Mikroprocesszoros rendszerek

A mikroprocesszoros rendszerek használata szinte minden elektromos eszközben a modern társadalom műszaki infrastruktúrájának legfontosabb jellemzője. A villamos energia, az ipar, a közlekedés, a kommunikációs rendszerek nagymértékben függenek a számítógépes vezérlőrendszerektől. A mikroprocesszoros rendszereket mérőműszerekbe, elektromos készülékekbe, világítóberendezésekbe stb.

Mindez arra kötelezi a villamosmérnököt, hogy legalább a mikroprocesszoros technológia alapjait ismerje.

A mikroprocesszoros rendszereket az információfeldolgozás automatizálására és a különféle folyamatok vezérlésére tervezték.

A "mikroprocesszoros rendszer" kifejezés nagyon tág, és olyan fogalmakat foglal magában, mint az "elektronikus számítástechnikai gép (ECM)", "vezérlő számítógép", "számítógép" és mások.

A mikroprocesszor rendszer Hardvert vagy angolul – hardver és szoftver (Software) – szoftvert tartalmaz.

Digitális információ

A mikroprocesszoros rendszer digitális információval dolgozik, amely numerikus kódok sorozata.

Minden mikroprocesszoros rendszer magja egy olyan mikroprocesszor, amely csak bináris számokat képes fogadni (0-ból és 1-ből áll).A bináris számokat a bináris számrendszer segítségével írjuk fel. Például a mindennapi életben egy decimális számrendszert használunk, amely tíz karaktert vagy számjegyet használ a számok írásához, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Ennek megfelelően a bináris rendszerben csak két ilyen szimbólum (vagy számjegy) van - 0 és 1.

Meg kell érteni, hogy a számrendszer csak a számírás szabályai, és a rendszer típusának kiválasztását a könnyű használat határozza meg. A bináris rendszer választása az egyszerűségnek köszönhető, ami a digitális eszközök megbízhatóságát és technikai kivitelezésének egyszerűségét jelenti.

Tekintsük a digitális információ mértékegységeit:

Egy bit (az angol «BInary digiT» szóból — bináris számjegy) csak két értéket vesz fel: 0 vagy 1. Kódolhatja az «yes» vagy «no» logikai értéket, az «on» vagy «off» állapotot, az « állapotot nyitott» «vagy» zárt «stb.

Egy nyolc bitből álló csoportot bájtnak nevezünk, például 10010111. Egy bájtban 256 érték kódolható: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

A bit az információ legkisebb egysége.

Bájt – az információfeldolgozás legkisebb egysége. Bájt - a gépi szó része, amely általában 8 bitből áll, és az információmennyiség egységeként használatos a számítógépen történő tárolás, átvitel és feldolgozás során. A bájt betűket, szótagokat és speciális karaktereket (általában mind a 8 bitet elfoglalva) vagy decimális számjegyeket (mindegyik 2 számjegy 1 bájtonban) ábrázol.

Két szomszédos bájtot szónak, 4 bájtot kettős szónak, 8 bájtot négyes szónak nevezünk.

Szinte minden minket körülvevő információ analóg. Ezért, mielőtt az információ bekerülne a processzorba feldolgozás céljából, egy ADC (analóg-digitális konverter) segítségével konvertálja azokat.Ezenkívül az információ egy bizonyos formátumban van kódolva, és lehet digitális, logikai, szöveges (szimbolikus), grafikus, videó stb.

Például egy ASCII-kódok táblázata (az angol American Standard Code for Information Interchange-ból) szöveges információk kódolására szolgál. Egy bájtba egy karakter kerül bele, ami 256 értéket vehet fel. A grafikus információk pontokra (pixelekre) vannak osztva, és az egyes pontok színét és helyzetét vízszintesen és függőlegesen kódolják.

Az MS a bináris és decimális rendszerek mellett hexadecimális rendszert használ, amelyben a 0 ... 9 és az A ... F szimbólumokat használják a számok írásához. Használata annak köszönhető, hogy egy bájtot kettes ír le. -jegyű hexadecimális szám, amely nagymértékben csökkenti a numerikus kód rögzítését és olvashatóbbá teszi (11111111 – FF).

1. táblázat – Számok írása különböző számrendszerekben

A szám értékének meghatározásához (például a 100-as szám értéke különböző számrendszereknél lehet 42, 10010, 25616) a szám végéhez adjunk hozzá egy latin betűt, amely a számrendszert jelzi: bináris számoknál a betű b, hexadecimális számoknál — h , decimális számoknál — d. A további megjelölés nélküli szám tizedesnek számít.

