Mikroprosessorijärjestelmät

Mikroprosessorijärjestelmien käyttö lähes kaikissa sähkölaitteissa on nyky-yhteiskunnan teknisen infrastruktuurin tärkein piirre. Sähkö, teollisuus, liikenne ja viestintäjärjestelmät ovat erittäin riippuvaisia ​​tietokoneohjausjärjestelmistä. Mikroprosessorijärjestelmät on upotettu mittalaitteisiin, sähkölaitteisiin, valaistusasennuksiin jne.

Kaikki tämä velvoittaa sähköinsinöörin tuntemaan ainakin mikroprosessoritekniikan perusteet.

Mikroprosessorijärjestelmät on suunniteltu automatisoimaan tietojenkäsittelyä ja ohjaamaan erilaisia ​​prosesseja.

Termi "mikroprosessorijärjestelmä" on hyvin laaja ja sisältää sellaiset käsitteet kuin "elektroninen laskentakone (ECM)", "ohjaustietokone", "tietokone" ja muut.

Mikroprosessorijärjestelmä sisältää Hardware tai englanniksi — hardware and software (Software) — ohjelmisto.

Digitaalinen tieto

Mikroprosessorijärjestelmä toimii digitaalisen tiedon kanssa, joka on sarja numerokoodeja.

Minkä tahansa mikroprosessorijärjestelmän ytimessä on mikroprosessori, joka voi hyväksyä vain binäärilukuja (joka koostuu 0:sta ja 1:stä).Binääriluvut kirjoitetaan käyttämällä binäärilukujärjestelmää. Esimerkiksi jokapäiväisessä elämässä käytämme desimaalilukujärjestelmää, joka käyttää kymmentä merkkiä tai numeroa numeroiden kirjoittamiseen, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Näin ollen binäärijärjestelmässä on vain kaksi tällaista symbolia (tai numeroa) - 0 ja 1.

On ymmärrettävä, että numerojärjestelmä on vain numeroiden kirjoittamisen säännöt, ja järjestelmän tyypin valinnan määrää käytön helppous. Binäärijärjestelmän valinta johtuu sen yksinkertaisuudesta, mikä tarkoittaa digitaalisten laitteiden luotettavuutta ja niiden teknisen toteutuksen helppoutta.

Harkitse digitaalisen tiedon mittayksiköitä:

Bitti (englannin sanasta «BInary digiT» — binary digit) ottaa vain kaksi arvoa: 0 tai 1. Voit koodata loogisen arvon «yes» tai «no», tilan «on» tai «off», tilan «. auki» «tai» suljettu «jne.

Kahdeksan bitin ryhmää kutsutaan tavuksi, esimerkiksi 10010111. Yhdellä tavulla voidaan koodata 256 arvoa: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bitti on pienin tiedon yksikkö.

Tavu – tietojenkäsittelyn pienin yksikkö. Tavu - konesanan osa, joka koostuu yleensä 8 bitistä ja jota käytetään tiedon määrän yksikkönä sen tallennuksen, siirron ja käsittelyn aikana tietokoneella. Tavu edustaa kirjaimia, tavuja ja erikoismerkkejä (yleensä kaikki 8 bittiä) tai desimaalilukuja (kukin 2 numeroa 1 tavussa).

Kahta vierekkäistä tavua kutsutaan sanaksi, 4 tavua kaksoissanaksi, 8 tavua nelisanaksi.

Lähes kaikki meitä ympäröivä tieto on analogista. Siksi ennen kuin tiedot saapuvat prosessoriin käsittelyä varten, ne muunnetaan ADC:llä (analog-to-digital converter).Lisäksi tieto on koodattu tietyssä muodossa ja se voi olla digitaalista, loogista, tekstillistä (symbolista), graafista, videokuvaa jne.

Esimerkiksi ASCII-koodien taulukkoa (englanninkielisestä American Standard Code for Information Interchangesta) käytetään tekstitietojen koodaamiseen. Yhdessä tavussa kirjoitetaan yksi merkki, joka voi ottaa 256 arvoa. Graafiset tiedot on jaettu pisteisiin (pikseleihin), ja kunkin pisteen väri ja sijainti koodataan vaaka- ja pystysuunnassa.

