Микропроцесорски системи

Употреба микропроцесорских система у готово свим електричним уређајима је најважнија карактеристика техничке инфраструктуре савременог друштва. Електрична енергија, индустрија, транспорт, комуникациони системи у великој мери зависе од компјутерских система управљања. Микропроцесорски системи се уграђују у мерне инструменте, електричне уређаје, расветне инсталације итд.

Све ово обавезује инжењера електротехнике да познаје бар основе микропроцесорске технике.

Микропроцесорски системи су дизајнирани да аутоматизују обраду информација и контролишу различите процесе.

Термин "микропроцесорски систем" је веома широк и укључује концепте као што су "електронска рачунарска машина (ЕЦМ)", "контролни рачунар", "рачунар" и други.

Микропроцесорски систем укључује Хардвер или на енглеском — хардвер и софтвер (Софтвер) — софтвер.

Дигиталне информације

Микропроцесорски систем ради са дигиталним информацијама, које представљају низ нумеричких кодова.

У основи сваког микропроцесорског система је микропроцесор који може да прихвати само бинарне бројеве (састављене од 0 и 1).Бинарни бројеви се записују коришћењем бинарног система бројева. На пример, у свакодневном животу користимо децимални бројевни систем који користи десет знакова или цифара за писање бројева, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Сходно томе, у бинарном систему постоје само два таква симбола (или цифре) - 0 и 1.

Неопходно је схватити да је систем бројева само правила за писање бројева, а избор врсте система ће бити одређен једноставношћу употребе. Избор бинарног система је због његове једноставности, што значи поузданост дигиталних уређаја и лакоћу њихове техничке имплементације.

Размотрите мерне јединице дигиталних информација:

Бит (од енглеског «БИнари дигиТ» — бинарна цифра) има само две вредности: 0 или 1. Можете да кодирате логичку вредност «да» или «не», стање «укључено» или «искључено», стање « отворен» «или» затворен «итд.

Група од осам битова се назива бајт, на пример 10010111. Један бајт вам омогућава да кодирате 256 вредности: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Бит је најмања јединица информације.

Бајт — најмања јединица за обраду информација. Бајт - део машинске речи, обично се састоји од 8 бита и користи се као јединица за количину информација током њеног складиштења, преноса и обраде на рачунару. Бајт служи за представљање слова, слогова и специјалних знакова (обично заузимају свих 8 бита) или децималних цифара (сваке 2 цифре у 1 бајту).

Два суседна бајта се називају реч, 4 бајта двострука реч, 8 бајта четворострука реч.

Скоро све информације које нас окружују су аналогне. Стога, пре него што информација уђе у процесор за обраду, она се конвертује помоћу АДЦ-а (аналогно-дигитални претварач).Осим тога, информације су кодиране у одређеном формату и могу бити дигиталне, логичке, текстуалне (симболичке), графичке, видео итд.

На пример, табела АСЦИИ кодова (из енглеско-америчког стандардног кода за размену информација) се користи за кодирање текстуалних информација. Један знак је уписан у једном бајту, који може имати 256 вредности. Графичке информације су подељене на тачке (пикселе), а боја и положај сваке тачке су кодирани хоризонтално и вертикално.

Поред бинарног и децималног система, МС користи хексадецимални систем у коме се за писање бројева користе симболи 0 ... 9 и А ... Ф. Његова употреба је због чињенице да је један бајт описан са два -цифрени хексадецимални број, који у великој мери смањује снимање нумеричког кода и чини га читљивијим (11111111 — ФФ).

Табела 1 — Писање бројева у различитим бројевним системима

Да бисте одредили вредност броја (на пример, вредност броја 100 за различите системе бројева може бити 42, 10010, 25616), на крају броја додајте латинично слово које означава систем бројева: за бинарне бројеве слово б, за хексадецималне бројеве — х , за децималне бројеве — д. Број без додатне ознаке сматра се децималом.

Конвертовање бројева из једног система у други и основне аритметичке и логичке операције са бројевима омогућавају вам да направите инжењерски калкулатор (стандардна примена оперативног система Виндовс).

Структура микропроцесорског система

Микропроцесорски систем је заснован на микропроцесору (процесору) који обавља функције обраде и управљања информацијама. Остали уређаји који чине микропроцесорски систем служе процесору помажући му да ради.

Обавезни уређаји за креирање микропроцесорског система су улазни/излазни портови и делимично меморија... Улазно – излазни портови повезују процесор са спољним светом обезбеђујући информације за обраду и излаз резултата обраде или контролних радњи. Дугмад (тастатура), разни сензори су повезани на улазне портове; до излазних портова — уређаја који омогућавају електричну контролу: индикатори, дисплеји, контактори, електромагнетни вентили, електромотори итд.

Меморија је првенствено потребна за складиштење програма (или скупа програма) неопходних за рад процесора. Програм је низ команди које процесор разуме, а које је написао човек (обично програмер).

