Mikroprocessorsystemer

Brugen af ​​mikroprocessorsystemer i næsten alle elektriske enheder er det vigtigste træk ved den tekniske infrastruktur i det moderne samfund. Elektricitet, industri, transport, kommunikationssystemer er meget afhængige af computerstyringssystemer. Mikroprocessorsystemer er indlejret i måleinstrumenter, elektriske apparater, belysningsinstallationer mv.

Alt dette forpligter den elektriske ingeniør til at kende i det mindste det grundlæggende i mikroprocessorteknologi.

Mikroprocessorsystemer er designet til at automatisere informationsbehandling og styre forskellige processer.

Udtrykket "mikroprocessorsystem" er meget bredt og omfatter begreber som "elektronisk computermaskine (ECM)", "kontrolcomputer", "computer" og andre.

Mikroprocessorsystemet inkluderer hardware eller på engelsk — hardware og software (Software) — software.

Digital information

Mikroprocessorsystemet arbejder med digital information, som er en række numeriske koder.

Kernen i ethvert mikroprocessorsystem er en mikroprocessor, der kun kan acceptere binære tal (der består af 0'er og 1'er).Binære tal skrives ved hjælp af det binære talsystem. For eksempel bruger vi i hverdagen et decimaltalssystem, der bruger ti tegn eller cifre til at skrive tal, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Derfor er der i det binære system kun to sådanne symboler (eller cifre) - 0 og 1.

Det er nødvendigt at forstå, at nummersystemet kun er reglerne for at skrive tal, og valget af typen af ​​system vil blive bestemt af brugervenligheden. Valget af et binært system skyldes dets enkelhed, hvilket betyder pålideligheden af ​​digitale enheder og letheden ved deres tekniske implementering.

Overvej måleenhederne for digital information:

En bit (fra det engelske «BInary digit» — binært ciffer) tager kun to værdier: 0 eller 1. Du kan indkode den logiske værdi «yes» eller «no», tilstanden «on» eller «off», tilstanden « åben» «eller» lukket «osv.

En gruppe på otte bit kaldes en byte, for eksempel 10010111. En byte giver dig mulighed for at indkode 256 værdier: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

En bit er den mindste informationsenhed.

Byte — den mindste enhed for informationsbehandling. Byte - en del af et maskinord, som normalt består af 8 bit og bruges som en enhed for mængden af ​​information under dets lagring, transmission og behandling på en computer. En byte tjener til at repræsentere bogstaver, stavelser og specialtegn (normalt optager alle 8 bits) eller decimalcifre (hver 2 cifre i 1 byte).

To sammenhængende bytes kaldes et ord, 4 bytes et dobbeltord, 8 bytes et quad-ord.

Næsten al information, der omgiver os, er analog. Derfor, før informationen kommer ind i processoren til behandling, konverteres den ved hjælp af en ADC (analog-til-digital konverter).Derudover er informationen kodet i et bestemt format og kan være digital, logisk, tekstlig (symbolsk), grafisk, video mv.

For eksempel bruges en tabel med ASCII-koder (fra engelsk American Standard Code for Information Interchange) til at kode tekstinformation. Et tegn skrives i en byte, som kan tage 256 værdier. Grafisk information er opdelt i prikker (pixels), og farven og positionen af ​​hver prik er kodet vandret og lodret.

Udover de binære og decimale systemer anvender MS et hexadecimalt system, hvor symbolerne 0 ... 9 og A ... F bruges til at skrive tal. Dets brug skyldes, at en byte er beskrevet af en to -cifret hexadecimalt tal, som i høj grad reducerer registreringen af ​​den numeriske kode og gør den mere læsbar (11111111 — FF).

Tabel 1 — Skrivning af tal i forskellige talsystemer

For at bestemme værdien af ​​tallet (f.eks. kan værdien af ​​tallet 100 for forskellige talsystemer være 42, 10010, 25616), tilføj i slutningen af ​​tallet et latinsk bogstav, der angiver talsystemet: for binære tal bogstavet b, for hexadecimale tal — h, for decimale tal — d. Et tal uden en yderligere betegnelse betragtes som en decimal.