MS käyttää binääri- ja desimaalijärjestelmän lisäksi heksadesimaalijärjestelmää, jossa numeroiden kirjoittamiseen käytetään symboleja 0 ... 9 ja A ... F. Sen käyttö johtuu siitä, että yhtä tavua kuvaa kaksi -numeroinen heksadesimaaliluku, joka vähentää huomattavasti numerokoodin tallentamista ja tekee siitä luettavamman (11111111 - FF).

Taulukko 1 — Numeroiden kirjoittaminen eri numerojärjestelmissä

Numeron arvon määrittämiseksi (esim. luvun 100 arvo eri numerojärjestelmissä voi olla 42, 10010, 25616) lisää numeron loppuun latinalainen kirjain, joka ilmaisee numerojärjestelmän: binääriluvuille kirjain b, heksadesimaaliluvuille — h , desimaaliluvuille — d. Lukua ilman lisämerkintää pidetään desimaalilukuna.

Lukujen muuntaminen järjestelmästä toiseen ja aritmeettiset ja loogiset perusoperaatiot numeroilla mahdollistavat teknisen laskurin (Windows-käyttöjärjestelmän vakiosovellus) tekemisen.

Mikroprosessorijärjestelmän rakenne

Mikroprosessorijärjestelmä perustuu mikroprosessoriin (prosessori), joka suorittaa tiedonkäsittely- ja ohjaustoimintoja. Muut mikroprosessorijärjestelmän muodostavat laitteet palvelevat prosessoria auttamalla sitä toimimaan.

Pakollisia laitteita mikroprosessorijärjestelmän luomiseen ovat tulo/lähtöportit ja osittain muisti... Tulo-lähtöportit yhdistävät prosessorin ulkomaailmaan tarjoamalla tietoa prosessointi- tai ohjaustoimintojen tulosten käsittelyä ja tulostamista varten. Painikkeet (näppäimistö), erilaiset anturit on kytketty tuloportteihin; lähtöportteihin - laitteet, jotka mahdollistavat sähköisen ohjauksen: indikaattorit, näytöt, kontaktorit, solenoidiventtiilit, sähkömoottorit jne.

Muistia tarvitaan ensisijaisesti prosessorin toimintaan tarvittavan ohjelman (tai ohjelmien joukon) tallentamiseen. Ohjelma on ihmisen (yleensä ohjelmoijan) kirjoittama komentosarja, jonka prosessori ymmärtää.

Mikroprosessorijärjestelmän rakenne on esitetty kuvassa 1. Yksinkertaistettuna prosessori koostuu digitaalista tietoa käsittelevästä aritmeettisesta logiikkayksiköstä (ALU) ja ohjausyksiköstä (CU).

Muisti sisältää tyypillisesti lukumuistin (ROM), joka on haihtumaton ja on tarkoitettu tiedon (esim. ohjelmien) pitkäaikaiseen tallentamiseen, ja RAM-muistia, joka on tarkoitettu väliaikaiseen tietojen tallentamiseen.

Kuva 1 — Mikroprosessorijärjestelmän rakenne

Prosessori, portit ja muisti kommunikoivat keskenään väylän kautta. Väylä on joukko johtoja, jotka on toiminnallisesti yhdistetty. Yksittäistä järjestelmäväylää kutsutaan järjestelmän sisäiseksi väyläksi, jossa on:

• DB-dataväylä (Data Bus), jonka kautta dataa vaihdetaan prosessorin, muistin ja porttien välillä;

• osoiteväylä AB (Address Bus), jota käytetään osoittamaan prosessorin muistisoluja ja portteja;

• ohjausväylä CB (Control Bus), joukko linjoja, jotka välittävät erilaisia ​​ohjaussignaaleja prosessorista ulkoisiin laitteisiin ja päinvastoin.