Структура микропроцесорског система приказана је на слици 1. У поједностављеном облику, процесор се састоји од аритметичко-логичке јединице (АЛУ) која обрађује дигиталне информације, и контролне јединице (ЦУ).

Меморија обично укључује меморију само за читање (РОМ), која је непостојана и намењена за дуготрајно складиштење информација (нпр. програма), и меморију са случајним приступом (РАМ), намењену за привремено складиштење података.

Слика 1 — Структура микропроцесорског система

Процесор, портови и меморија комуницирају једни са другима преко магистрала. Аутобус је скуп жица које су функционално уједињене. Један скуп системских магистрала назива се интрасистемска магистрала, у којој постоје:

• ДБ магистрала података (Дата Бус), преко које се размењују подаци између процесора, меморије и портова;

• адресна магистрала АБ (Аддресс Бус), која се користи за адресирање меморијских ћелија и портова процесора;

• контролна магистрала ЦБ (Цонтрол Бус), скуп линија које преносе различите управљачке сигнале са процесора на спољне уређаје и обрнуто.

Микропроцесори

Микропроцесор — софтверски контролисан уређај дизајниран за обраду дигиталних информација и управљање процесом ове обраде, направљен у облику једног (или више) интегрисаних кола са високим степеном интеграције електронских елемената.

Микропроцесор карактерише велики број параметара, јер је и сложен софтверски контролисан уређај и електронски уређај (микроколо). Дакле, за микропроцесор, и тип кућишта и скуп инструкција за процесор... Могућности микропроцесора су дефинисане концептом архитектуре микропроцесора.

Префикс «мицро» у називу процесора значи да је имплементиран помоћу микронске технологије.

Слика 2 — Спољашњи изглед микропроцесора Интел Пентиум 4

Током рада, микропроцесор чита програмске команде из меморије или улазног порта и извршава их. Шта свака наредба значи одређено је скупом инструкција процесора.Скуп инструкција је уграђен у архитектуру микропроцесора, а извршење командног кода се изражава у извршавању одређених микрооперација од стране унутрашњих елемената процесора.

Архитектура микропроцесора — то је његова логична организација; дефинише могућности микропроцесора у смислу хардверске и софтверске имплементације функција потребних за изградњу микропроцесорског система.

Главне карактеристике микропроцесора:

1) Фреквенција такта (мерна јединица МХз или ГХз) — број импулса такта у 1 секунди.Импулсе такта генерише генератор такта, који се обично налази унутар процесора. Пошто се све операције (инструкције) изводе у тактовима, онда радни учинак (број извршених операција по јединици времена) зависи од фреквенције такта. Фреквенција процесора може да варира у одређеним границама.

2) Бит процесор (8, 16, 32, 64 бита, итд.) — одређује број бајтова података који се обрађују у једном циклусу такта. Ширина бита процесора је одређена ширином бита његових унутрашњих регистара. Процесор може бити 8-битни, 16-битни, 32-битни, 64-битни итд. тј. подаци се обрађују у деловима од 1, 2, 4, 8 бајтова. Јасно је да што је већа дубина бита, то је већа продуктивност рада.

Унутрашња архитектура микропроцесора

Поједностављена интерна архитектура типичног 8-битног микропроцесора приказана је на слици 3. Структура микропроцесора се може поделити на три главна дела:

1) Регистри за привремено чување команди, података и адреса;

2) Аритметичко-логичка јединица (АЛУ) која обавља аритметичке и логичке операције;

3) Контролно и временско коло — обезбеђује избор команди, организује рад АЛУ, обезбеђује приступ свим регистрима микропроцесора, перципира и генерише спољне контролне сигнале.

Слика 3 — Поједностављена интерна архитектура 8-битног микропроцесора

Као што се види из дијаграма, процесор се заснива на регистрима, који се деле на регистре посебне (са одређеном наменом) и регистре опште намене.

Програмски бројач (рачунар) — регистар који садржи адресу следећег командног бајта. Процесор треба да зна која ће команда бити следећа.

Батерија — регистар који се користи у већини упутстава за логичку и аритметичку обраду; он је и извор једног од бајтова података који су потребни за АЛУ операцију и место где се налази резултат АЛУ операције.

Регистар функција (или регистар заставица) садржи информације о унутрашњем стању микропроцесора, конкретно резултат последње АЛУ операције. Регистар заставица није регистар у уобичајеном смислу, већ једноставно скуп јапанки (заставица горе или доле. Обично постоје заставице нула, преливање, негативне и носеће заставице).

Показивач стека (СП) — прати позицију стека, односно садржи адресу његове последње коришћене ћелије. Стацк — начин организовања складиштења података.

Командни регистар садржи тренутни командни бајт који декодира командни декодер.

Екстерне магистралне линије су изоловане од унутрашњих магистралних водова баферима, а главни унутрашњи елементи су повезани интерном магистралом података велике брзине.

