Sistem mikropemproses

Penggunaan sistem mikropemproses dalam hampir semua peranti elektrik adalah ciri terpenting dalam infrastruktur teknikal masyarakat moden. Elektrik, industri, pengangkutan, sistem komunikasi sangat bergantung kepada sistem kawalan komputer. Sistem mikropemproses dibenamkan dalam alat pengukur, peranti elektrik, pemasangan lampu, dsb.

Semua ini mewajibkan jurutera elektrik untuk mengetahui sekurang-kurangnya asas teknologi mikropemproses.

Sistem mikropemproses direka untuk mengautomasikan pemprosesan maklumat dan mengawal pelbagai proses.

Istilah "sistem mikropemproses" sangat luas dan merangkumi konsep seperti "mesin pengkomputeran elektronik (ECM)", "komputer kawalan", "komputer" dan lain-lain.

Sistem mikropemproses termasuk Perkakasan atau dalam bahasa Inggeris — perkakasan dan perisian (Perisian) — perisian.

Maklumat digital

Sistem mikropemproses berfungsi dengan maklumat digital, iaitu satu siri kod berangka.

Pada teras mana-mana sistem mikropemproses ialah mikropemproses yang hanya boleh menerima nombor binari (terdiri daripada 0s dan 1s).Nombor binari ditulis menggunakan sistem nombor binari. Sebagai contoh, dalam kehidupan seharian kita menggunakan sistem nombor perpuluhan yang menggunakan sepuluh aksara atau digit untuk menulis nombor, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Oleh itu, dalam sistem binari hanya terdapat dua simbol (atau digit) - 0 dan 1.

Adalah perlu untuk memahami bahawa sistem nombor hanyalah peraturan untuk menulis nombor, dan pilihan jenis sistem akan ditentukan oleh kemudahan penggunaan. Pilihan sistem binari adalah kerana kesederhanaannya, yang bermaksud kebolehpercayaan peranti digital dan kemudahan pelaksanaan teknikalnya.

Pertimbangkan unit pengukuran maklumat digital:

Sedikit (dari bahasa Inggeris «BInary digiT» — digit binari) hanya mengambil dua nilai: 0 atau 1. Anda boleh mengekod nilai logik «ya» atau «tidak», keadaan «hidup» atau «mati», keadaan « buka» «atau» tertutup «dll.

Sekumpulan lapan bit dipanggil bait, contohnya 10010111. Satu bait membolehkan anda mengekod 256 nilai: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

A bit ialah unit maklumat terkecil.

Byte — unit terkecil pemprosesan maklumat. Byte - sebahagian daripada perkataan mesin, biasanya terdiri daripada 8 bit dan digunakan sebagai unit untuk jumlah maklumat semasa penyimpanan, penghantaran dan pemprosesannya pada komputer. Bait berfungsi untuk mewakili huruf, suku kata dan aksara khas (biasanya menduduki kesemua 8 bit) atau digit perpuluhan (setiap 2 digit dalam 1 bait).

Dua bait bersebelahan dipanggil perkataan, 4 bait kata ganda, 8 bait perkataan empat.

Hampir semua maklumat yang mengelilingi kita adalah analog. Oleh itu, sebelum maklumat memasuki pemproses untuk diproses, ia ditukar menggunakan ADC (penukar analog-ke-digital).Di samping itu, maklumat dikodkan dalam format tertentu dan boleh menjadi digital, logik, tekstual (simbolik), grafik, video, dll.

Contohnya, jadual kod ASCII (daripada English American Standard Code for Information Interchange) digunakan untuk mengekod maklumat teks. Satu aksara ditulis dalam satu bait, yang boleh mengambil 256 nilai. Maklumat grafik dibahagikan kepada titik (piksel), dan warna serta kedudukan setiap titik dikodkan secara mendatar dan menegak.

Sebagai tambahan kepada sistem perduaan dan perpuluhan, MS menggunakan sistem perenambelasan di mana simbol 0 ... 9 dan A ... F digunakan untuk menulis nombor. Penggunaannya disebabkan fakta bahawa satu bait diterangkan oleh dua -digit nombor perenambelasan, yang mengurangkan rekod kod angka dan menjadikannya lebih mudah dibaca (11111111 — FF).

Jadual 1 — Menulis nombor dalam sistem nombor yang berbeza

Untuk menentukan nilai nombor (contohnya, nilai nombor 100 untuk sistem nombor yang berbeza boleh menjadi 42, 10010, 25616), pada akhir nombor tambahkan huruf Latin yang menunjukkan sistem nombor: untuk nombor binari huruf b, untuk nombor perenambelasan — h , untuk nombor perpuluhan — d. Nombor tanpa sebutan tambahan dianggap sebagai perpuluhan.

Menukar nombor dari satu sistem ke sistem yang lain dan operasi aritmetik dan logik asas dengan nombor membolehkan anda membuat kalkulator kejuruteraan (aplikasi standard sistem pengendalian Windows).

Struktur sistem mikropemproses

Sistem mikropemproses adalah berdasarkan mikropemproses (pemproses) yang menjalankan fungsi pemprosesan dan kawalan maklumat. Selebihnya peranti yang membentuk sistem mikropemproses berfungsi kepada pemproses dengan membantunya berfungsi.

Peranti wajib untuk mencipta sistem mikropemproses ialah port input / output dan sebahagiannya memori... Input - port output menghubungkan pemproses ke dunia luar dengan menyediakan maklumat untuk memproses dan mengeluarkan hasil pemprosesan atau tindakan kawalan. Butang (papan kekunci), pelbagai sensor disambungkan ke port input; ke port output — peranti yang membenarkan kawalan elektrik: penunjuk, paparan, penyentuh, injap solenoid, motor elektrik, dsb.