A számok egyik rendszerből a másikba való konvertálása, valamint a számokkal végzett alapvető aritmetikai és logikai műveletek lehetővé teszik mérnöki számológép készítését (a Windows operációs rendszer szabványos alkalmazása).

Mikroprocesszoros rendszer felépítése

A mikroprocesszoros rendszer egy mikroprocesszoron (processzoron) alapul, amely információfeldolgozási és vezérlési funkciókat lát el. A mikroprocesszoros rendszert alkotó többi eszköz a processzor munkáját segítve szolgálja ki.

A mikroprocesszoros rendszer létrehozásának kötelező eszközei a bemeneti / kimeneti portok és részben a memória... A bemeneti - kimeneti portok összekötik a processzort a külvilággal azáltal, hogy információkat szolgáltatnak a feldolgozási vagy vezérlési műveletek eredményeinek feldolgozásához és kiadásához. A bemeneti portokhoz gombok (billentyűzet), különféle érzékelők csatlakoznak; kimeneti portokhoz — elektromos vezérlést lehetővé tevő eszközök: indikátorok, kijelzők, mágneskapcsolók, mágnesszelepek, villanymotorok stb.

A memória elsősorban a processzor működéséhez szükséges program (vagy programkészlet) tárolásához szükséges. A program egy ember (általában programozó) által írt parancsok sorozata, amelyet a processzor megért.

A mikroprocesszoros rendszer felépítése az 1. ábrán látható. Egyszerűsített formában a processzor egy aritmetikai logikai egységből (ALU), amely digitális információkat dolgoz fel, és egy vezérlőegységből (CU) áll.

A memória jellemzően csak olvasható memóriát (ROM) foglal magában, amely nem felejtő, és információk (pl. programok) hosszú távú tárolására szolgál, valamint véletlen hozzáférésű memóriát (RAM), amely ideiglenes adattárolásra szolgál.

1. ábra – A mikroprocesszoros rendszer felépítése

A processzor, a portok és a memória buszokon keresztül kommunikálnak egymással. A busz olyan vezetékek halmaza, amelyek funkcionálisan egyesültek. A rendszerbuszok egyetlen készletét rendszerbusznak nevezzük, amelyben a következők találhatók:

• DB adatbusz (Data Bus), amelyen keresztül adatcsere történik a processzor, a memória és a portok között;

• AB címbusz (Address Bus), amely a processzor memóriacelláinak és portjainak címzésére szolgál;

• vezérlőbusz CB (Control Bus), vonalkészlet, amely különféle vezérlőjeleket továbbít a processzortól a külső eszközök felé és fordítva.

Mikroprocesszorok

Mikroprocesszor - egy szoftver által vezérelt eszköz, amelyet digitális információk feldolgozására és e feldolgozás folyamatának vezérlésére terveztek, egy (vagy több) integrált áramkör formájában, elektronikus elemek magas fokú integrálásával.

A mikroprocesszort nagyszámú paraméter jellemzi, hiszen egyszerre komplex szoftvervezérelt eszköz és elektronikus eszköz (mikroáramkör). Ezért egy mikroprocesszor esetében mind az esettípus, mind a processzor utasításkészlete… A mikroprocesszor képességeit a mikroprocesszor architektúra fogalma határozza meg.

A „micro” előtag a processzor nevében azt jelenti, hogy a processzor mikrontechnológiával valósult meg.

2. ábra – Az Intel Pentium 4 mikroprocesszor külső képe

Működés közben a mikroprocesszor kiolvassa a programparancsokat a memóriából vagy egy bemeneti portról, és végrehajtja azokat. Hogy az egyes parancsok mit jelentenek, azt a processzor utasításkészlete határozza meg Az utasításkészlet beépül a mikroprocesszor architektúrájába, a parancskód végrehajtása pedig bizonyos mikroműveletek végrehajtásában fejeződik ki a processzor belső elemei által.

Mikroprocesszor architektúra – ez a logikai felépítése; meghatározza a mikroprocesszor képességeit a mikroprocesszoros rendszer felépítéséhez szükséges funkciók hardveres és szoftveres megvalósításában.

A mikroprocesszorok főbb jellemzői:

1) Órajel frekvencia (mértékegység MHz vagy GHz) — az óraimpulzusok száma 1 másodpercben.Az órajel impulzusokat egy óragenerátor állítja elő, amely általában a processzor belsejében található. Mivel minden művelet (utasítás) óraciklusokban történik, ezért a munkateljesítmény (az egységnyi idő alatt végrehajtott műveletek száma) az órajel frekvenciától függ. A processzor frekvenciája bizonyos határokon belül változhat.