Mikroprosessorit

Mikroprosessori - ohjelmisto-ohjattu laite, joka on suunniteltu käsittelemään digitaalista tietoa ja ohjaamaan tämän käsittelyn prosessia ja joka on valmistettu yhden (tai useamman) integroidun piirin muodossa, jossa on korkea elektronisten elementtien integrointiaste.

Mikroprosessorille on ominaista suuri määrä parametreja, koska se on sekä monimutkainen ohjelmistoohjattu laite että elektroninen laite (mikropiiri). Siksi mikroprosessorin tapauksessa sekä kotelotyyppi että prosessorin käskyjoukko… Mikroprosessorin ominaisuudet määritellään mikroprosessorin arkkitehtuurin käsitteellä.

Prosessorin nimessä oleva etuliite «micro» tarkoittaa, että se on toteutettu mikronitekniikalla.

Kuva 2 – Intel Pentium 4 -mikroprosessorin ulkokuva

Käytön aikana mikroprosessori lukee ohjelmakomennot muistista tai tuloportista ja suorittaa ne. Sen, mitä kukin komento tarkoittaa, määrää prosessorin käskysarja, joka on sisäänrakennettu mikroprosessorin arkkitehtuuriin ja komentokoodin suoritus ilmaistaan ​​tiettyjen mikrooperaatioiden suorittamisessa prosessorin sisäisten elementtien toimesta.

Mikroprosessoriarkkitehtuuri - tämä on sen looginen organisaatio; se määrittelee mikroprosessorin ominaisuudet mikroprosessorijärjestelmän rakentamiseen tarvittavien toimintojen laitteisto- ja ohjelmistototeutuksen kannalta.

Mikroprosessorien tärkeimmät ominaisuudet:

1) Kellotaajuus (mittayksikkö MHz tai GHz) — kellopulssien määrä 1 sekunnissa.Kellopulssit tuotetaan kellogeneraattorilla, joka yleensä sijaitsee prosessorin sisällä. Koska kaikki toiminnot (käskyt) suoritetaan kellojaksoissa, niin työn suorituskyky (operaatioiden määrä aikayksikköä kohti) riippuu kellotaajuudesta. Prosessorin taajuus voi vaihdella tietyissä rajoissa.

2) Bittiprosessori (8, 16, 32, 64 bittiä jne.) — määrittää yhden kellojakson aikana käsiteltyjen datatavujen määrän. Prosessorin bittileveys määräytyy sen sisäisten rekisterien bittileveyden mukaan. Prosessori voi olla 8-bittinen, 16-bittinen, 32-bittinen, 64-bittinen jne. tiedot käsitellään 1, 2, 4, 8 tavun paloina. On selvää, että mitä suurempi teräsyvyys, sitä korkeampi työn tuottavuus.

Mikroprosessorin sisäinen arkkitehtuuri

Tyypillisen 8-bittisen mikroprosessorin yksinkertaistettu sisäinen arkkitehtuuri on esitetty kuvassa 3. Mikroprosessorin rakenne voidaan jakaa kolmeen pääosaan:

1) Rekisterit komentojen, tietojen ja osoitteiden väliaikaista tallentamista varten;

2) aritmeettinen logiikkayksikkö (ALU), joka suorittaa aritmeettisia ja loogisia operaatioita;

3) Ohjaus- ja ajoituspiiri — tarjoaa komentojen valinnan, järjestää ALU:n toiminnan, tarjoaa pääsyn kaikkiin mikroprosessorirekistereihin, havaitsee ja tuottaa ulkoisia ohjaussignaaleja.

Kuva 3 – 8-bittisen mikroprosessorin yksinkertaistettu sisäinen arkkitehtuuri

Kuten kaaviosta näkyy, prosessori perustuu rekistereihin, jotka on jaettu erityisiin (tietyn tarkoituksen omaaviin) ja yleisiin rekistereihin.

Ohjelmalaskuri (tietokone) — rekisteri, joka sisältää seuraavan komentotavun osoitteen. Prosessorin on tiedettävä, mikä komento suoritetaan seuraavaksi.

Akku — rekisteri, jota käytetään useimmissa logiikka- ja aritmeettisen käsittelyn ohjeissa; se on sekä yhden ALU-operaation vaatiman datatavun lähde että paikka, johon ALU-operaation tulos sijoitetaan.