Konvertering af tal fra et system til et andet og grundlæggende aritmetiske og logiske operationer med tal giver dig mulighed for at lave en teknisk lommeregner (standardapplikation af Windows-operativsystemet).

Struktur af et mikroprocessorsystem

Mikroprocessorsystemet er baseret på en mikroprocessor (processor), der udfører informationsbehandling og kontrolfunktioner. Resten af ​​de enheder, der udgør mikroprocessorsystemet, tjener processoren ved at hjælpe den med at fungere.

Obligatoriske enheder til at skabe et mikroprocessorsystem er input/output-porte og delvist hukommelse... Input - output-porte forbinder processoren med omverdenen ved at give information til behandling og output af resultaterne af behandlings- eller kontrolhandlinger. Knapper (tastatur), forskellige sensorer er forbundet til indgangsportene; til udgangsporte — enheder, der tillader elektrisk styring: indikatorer, displays, kontaktorer, magnetventiler, elektriske motorer osv.

Hukommelse er primært nødvendig for at gemme et program (eller et sæt programmer), der er nødvendigt for, at processoren kan fungere. Et program er en sekvens af kommandoer, som processoren forstår, skrevet af et menneske (normalt en programmør).

Strukturen af ​​et mikroprocessorsystem er vist i figur 1. I en forenklet form består processoren af ​​en aritmetisk logisk enhed (ALU), der behandler digital information, og en kontrolenhed (CU).

Hukommelse omfatter typisk skrivebeskyttet hukommelse (ROM), som er ikke-flygtig og beregnet til langtidslagring af information (f.eks. programmer), og RAM-hukommelse (Random-Access Memory), beregnet til midlertidig datalagring.

Figur 1 — Strukturen af ​​mikroprocessorsystemet

Processoren, portene og hukommelsen kommunikerer med hinanden via busser. En bus er et sæt ledninger, der er funktionelt forenet. Et enkelt sæt systembusser kaldes intrasystembus, hvori der er:

• DB-databus (Data Bus), hvorigennem data udveksles mellem processor, hukommelse og porte;

• adressebus AB (Address Bus), bruges til at adressere processorens hukommelsesceller og porte;

• kontrolbus CB (Control Bus), et sæt linjer, der transmitterer forskellige styresignaler fra processoren til eksterne enheder og omvendt.

Mikroprocessorer

Mikroprocessor — en softwarestyret enhed designet til at behandle digital information og styre processen for denne behandling, lavet i form af et (eller flere) integrerede kredsløb med en høj grad af integration af elektroniske elementer.

En mikroprocessor er karakteriseret ved en lang række parametre, da den både er en kompleks softwarestyret enhed og en elektronisk enhed (mikrokredsløb). Derfor, for en mikroprocessor, både sagstypen og instruktionssættet for processoren... En mikroprocessors muligheder er defineret af begrebet mikroprocessorarkitektur.

Præfikset «mikro» i processorens navn betyder, at det er implementeret ved hjælp af mikronteknologi.

Figur 2 — Udvendigt billede af Intel Pentium 4-mikroprocessoren

Under drift læser mikroprocessoren programkommandoer fra hukommelsen eller en inputport og udfører dem. Hvad hver kommando betyder, bestemmes af processorens instruktionssæt.Instruktionssættet er indbygget i mikroprocessorens arkitektur, og udførelsen af ​​kommandokoden kommer til udtryk i udførelsen af ​​visse mikrooperationer af de interne elementer i processoren.

Mikroprocessorarkitektur — dette er dens logiske organisation; den definerer mikroprocessorens muligheder med hensyn til hardware- og softwareimplementering af de funktioner, der kræves for at bygge et mikroprocessorsystem.

Hovedkarakteristika for mikroprocessorer:

1) Urfrekvens (måleenhed MHz eller GHz) — antallet af klokpulser på 1 sekund.Urimpulserne genereres af en klokgenerator, som normalt er placeret inde i processoren. Fordi alle operationer (instruktioner) udføres i clock-cyklusser, så afhænger arbejdsydelsen (antallet af operationer udført pr. tidsenhed) af clock-frekvensen. Processorfrekvensen kan variere inden for visse grænser.