2) Bit processzor (8, 16, 32, 64 bit stb.) — az egy órajelben feldolgozott adatbájtok számát határozza meg. A processzor bitszélességét a belső regisztereinek bitszélessége határozza meg. A processzor lehet 8 bites, 16 bites, 32 bites, 64 bites stb. pl. az adatok feldolgozása 1, 2, 4, 8 bájtos darabokban történik. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a bitmélység, annál nagyobb a munka termelékenysége.

A mikroprocesszor belső architektúrája

A 3. ábrán egy tipikus 8 bites mikroprocesszor egyszerűsített belső architektúrája látható. A mikroprocesszor felépítése három fő részre osztható:

1) Parancsok, adatok és címek ideiglenes tárolására szolgáló nyilvántartások;

2) Aritmetikai logikai egység (ALU), amely aritmetikai és logikai műveleteket hajt végre;

3) Vezérlő- és időzítő áramkör — biztosítja a parancsok kiválasztását, megszervezi az ALU működését, hozzáférést biztosít az összes mikroprocesszor-regiszterhez, érzékeli és előállítja a külső vezérlőjeleket.

3. ábra – Egy 8 bites mikroprocesszor egyszerűsített belső architektúrája

Amint az ábrán látható, a processzor regisztereken alapul, amelyek speciális (specifikus célú) és általános célú regiszterekre oszlanak.

Programszámláló (számítógép) — a következő parancsbájt címét tartalmazó regiszter. A processzornak tudnia kell, hogy melyik parancsot hajtja végre legközelebb.

Akkumulátor – a logikai és aritmetikai feldolgozási utasítások többségében használt regiszter; ez egyrészt az ALU-művelethez szükséges adatbájtok egyikének forrása, másrészt az a hely, ahová az ALU művelet eredménye kerül.

A funkcióregiszter (vagy zászlóregiszter) információkat tartalmaz a mikroprocesszor belső állapotáról, különösen az utolsó ALU művelet eredményéről. A jelzőregiszter nem a szokásos értelemben vett regiszter, hanem egyszerűen flip-flopok halmaza (jelző felfelé vagy lefelé. Általában vannak nulla, túlcsordulás, negatív és carry zászlók).

Stack Pointer (SP) — nyomon követi a verem pozícióját, azaz tartalmazza az utoljára használt cella címét. Stack – az adattárolás megszervezésének módja.

Egy parancsregiszter tartalmazza a parancsdekódoló által dekódolt aktuális parancsbájtot.

A külső buszvonalakat pufferek választják el a belső buszvonalaktól, a főbb belső elemeket pedig nagy sebességű belső adatbusszal kötik össze.

A többprocesszoros rendszer teljesítményének javítása érdekében a központi processzor funkciói több processzor között is eloszthatók. A központi processzor segítése érdekében a számítógép gyakran bevezeti a társprocesszorokat, amelyek bármely meghatározott funkció hatékony végrehajtására összpontosítanak. Széles körben elterjedt matematikai és grafikus társprocesszorok, bemenet és kimenet tehermentesíti a központi processzort a külső eszközökkel való interakció egyszerű, de számos műveletétől.

A jelenlegi szakaszban a termelékenység növelésének fő iránya a többmagos processzorok fejlesztése, pl. két vagy több processzor kombinálása egy esetben több művelet párhuzamos (egyidejű) végrehajtására.

Az Intel és az AMD vezető cégek a processzorok tervezésében és gyártásában.

Mikroprocesszoros rendszer algoritmus

Algoritmus - egy precíz előírás, amely egyedileg beállítja a kezdeti információ műveletsorozattá történő átalakításának folyamatát, amely lehetővé teszi egy bizonyos osztályba tartozó feladatsor megoldását és a kívánt eredmény elérését.

A teljes mikroprocesszoros rendszer fő vezérlőeleme egy processzor... Ez néhány speciális eset kivételével az összes többi eszközt vezérli. A fennmaradó eszközök, mint például a RAM, ROM és I/O portok alárendeltek.

Amint be van kapcsolva, a processzor elkezdi a digitális kódok beolvasását a programok tárolására fenntartott memóriaterületről. Az olvasás szekvenciálisan, cellánként történik, a legelsőtől kezdve. Egy cella adatokat, címeket és parancsokat tartalmaz. Az utasítás a mikroprocesszor által végrehajtható alapvető műveletek egyike. A mikroprocesszor összes munkája a parancsok szekvenciális olvasására és végrehajtására redukálódik.