Toimintorekisteri (tai lippurekisteri) sisältää tietoa mikroprosessorin sisäisestä tilasta, erityisesti viimeisen ALU-operaation tuloksesta. Lippurekisteri ei ole rekisteri tavallisessa merkityksessä, vaan yksinkertaisesti joukko kiikkuja (lippu ylös tai alas. Yleensä on nolla-, ylivuoto-, negatiivi- ja siirtolippuja).

Pinoosoitin (SP) — pitää kirjaa pinon sijainnista, eli se sisältää sen viimeksi käytetyn solun osoitteen. Pino — tapa järjestää tietojen tallennus.

Komentorekisteri sisältää nykyisen komentotavun, jonka komentodekooderi purkaa.

Ulkoiset väylälinjat on eristetty sisäisistä väylälinjoista puskureilla ja sisäiset pääelementit on yhdistetty nopealla sisäisellä dataväylällä.

Moniprosessorijärjestelmän suorituskyvyn parantamiseksi keskusprosessorin toiminnot voidaan jakaa useiden prosessorien kesken. Keskusprosessorin auttamiseksi tietokone ottaa usein käyttöön apuprosessorit, jotka keskittyvät tiettyjen toimintojen tehokkaaseen suorittamiseen. Laajalle levinneet matemaattiset ja graafiset apuprosessorit, syöttö ja lähtö kuormittavat keskusprosessorin yksinkertaisista mutta lukuisista vuorovaikutuksista ulkoisten laitteiden kanssa.

Tällä hetkellä tuottavuuden lisäämisen pääsuunta on moniytimisprosessorien kehittäminen, ts. kahden tai useamman prosessorin yhdistäminen yhdessä tapauksessa useiden toimintojen suorittamiseksi rinnakkain (samanaikaisesti).

Intel ja AMD ovat johtavia prosessorien suunnittelu- ja valmistusyrityksiä.

Mikroprosessorijärjestelmän algoritmi

Algoritmi - tarkka ohje, joka määrittää yksilöllisesti prosessin, jolla alkuperäiset tiedot muunnetaan toimintosarjaksi, joka mahdollistaa tietyn luokan tehtäväjoukon ratkaisemisen ja halutun tuloksen saavuttamisen.

Koko mikroprosessorijärjestelmän pääohjauselementti on prosessori... Se ohjaa muutamaa erikoistapausta lukuun ottamatta kaikkia muita laitteita. Muut laitteet, kuten RAM, ROM ja I / O-portit, ovat alisteisia.

Heti kun se kytketään päälle, prosessori alkaa lukea digitaalisia koodeja muistialueelta, joka on varattu ohjelmien tallentamiseen. Lukeminen tapahtuu peräkkäin solu kerrallaan, alkaen aivan ensimmäisestä. Solu sisältää dataa, osoitteita ja komentoja. Käsky on yksi perustoiminnoista, jotka mikroprosessori voi suorittaa. Kaikki mikroprosessorin työ rajoittuu komentojen peräkkäiseen lukemiseen ja suorittamiseen.

Harkitse mikroprosessorin toimintosarjaa ohjelmakomentojen suorittamisen aikana:

1) Ennen seuraavan käskyn suorittamista mikroprosessori tallentaa osoitteensa tietokoneohjelmalaskuriin.

2) MP käyttää muistia tietokoneen osoitteesta ja lukee muistista komentorekisterin seuraavan komennon ensimmäisen tavun.

3) Komentodekooderi purkaa (purkaa) komentokoodin.

4) Dekooderilta saatujen tietojen mukaisesti ohjausyksikkö generoi aikajärjestetyn sarjan mikrotoimintoja, jotka suorittavat komentokäskyt, mukaan lukien:

— hakee operandit rekistereistä ja muistista;

— suorittaa niille aritmeettisia, loogisia tai muita komentokoodin määräämiä operaatioita;

— muuttaa tietokoneen sisältöä komennon pituudesta riippuen;

— siirtää ohjauksen seuraavalle komennolle, jonka osoite on jälleen tietokoneohjelmalaskurissa.

