Sisteme cu microprocesoare

Utilizarea sistemelor cu microprocesoare în aproape toate dispozitivele electrice este cea mai importantă caracteristică a infrastructurii tehnice a societății moderne. Electricitatea, industria, transporturile, sistemele de comunicații sunt foarte dependente de sistemele de control computerizate. Sistemele cu microprocesoare sunt încorporate în instrumente de măsură, dispozitive electrice, instalații de iluminat etc.

Toate acestea îl obligă pe inginerul electrician să cunoască cel puțin elementele de bază ale tehnologiei microprocesoarelor.

Sistemele cu microprocesoare sunt concepute pentru a automatiza procesarea informațiilor și a controla diferite procese.

Termenul „sistem cu microprocesor” este foarte larg și include concepte precum „mașină de calcul electronică (ECM)”, „calculator de control”, „calculator” și altele.

Sistemul cu microprocesor include Hardware sau în engleză — hardware și software (Software) — software.

Informații digitale

Sistemul cu microprocesor funcționează cu informații digitale, care sunt o serie de coduri numerice.

La baza oricărui sistem cu microprocesor se află un microprocesor care poate accepta doar numere binare (formate din 0 și 1).Numerele binare sunt scrise folosind sistemul de numere binar. De exemplu, în viața de zi cu zi folosim un sistem numeric zecimal care folosește zece caractere sau cifre pentru a scrie numere, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. În consecință, în sistemul binar există doar două astfel de simboluri (sau cifre) - 0 și 1.

Este necesar să înțelegeți că sistemul de numere este doar regulile de scriere a numerelor, iar alegerea tipului de sistem va fi determinată de ușurința de utilizare. Alegerea unui sistem binar se datorează simplității sale, ceea ce înseamnă fiabilitatea dispozitivelor digitale și ușurința implementării lor tehnice.

Luați în considerare unitățile de măsură ale informațiilor digitale:

Un bit (din engleza «BInary digiT» — cifră binară) ia doar două valori: 0 sau 1. Puteți codifica valoarea logică «da» sau «nu», starea «pornit» sau «oprit», starea « deschis» «sau» închis «etc.

Un grup de opt biți se numește octet, de exemplu 10010111. Un octet vă permite să codificați 256 de valori: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Un bit este cea mai mică unitate de informație.

Byte — cea mai mică unitate de procesare a informațiilor. Byte - parte a unui cuvânt de mașină, constând de obicei din 8 biți și utilizat ca unitate pentru cantitatea de informații în timpul stocării, transmiterii și procesării sale pe un computer. Un octet servește pentru a reprezenta litere, silabe și caractere speciale (ocupând de obicei toți cei 8 biți) sau cifre zecimale (fiecare 2 cifre într-un octet).

Doi octeți alăturați se numesc un cuvânt, 4 octeți un cuvânt dublu, 8 octeți un cuvânt patru.

Aproape toate informațiile care ne înconjoară sunt analogice. Prin urmare, înainte ca informațiile să intre în procesor pentru procesare, acestea sunt convertite folosind un ADC (convertor analog-digital).În plus, informațiile sunt codificate într-un anumit format și pot fi digitale, logice, textuale (simbolice), grafice, video etc.

De exemplu, un tabel de coduri ASCII (din engleză American Standard Code for Information Interchange) este utilizat pentru a codifica informațiile text. Un caracter este scris într-un octet, care poate lua 256 de valori. Informațiile grafice sunt împărțite în puncte (pixeli), iar culoarea și poziția fiecărui punct sunt codificate orizontal și vertical.

Pe lângă sistemele binar și zecimal, MS folosește un sistem hexazecimal în care pentru a scrie numere sunt folosite simbolurile 0 ... 9 și A ... F. Utilizarea sa se datorează faptului că un octet este descris de două -cifra număr hexazecimal, care reduce foarte mult înregistrarea codului numeric și îl face mai lizibil (11111111 — FF).

Tabelul 1 — Scrierea numerelor în diferite sisteme numerice

Pentru a determina valoarea numărului (de exemplu, valoarea numărului 100 pentru diferite sisteme numerice poate fi 42, 10010, 25616), la sfârșitul numărului adăugați o literă latină care indică sistemul numeric: pentru numerele binare litera b, pentru numere hexazecimale — h , pentru numere zecimale — d. Un număr fără o desemnare suplimentară este considerat zecimal.

