.

3) Nakon što dobije prekid od tipkovnice, procesor prekida izvođenje programa (npr. uređivač Microsoft Office Word) i učitava program za obradu kodova tipkovnice iz memorije. Takav program naziva se upravljački program.

4) Ovaj program usmjerava procesor na priključak tipkovnice i numerički kod se učitava u registar procesora.

5) Digitalni kod se pohranjuje u memoriju i procesor nastavlja obavljati drugi zadatak.

Zbog velike brzine rada, procesor izvršava veliki broj procesa istovremeno.