2) Bitprocessor (8, 16, 32, 64 bit osv.) — angiver antallet af bytes data, der behandles i en clock-cyklus. Bitbredden af ​​en processor bestemmes af bitbredden af ​​dens interne registre. En processor kan være 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit osv. dvs. data behandles i bidder af 1, 2, 4, 8 bytes. Det er klart, at jo større biddybde, jo højere er arbejdsproduktiviteten.

Mikroprocessorens interne arkitektur

En forenklet intern arkitektur af en typisk 8-bit mikroprocessor er vist i figur 3. Strukturen af ​​mikroprocessoren kan opdeles i tre hoveddele:

1) Registre til midlertidig opbevaring af kommandoer, data og adresser;

2) Aritmetisk logisk enhed (ALU), som udfører aritmetiske og logiske operationer;

3) Styre- og tidskredsløb — giver kommandovalg, organiserer driften af ​​ALU'en, giver adgang til alle mikroprocessorregistre, opfatter og genererer eksterne styresignaler.

Figur 3 — Forenklet intern arkitektur af en 8-bit mikroprocessor

Som du kan se på diagrammet, er processoren baseret på registre, som er opdelt i specielle (med et bestemt formål) og generelle registre.

Programtæller (computer) — et register, der indeholder adressen på den næste kommandobyte. Processoren skal vide, hvilken kommando der skal udføres næste gang.

Batteri — et register, der bruges i de fleste instruktioner til logisk og aritmetisk behandling; det er både kilden til en af ​​de databytes, der kræves til ALU-operationen, og stedet, hvor resultatet af ALU-operationen placeres.

Et funktionsregister (eller flagregister) indeholder information om mikroprocessorens interne tilstand, specifikt resultatet af den sidste ALU-operation. Et flagregister er ikke et register i sædvanlig forstand, men blot et sæt flip flops (flag op eller ned. Der er normalt nul-, overløbs-, negative- og bæreflag).

Stack Pointer (SP) — holder styr på stakkens position, dvs. den indeholder adressen på dens sidst brugte celle. Stack — en måde at organisere datalagring på.

Et kommandoregister indeholder den aktuelle kommandobyte, der dekodes af kommandodekoderen.

De eksterne buslinjer er isoleret fra de interne buslinjer ved hjælp af buffere, og de interne hovedelementer er forbundet med en intern højhastighedsdatabus.

For at forbedre ydeevnen af ​​et multiprocessorsystem kan den centrale processors funktioner fordeles mellem flere processorer. For at hjælpe den centrale processor introducerer computeren ofte co-processorer, der fokuserer på effektiv udførelse af specifikke funktioner. Udbredte matematiske og grafiske co-processorer, input og output aflaster den centrale processor fra enkle, men talrige operationer af interaktion med eksterne enheder.

På nuværende tidspunkt er hovedretningen for at øge produktiviteten udviklingen af ​​multi-core processorer, dvs. at kombinere to eller flere processorer i et tilfælde for at udføre flere operationer parallelt (samtidigt).

Intel og AMD er de førende virksomheder inden for design og fremstilling af processorer.

Mikroprocessor systemalgoritme

Algoritme - en præcis recept, der entydigt sætter processen med at transformere den indledende information til en sekvens af operationer, der gør det muligt at løse et sæt opgaver af en bestemt klasse og opnå det ønskede resultat.

Hovedkontrolelementet i hele mikroprocessorsystemet er en processor... Den styrer, med undtagelse af nogle få specielle tilfælde, alle andre enheder. De resterende enheder, såsom RAM, ROM og I/O-porte, er underordnede.

Så snart den er tændt, begynder processoren at læse digitale koder fra hukommelsesområdet, der er reserveret til lagring af programmer. Aflæsning sker sekventielt celle for celle, startende fra den allerførste. En celle indeholder data, adresser og kommandoer. En instruktion er en af ​​de elementære handlinger, som en mikroprocessor kan udføre. Alt mikroprocessorens arbejde er reduceret til sekventiel læsning og udførelse af kommandoer.