Conversia numerelor dintr-un sistem în altul și a operațiilor de bază aritmetice și logice cu numere vă permite să realizați un calculator de inginerie (aplicație standard a sistemului de operare Windows).

Structura unui sistem cu microprocesor

Sistemul cu microprocesor se bazează pe un microprocesor (procesor) care realizează funcții de procesare și control a informațiilor. Restul dispozitivelor care alcătuiesc sistemul cu microprocesor servesc procesorul ajutându-l să funcționeze.

Dispozitivele obligatorii pentru crearea unui sistem cu microprocesor sunt porturile de intrare / ieșire și parțial de memorie... Porturile de intrare - ieșire conectează procesorul la lumea exterioară furnizând informații pentru procesarea și ieșirea rezultatelor acțiunilor de procesare sau control. Butoane (tastatură), diverși senzori sunt conectați la porturile de intrare; la porturile de ieșire — dispozitive care permit controlul electric: indicatoare, afișaje, contactoare, supape solenoide, motoare electrice etc.

Memoria este necesară în primul rând pentru a stoca un program (sau un set de programe) necesar pentru ca procesorul să funcționeze. Un program este o secvență de comenzi pe care procesorul le înțelege, scrise de un om (de obicei un programator).

Structura unui sistem cu microprocesor este prezentată în Figura 1. Într-o formă simplificată, procesorul constă dintr-o unitate logică aritmetică (ALU) care procesează informații digitale și o unitate de control (CU).

Memoria include în mod obișnuit memorie read-only (ROM), care este nevolatilă și destinată stocării pe termen lung a informațiilor (de exemplu, programe) și memorie cu acces aleatoriu (RAM), destinată stocării temporare a datelor.

Figura 1 — Structura sistemului cu microprocesor

Procesorul, porturile și memoria comunică între ele prin magistrale. Un autobuz este un set de fire care sunt unite funcțional. Un singur set de magistrale de sistem se numește magistrală intrasistem, în care există:

• DB data bus (Data Bus), prin care se fac schimb de date între procesor, memorie și porturi;

• magistrala de adrese AB (Address Bus), folosită pentru a adresa celulele de memorie și porturile procesorului;

• control bus CB (Control Bus), un set de linii care transmit diverse semnale de control de la procesor către dispozitive externe și invers.

Microprocesoare

Microprocesor — un dispozitiv controlat de software conceput pentru a procesa informații digitale și a controla procesul acestei prelucrări, realizat sub forma unuia (sau mai multor) circuite integrate cu un grad ridicat de integrare a elementelor electronice.

Un microprocesor este caracterizat de un număr mare de parametri, deoarece este atât un dispozitiv complex controlat de software, cât și un dispozitiv electronic (microcircuit). Prin urmare, pentru un microprocesor, atât tipul carcasei, cât și setul de instrucțiuni pentru procesor... Capacitățile unui microprocesor sunt definite de conceptul de arhitectură a microprocesorului.

Prefixul «micro» din numele procesorului înseamnă că acesta este implementat folosind tehnologia micron.

Figura 2 — Vedere externă a microprocesorului Intel Pentium 4

În timpul funcționării, microprocesorul citește comenzile programului din memorie sau dintr-un port de intrare și le execută. Ce înseamnă fiecare comandă este determinat de setul de instrucțiuni al procesorului.Setul de instrucțiuni este încorporat în arhitectura microprocesorului, iar execuția codului de comandă este exprimată în executarea anumitor micro-operații de către elementele interne ale procesorului.

Arhitectura microprocesorului — aceasta este organizarea sa logică; definește capacitățile microprocesorului în ceea ce privește implementarea hardware și software a funcțiilor necesare pentru construirea unui sistem cu microprocesor.

Principalele caracteristici ale microprocesoarelor:

1) Frecvența ceasului (unitate de măsură MHz sau GHz) — numărul de impulsuri de ceas într-o secundă.Impulsurile de ceas sunt generate de un generator de ceas, care este de obicei situat în interiorul procesorului. Deoarece toate operațiile (instrucțiunile) sunt efectuate în cicluri de ceas, atunci performanța muncii (numărul de operații efectuate pe unitatea de timp) depinde de frecvența ceasului. Frecvența procesorului poate varia în anumite limite.