Да би се побољшале перформансе вишепроцесорског система, функције централног процесора могу бити распоређене на неколико процесора. Да би помогао централном процесору, рачунар често уводи копроцесоре, фокусиране на ефикасно извршавање било које специфичне функције. Широко распрострањени математички и графички копроцесори, улаз и излаз растерећују централни процесор од једноставних, али бројних операција интеракције са спољним уређајима.

У тренутној фази, главни правац повећања продуктивности је развој вишејезгарних процесора, тј. комбиновање два или више процесора у једном кућишту за обављање неколико операција паралелно (истовремено).

Интел и АМД су водеће компаније за пројектовање и производњу процесора.

Алгоритам микропроцесорског система

Алгоритам — прецизан рецепт који на јединствен начин поставља процес трансформације почетних информација у низ операција које омогућавају решавање скупа задатака одређене класе и добијање жељеног резултата.

Главни управљачки елемент читавог микропроцесорског система је процесор... Он, са изузетком неколико посебних случајева, управља свим осталим уређајима. Преостали уређаји, као што су РАМ, РОМ и И/О портови, су подређени.

Чим се укључи, процесор почиње да чита дигиталне кодове из меморијске области која је резервисана за чување програма. Читање се врши секвенцијално ћелију по ћелију, почевши од прве. Ћелија садржи податке, адресе и команде. Инструкција је једна од елементарних радњи које микропроцесор може да изврши. Сав рад микропроцесора своди се на секвенцијално читање и извршавање команди.

Размотрите редослед радњи микропроцесора током извршавања програмских команди:

1) Пре него што се изврши следећа инструкција, микропроцесор чува своју адресу у бројачу рачунарских програма.

2) МП приступа меморији на адреси садржаној у рачунару и чита из меморије први бајт следеће команде у командном регистру.

3) Командни декодер декодира (дешифрује) командни код.

4) У складу са информацијама добијеним од декодера, контролна јединица генерише временски поређани низ микро-операција које извршавају командне инструкције, укључујући:

— преузима операнде из регистара и меморије;

— над њима врши аритметичке, логичке или друге операције прописане командним кодом;

— у зависности од дужине команде, мења садржај рачунара;

— преноси контролу на следећу команду чија се адреса поново налази у бројачу рачунарских програма.

Сет инструкција за микропроцесор се може поделити у три групе:

1) Команде за премештање података

Пренос се одвија између меморије, процесора, И/О портова (сваки порт има своју адресу), између регистара процесора.

2) Команде за трансформацију података

Сви подаци (текст, слика, видео, итд.) су бројеви, а са бројевима се могу изводити само аритметичке и логичке операције. Дакле, команде ове групе обухватају сабирање, одузимање, поређење, логичке операције итд.

3) Пренос команде управљања

Веома је ретко да се програм састоји од једне секвенцијалне инструкције. Већина алгоритама захтева гранање програма. Да би програм променио алгоритам свог рада, у зависности од било ког услова, користе се команде за пренос контроле. Ове команде обезбеђују ток извршавања програма дуж различитих путања и организују петље.

Екстерни уређаји

Екстерни уређаји обухватају све уређаје који су екстерни у односу на процесор (осим РАМ-а) и повезани преко И/О портова. Спољни уређаји се могу поделити у три групе:

1) комуникациони уређаји човек-рачунар (тастатура, монитор, штампач итд.);

2) уређаји за комуникацију са објектима управљања (сензори, актуатори, АДЦ и ДАЦ);

3) екстерни уређаји за складиштење великог капацитета (хард диск, флопи дискови).

Спољни уређаји су повезани са микропроцесорским системом физички — преко конектора и логички — преко портова (контролера).

Систем прекида (механизам) се користи за повезивање између процесора и спољних уређаја.

Систем прекида

Ово је посебан механизам који омогућава у било ком тренутку, преко спољног сигнала, да присили процесор да заустави извршавање главног програма, изврши операције везане за догађај који је изазвао прекид, а затим се врати на извршење главног програма. .

Сваки микропроцесор има најмање један улаз захтева за прекидом ИНТ (од речи Интеррупт).

Размотримо пример интеракције процесора персоналног рачунара са тастатуром (слика 4).

Тастатура — уређај за унос симболичких информација и контролних команди. За повезивање тастатуре, рачунар има посебан порт за тастатуру (чип).

Слика 4 — Рад ЦПУ-а са тастатуром

Алгоритам рада:

1) Када се притисне тастер, контролер тастатуре генерише нумерички код. Овај сигнал иде до чипа порта тастатуре.

2) Порт за тастатуру шаље сигнал прекида ЦПУ-у. Сваки спољни уређај има свој број прекида по коме га процесор препознаје.

3) Након што добије прекид са тастатуре, процесор прекида извршавање програма (на пример, Мицрософт Оффице Ворд едитор) и учитава програм за обраду кодова тастатуре из меморије. Такав програм се назива драјвер.

4) Овај програм усмерава процесор на порт за тастатуру и нумерички код се учитава у регистар процесора.

5) Дигитални код се чува у меморији и процесор наставља да обавља други задатак.

Због велике брзине рада, процесор истовремено извршава велики број процеса.