Overvej rækkefølgen af ​​mikroprocessorens handlinger under udførelsen af ​​programkommandoer:

1) Inden den næste instruktion udføres, gemmer mikroprocessoren sin adresse i computerprogramtælleren.

2) MP'en får adgang til hukommelsen på adressen indeholdt i computeren og læser fra hukommelsen den første byte af den næste kommando i kommandoregisteret.

3) Kommandodekoderen afkoder (dechifrerer) kommandokoden.

4) I overensstemmelse med informationen modtaget fra dekoderen genererer styreenheden en tidsbestemt sekvens af mikrooperationer, der udfører kommandoinstruktionerne, herunder:

— henter operander fra registre og hukommelse;

— udfører aritmetiske, logiske eller andre operationer på dem som foreskrevet af kommandokoden;

— afhængigt af længden af ​​kommandoen, ændrer indholdet af computeren;

— overfører kontrollen til den næste kommando, hvis adresse igen er i computerprogramtælleren.

Instruktionssættet til en mikroprocessor kan opdeles i tre grupper:

1) Kommandoer til at flytte data

Overførslen foregår mellem hukommelse, processor, I/O-porte (hver port har sin egen adresse), mellem processorregistre.

2) Datatransformationskommandoer

Alle data (tekst, billede, video osv.) er tal, og kun aritmetiske og logiske operationer kan udføres med tal. Derfor inkluderer kommandoerne i denne gruppe addition, subtraktion, sammenligning, logiske operationer osv.

3) Overførsel af kontrolkommando

Det er meget sjældent, at et program består af en enkelt sekventiel instruktion. De fleste algoritmer kræver programforgrening. For at programmet skal ændre algoritmen for dets arbejde, afhængigt af enhver tilstand, bruges kontroloverførselskommandoer. Disse kommandoer sikrer flowet af programudførelse langs forskellige stier og organiserer loops.

Eksterne enheder

Eksterne enheder omfatter alle enheder, der er eksterne til processoren (undtagen RAM) og forbundet via I/O-porte. Eksterne enheder kan klassificeres i tre grupper:

1) menneske-computer kommunikationsenheder (tastatur, skærm, printer osv.);

2) enheder til kommunikation med kontrolobjekter (sensorer, aktuatorer, ADC og DAC);

3) eksterne lagerenheder med stor kapacitet (harddisk, disketter).

Eksterne enheder er forbundet til mikroprocessorsystemet fysisk - gennem stik og logisk - gennem porte (controllere).

Et afbrydelsessystem (mekanisme) bruges til at interface mellem processoren og eksterne enheder.

Afbryde systemet

Dette er en speciel mekanisme, der til enhver tid tillader, gennem et eksternt signal, at tvinge processoren til at stoppe udførelsen af ​​hovedprogrammet, udføre operationer relateret til den begivenhed, der forårsagede afbrydelsen, og derefter vende tilbage til udførelsen af ​​hovedprogrammet .

Hver mikroprocessor har mindst én interrupt request input INT (fra ordet Interrupt).

Lad os overveje et eksempel på samspillet mellem en personlig computerprocessor og et tastatur (figur 4).

Tastatur — en enhed til indtastning af symbolsk information og kontrolkommandoer. For at tilslutte tastaturet har computeren en speciel tastaturport (chip).

Figur 4 — CPU-drift med tastaturet

Algoritme for arbejde:

1) Når der trykkes på en tast, genererer tastaturcontrolleren en numerisk kode. Dette signal går til tastaturportchippen.

2) Tastaturporten sender et afbrydelsessignal til CPU'en. Hver ekstern enhed har sit eget interrupt-nummer, som processoren genkender det med.

3) Efter at have modtaget en afbrydelse fra tastaturet, afbryder processoren udførelsen af ​​programmet (f.eks. Microsoft Office Word-editoren) og indlæser programmet til behandling af tastaturkoder fra hukommelsen. Sådan et program kaldes en driver.

4) Dette program dirigerer processoren til tastaturporten, og den numeriske kode indlæses i processorregistret.

5) Den digitale kode gemmes i hukommelsen, og processoren fortsætter med at udføre en anden opgave.

På grund af den høje driftshastighed udfører processoren et stort antal processer samtidigt.