Tekintsük a mikroprocesszor műveletsorát a programparancsok végrehajtása során:

1) A következő utasítás végrehajtása előtt a mikroprocesszor eltárolja a címét a számítógépes programszámlálóban.

2) Az MP hozzáfér a memóriához a számítógépben található címen, és kiolvassa a memóriából a parancsregiszter következő parancsának első bájtját.

3) A parancsdekódoló dekódolja (megfejti) a parancskódot.

4) A dekódertől kapott információnak megfelelően a vezérlőegység időrendi sorrendű mikroműveletek sorozatát állítja elő, amelyek végrehajtják a parancsutasításokat, beleértve:

— lekéri az operandusokat a regiszterekből és a memóriából;

— a parancskódban előírt számtani, logikai vagy egyéb műveleteket hajt végre rajtuk;

— a parancs hosszától függően módosítja a számítógép tartalmát;

— átadja a vezérlést a következő parancsnak, amelynek címe ismét a számítógépes programszámlálóban van.

A mikroprocesszor utasításkészlete három csoportra osztható:

1) Adatáthelyezési parancsok

Az átvitel memória, processzor, I/O portok (minden portnak saját címe), processzorregiszterek között történik.

2) Adatátalakítási parancsok

Minden adat (szöveg, kép, videó stb.) szám, a számokkal csak aritmetikai és logikai műveletek hajthatók végre. Ezért ennek a csoportnak a parancsai közé tartozik az összeadás, kivonás, összehasonlítás, logikai műveletek stb.

3) Vezérlési parancs átadása

Nagyon ritka, hogy egy program egyetlen szekvenciális utasításból álljon. A legtöbb algoritmus programelágazást igényel. Annak érdekében, hogy a program bármilyen feltételtől függően módosítsa munkájának algoritmusát, vezérlőátviteli parancsokat használnak. Ezek a parancsok biztosítják a programvégrehajtás különböző utakon való áramlását, és ciklusokat szerveznek.

Külső eszközök

A külső eszközök magukban foglalják az összes processzoron kívüli eszközt (kivéve a RAM-ot), és I/O portokon keresztül csatlakoznak. A külső eszközök három csoportba sorolhatók:

1) ember-számítógép kommunikációs eszközök (billentyűzet, monitor, nyomtató stb.);

2) vezérlőobjektumokkal való kommunikációra szolgáló eszközök (érzékelők, működtetők, ADC és DAC);

3) nagy kapacitású külső tárolóeszközök (merevlemez, hajlékonylemez).

A külső eszközök fizikailag – csatlakozókon keresztül, logikailag – portokon (vezérlőkön) csatlakoznak a mikroprocesszoros rendszerhez.

Megszakítási rendszert (mechanizmust) használnak a processzor és a külső eszközök közötti interfészre.

Megszakítási rendszer

Ez egy speciális mechanizmus, amely lehetővé teszi, hogy egy külső jelen keresztül bármikor rákényszerítse a processzort a fő program végrehajtásának leállítására, a megszakítást okozó eseményhez kapcsolódó műveletek végrehajtására, majd visszatérésre a fő program végrehajtására. .

Minden mikroprocesszornak van legalább egy megszakításkérő bemenete INT (az Interrupt szóból).

Tekintsünk egy példát a személyi számítógép processzorának a billentyűzettel való interakciójára (4. ábra).

Billentyűzet – szimbolikus információk és vezérlőparancsok bevitelére szolgáló eszköz. A billentyűzet csatlakoztatásához a számítógép speciális billentyűzetporttal (chippel) rendelkezik.

4. ábra – CPU működése a billentyűzettel

Munka algoritmusa:

1) Amikor egy billentyűt lenyomnak, a billentyűzetvezérlő numerikus kódot generál. Ez a jel a billentyűzet port chipjébe kerül.

2) A billentyűzet portja megszakítási jelet küld a CPU-nak. Minden külső eszköznek saját megszakítási száma van, amelyről a processzor felismeri.

3) A billentyűzettől kapott megszakítást követően a processzor megszakítja a program végrehajtását (például a Microsoft Office Word szerkesztőjét), és betölti a programot a billentyűzet kódjainak memóriából történő feldolgozásához. Az ilyen programot illesztőprogramnak nevezik.

4) Ez a program a processzort a billentyűzet portjára irányítja, és a numerikus kód betöltődik a processzor regiszterébe.

5) A digitális kód eltárolódik a memóriában, és a processzor egy másik feladatot hajt végre.

A nagy működési sebességnek köszönhetően a processzor nagyszámú folyamatot hajt végre egyidejűleg.