2) Procesor de biți (8, 16, 32, 64 de biți etc.) — specifică numărul de octeți de date procesate într-un ciclu de ceas. Lățimea de biți a unui procesor este determinată de lățimea de biți a registrelor sale interne. Un procesor poate fi pe 8 biți, 16 biți, 32 biți, 64 biți etc. datele sunt procesate în bucăți de 1, 2, 4, 8 octeți. Este clar că cu cât adâncimea de biți este mai mare, cu atât productivitatea muncii este mai mare.

Arhitectura internă a microprocesorului

O arhitectură internă simplificată a unui microprocesor tipic de 8 biți este prezentată în Figura 3. Structura microprocesorului poate fi împărțită în trei părți principale:

1) Registre pentru stocarea temporară a comenzilor, datelor și adreselor;

2) Unitate logică aritmetică (ALU) care efectuează operații aritmetice și logice;

3) Circuitul de control și sincronizare — oferă selecția comenzii, organizează funcționarea ALU, oferă acces la toate registrele microprocesorului, percepe și generează semnale de control extern.

Figura 3 — Arhitectura internă simplificată a unui microprocesor pe 8 biți

După cum puteți vedea din diagramă, procesorul se bazează pe registre, care sunt împărțite în registre speciale (cu un scop specific) și registre de uz general.

Număr de programe (computer) — un registru care conține adresa următorului octet de comandă. Procesorul trebuie să știe ce comandă va fi executată în continuare.

Baterie - un registru utilizat în majoritatea instrucțiunilor pentru procesarea logică și aritmetică; este atât sursa unuia dintre octeții de date care este necesar pentru operația ALU, cât și locul unde este plasat rezultatul operației ALU.

Un registru de funcții (sau registru de pavilion) conține informații despre starea internă a microprocesorului, în special rezultatul ultimei operațiuni ALU. Un registru de steag nu este un registru în sensul obișnuit, ci pur și simplu un set de flip flops (drapel sus sau jos. De obicei există steaguri zero, overflow, negative și carry).

Stack Pointer (SP) — ține evidența poziției stivei, adică conține adresa ultimei celule utilizate. Stivă — o modalitate de organizare a stocării datelor.

Un registru de comandă conține octetul de comandă curent care este decodat de decodorul de comandă.

Liniile de magistrală externă sunt izolate de liniile de magistrală internă prin buffere, iar elementele interne principale sunt conectate printr-o magistrală de date internă de mare viteză.

Pentru a îmbunătăți performanța unui sistem multiprocesor, funcțiile procesorului central pot fi distribuite între mai multe procesoare. Pentru a ajuta procesorul central, computerul introduce adesea co-procesoare, axate pe execuția eficientă a oricăror funcții specifice. Coprocesoare matematice și grafice larg răspândite, intrare și ieșire descarcă procesorul central de la operațiuni simple, dar numeroase de interacțiune cu dispozitive externe.

În stadiul actual, direcția principală de creștere a productivității este dezvoltarea procesoarelor multi-core, adică. combinarea a două sau mai multe procesoare într-un singur caz pentru a efectua mai multe operații în paralel (simultan).

Intel și AMD sunt companiile lider în proiectarea și fabricarea procesoarelor.

Algoritmul sistemului cu microprocesor

Algoritm — o prescripție precisă care stabilește în mod unic procesul de transformare a informațiilor inițiale într-o succesiune de operații care permit rezolvarea unui set de sarcini dintr-o anumită clasă și obținerea rezultatului dorit.

Principalul element de control al întregului sistem cu microprocesor este un procesor... Acesta, cu excepția câtorva cazuri speciale, controlează toate celelalte dispozitive. Dispozitivele rămase, cum ar fi porturile RAM, ROM și I/O, sunt subordonate.

Imediat ce este pornit, procesorul începe să citească coduri digitale din zona de memorie care este rezervată pentru stocarea programelor. Citirea se face secvenţial celulă cu celulă, începând chiar de la prima. O celulă conține date, adrese și comenzi. O instrucțiune este una dintre acțiunile elementare pe care le poate efectua un microprocesor. Toată munca microprocesorului este redusă la citirea și executarea secvențială a comenzilor.