Mikroprosessorin ohjesarja voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

1) Tietojen siirtokomennot

Siirto tapahtuu muistin, prosessorin, I/O-porttien välillä (jokaisella portilla on oma osoite), prosessorirekisterien välillä.

2) Datan muunnoskomennot

Kaikki tiedot (teksti, kuva, video jne.) ovat numeroita, ja numeroilla voidaan suorittaa vain aritmeettisia ja loogisia operaatioita. Siksi tämän ryhmän komennot sisältävät yhteenlasku-, vähennys-, vertailu-, loogiset operaatiot jne.

3) Ohjauskomennon siirto

On hyvin harvinaista, että ohjelma koostuu yhdestä peräkkäisestä käskystä. Useimmat algoritmit vaativat ohjelman haarautumisen. Jotta ohjelma voisi muuttaa työnsä algoritmia olosuhteista riippuen, käytetään ohjauksen siirtokomentoja. Nämä komennot varmistavat ohjelman suoritusvirran eri polkuja pitkin ja järjestävät silmukoita.

Ulkoiset laitteet

Ulkoisiin laitteisiin kuuluvat kaikki prosessorin ulkopuoliset laitteet (paitsi RAM) ja liitetty I/O-porttien kautta. Ulkoiset laitteet voidaan luokitella kolmeen ryhmään:

1) ihmisen ja tietokoneen väliset viestintälaitteet (näppäimistö, näyttö, tulostin jne.);

2) ohjausobjektien kanssa kommunikointilaitteet (anturit, toimilaitteet, ADC ja DAC);

3) ulkoiset tallennuslaitteet, joilla on suuri kapasiteetti (kiintolevy, levykkeet).

Ulkoiset laitteet kytketään mikroprosessorijärjestelmään fyysisesti - liittimien kautta ja loogisesti - porttien (ohjaimien) kautta.

Prosessorin ja ulkoisten laitteiden väliseen rajapintaan käytetään keskeytysjärjestelmää (mekanismia).

Keskeytä järjestelmä

Tämä on erityinen mekanismi, jonka avulla prosessori voidaan milloin tahansa pakottaa ulkoisen signaalin kautta pysäyttämään pääohjelman suorittamisen, suorittamaan keskeytyksen aiheuttaneeseen tapahtumaan liittyviä toimintoja ja palaamaan sitten pääohjelman suorittamiseen. .

Jokaisella mikroprosessorilla on vähintään yksi keskeytyspyyntötulo INT (sanasta Interrupt).

Tarkastellaan esimerkkiä henkilökohtaisen tietokoneen prosessorin vuorovaikutuksesta näppäimistön kanssa (kuva 4).

Näppäimistö — laite symbolisten tietojen ja ohjauskomentojen syöttämiseen. Näppäimistön liittämistä varten tietokoneessa on erityinen näppäimistöportti (siru).

Kuva 4 – CPU:n toiminta näppäimistön kanssa

Työn algoritmi:

1) Kun näppäintä painetaan, näppäimistön ohjain luo numerokoodin. Tämä signaali menee näppäimistön portin sirulle.

2) Näppäimistön portti lähettää keskeytyssignaalin CPU:lle. Jokaisella ulkoisella laitteella on oma keskeytysnumeronsa, jolla prosessori tunnistaa sen.

3) Saatuaan keskeytyksen näppäimistöltä prosessori keskeyttää ohjelman suorittamisen (esimerkiksi Microsoft Office Word -editori) ja lataa ohjelman näppäimistökoodien käsittelyä varten muistista. Tällaista ohjelmaa kutsutaan ohjaimeksi.

4) Tämä ohjelma ohjaa prosessorin näppäimistön porttiin ja numerokoodi ladataan prosessorin rekisteriin.

5) Digitaalinen koodi tallennetaan muistiin ja prosessori jatkaa toisen tehtävän suorittamista.

Suuren toimintanopeuden ansiosta prosessori suorittaa useita prosesseja samanaikaisesti.