Luați în considerare secvența de acțiuni ale microprocesorului în timpul executării comenzilor programului:

1) Înainte de executarea următoarei instrucțiuni, microprocesorul își stochează adresa în contorul de programe de calculator.

2) MP-ul accesează memoria la adresa conținută în calculator și citește din memorie primul octet al următoarei comenzi din registrul de comenzi.

3) Decodorul de comandă decodifică (descifrează) codul de comandă.

4) În conformitate cu informațiile primite de la decodor, unitatea de control generează o secvență ordonată în timp de micro-operații care execută instrucțiunile de comandă, inclusiv:

— preia operanzi din registre și memorie;

— efectuează asupra lor operații aritmetice, logice sau de altă natură, conform codului de comandă;

— în funcție de lungimea comenzii, modifică conținutul computerului;

— transferă controlul către următoarea comandă a cărei adresă se află din nou în contorul de programe de calculator.

Setul de instrucțiuni pentru un microprocesor poate fi împărțit în trei grupuri:

1) Comenzi pentru mutarea datelor

Transferul are loc între memorie, procesor, porturi I/O (fiecare port are propria adresa), între registrele procesorului.

2) Comenzi de transformare a datelor

Toate datele (text, imagine, video etc.) sunt numere și numai operații aritmetice și logice pot fi efectuate cu numere. Prin urmare, comenzile acestui grup includ adunarea, scăderea, compararea, operațiile logice etc.

3) Transferul comenzii de control

Este foarte rar ca un program să fie format dintr-o singură instrucțiune secvențială. Majoritatea algoritmilor necesită ramificarea programului. Pentru ca programul să schimbe algoritmul funcționării sale, în funcție de orice condiție, se folosesc comenzile de transfer de control. Aceste comenzi asigură fluxul de execuție a programului pe diferite căi și organizează bucle.

Dispozitive externe

Dispozitivele externe includ toate dispozitivele care sunt externe procesorului (cu excepția memoriei RAM) și conectate prin porturi I/O. Dispozitivele externe pot fi clasificate în trei grupe:

1) dispozitive de comunicare om-calculator (tastatură, monitor, imprimantă etc.);

2) dispozitive de comunicare cu obiectele de control (senzori, actuatoare, ADC și DAC);

3) dispozitive de stocare externe cu capacitate mare (hard disk, dischete).

Dispozitivele externe sunt conectate la sistemul cu microprocesor fizic — prin conectori și logic — prin porturi (controlere).

Un sistem de întrerupere (mecanism) este utilizat pentru a interfața între procesor și dispozitivele externe.

Sistem de întrerupere

Acesta este un mecanism special care permite în orice moment, printr-un semnal extern, să forțeze procesorul să oprească execuția programului principal, să efectueze operațiuni legate de evenimentul care a provocat întreruperea, iar apoi să revină la execuția programului principal. .

Fiecare microprocesor are cel puțin o intrare de cerere de întrerupere INT (din cuvântul Întrerupere).

Să luăm în considerare un exemplu de interacțiune a procesorului unui computer personal cu o tastatură (Figura 4).

Tastatură — un dispozitiv pentru introducerea de informații simbolice și comenzi de control. Pentru a conecta tastatura, computerul are un port special pentru tastatură (cip).

Figura 4 — Funcționarea CPU cu tastatura

Algoritmul de lucru:

1) Când o tastă este apăsată, controlerul tastaturii generează un cod numeric. Acest semnal ajunge la cipul portului tastaturii.

2) Portul tastaturii trimite un semnal de întrerupere CPU. Fiecare dispozitiv extern are propriul său număr de întrerupere prin care procesorul îl recunoaște.

3) După ce primește o întrerupere de la tastatură, procesorul întrerupe execuția programului (de exemplu, editorul Microsoft Office Word) și încarcă programul pentru procesarea codurilor de la tastatură din memorie. Un astfel de program se numește driver.

4) Acest program direcționează procesorul către portul tastaturii și codul numeric este încărcat în registrul procesorului.

5) Codul digital este stocat în memorie și procesorul continuă să efectueze o altă sarcină.

Datorită vitezei mari de operare, procesorul execută un număr mare de procese simultan.