Memori diperlukan terutamanya untuk menyimpan program (atau set program) yang diperlukan untuk pemproses beroperasi. Program ialah urutan perintah yang difahami oleh pemproses, yang ditulis oleh manusia (biasanya pengaturcara).

Struktur sistem mikropemproses ditunjukkan dalam Rajah 1. Dalam bentuk ringkas, pemproses terdiri daripada unit logik aritmetik (ALU) yang memproses maklumat digital, dan unit kawalan (CU).

Memori biasanya termasuk ingatan baca sahaja (ROM), yang tidak meruap dan bertujuan untuk penyimpanan maklumat jangka panjang (cth, atur cara), dan memori akses rawak (RAM), bertujuan untuk penyimpanan data sementara.

Rajah 1 — Struktur sistem mikropemproses

Pemproses, port dan memori berkomunikasi antara satu sama lain melalui bas. Bas ialah satu set wayar yang berfungsi bersatu. Satu set bas sistem dipanggil bas intrasistem, di mana terdapat:

• Bas data DB (Data Bus), di mana data ditukar antara pemproses, memori dan port;

• bas alamat AB (Bas Alamat), digunakan untuk menangani sel memori dan port pemproses;

• bas kawalan CB (Control Bus), satu set talian yang menghantar pelbagai isyarat kawalan daripada pemproses ke peranti luaran dan sebaliknya.

Mikropemproses

Mikropemproses — peranti dikawal perisian yang direka untuk memproses maklumat digital dan mengawal proses pemprosesan ini, dibuat dalam bentuk satu (atau beberapa) litar bersepadu dengan tahap penyepaduan unsur elektronik yang tinggi.

Mikropemproses dicirikan oleh sejumlah besar parameter, kerana ia adalah peranti dikawal perisian yang kompleks dan peranti elektronik (litar mikro). Oleh itu, untuk mikropemproses, kedua-dua jenis kes dan set arahan untuk pemproses… Keupayaan mikropemproses ditakrifkan oleh konsep seni bina mikropemproses.

Awalan «mikro» dalam nama pemproses bermakna ia dilaksanakan menggunakan teknologi mikron.

Rajah 2 — Pandangan luaran mikropemproses Intel Pentium 4

Semasa operasi, mikropemproses membaca arahan program daripada memori atau port input dan melaksanakannya. Maksud setiap arahan ditentukan oleh set arahan pemproses. Set arahan dibina ke dalam seni bina mikropemproses, dan pelaksanaan kod arahan dinyatakan dalam pelaksanaan operasi mikro tertentu oleh elemen dalaman pemproses.

Seni bina mikropemproses — ini adalah organisasi logiknya; ia mentakrifkan keupayaan mikropemproses dari segi pelaksanaan perkakasan dan perisian bagi fungsi yang diperlukan untuk membina sistem mikropemproses.

Ciri-ciri utama mikropemproses:

1) Kekerapan jam (unit ukuran MHz atau GHz) — bilangan denyutan jam dalam 1 saat.Denyutan jam dijana oleh penjana jam, yang biasanya terletak di dalam pemproses. Oleh kerana semua operasi (arahan) dilakukan dalam kitaran jam, maka prestasi kerja (bilangan operasi yang dilakukan setiap unit masa) bergantung pada kekerapan jam. Kekerapan pemproses mungkin berbeza dalam had tertentu.

2) Pemproses bit (8, 16, 32, 64 bit, dsb.) — menentukan bilangan bait data yang diproses dalam satu kitaran jam. Lebar bit pemproses ditentukan oleh lebar bit daftar dalamannya. Pemproses boleh menjadi 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit, dsb. iaitu. data diproses dalam ketulan 1, 2, 4, 8 bait. Adalah jelas bahawa semakin besar kedalaman bit, semakin tinggi produktiviti kerja.

Seni bina dalaman mikropemproses

Seni bina dalaman yang dipermudahkan bagi mikropemproses 8-bit biasa ditunjukkan dalam Rajah 3. Struktur mikropemproses boleh dibahagikan kepada tiga bahagian utama:

1) Mendaftar untuk penyimpanan sementara arahan, data dan alamat;

2) Unit logik aritmetik (ALU) yang menjalankan operasi aritmetik dan logik;

3) Litar kawalan dan pemasaan — menyediakan pemilihan arahan, mengatur operasi ALU, menyediakan akses kepada semua daftar mikropemproses, melihat dan menjana isyarat kawalan luaran.

Rajah 3 — Seni bina dalaman ringkas bagi mikropemproses 8-bit

Seperti yang anda lihat dari rajah, pemproses adalah berdasarkan daftar, yang dibahagikan kepada daftar khas (dengan tujuan khusus) dan tujuan umum.

Pembilang program (komputer) — daftar yang mengandungi alamat bait arahan seterusnya. Pemproses perlu mengetahui arahan yang akan dilaksanakan seterusnya.

Bateri — daftar yang digunakan dalam kebanyakan arahan untuk pemprosesan logik dan aritmetik; ia adalah kedua-dua sumber salah satu bait data yang diperlukan untuk operasi ALU dan tempat di mana keputusan operasi ALU diletakkan.

Daftar fungsi (atau daftar bendera) mengandungi maklumat tentang keadaan dalaman mikropemproses, khususnya hasil operasi ALU terakhir. Daftar bendera bukanlah daftar dalam erti kata biasa, tetapi hanya satu set selipar (benderakan ke atas atau ke bawah. Biasanya terdapat bendera sifar, limpahan, negatif dan pembawa).

Penunjuk Tindanan (SP) — menjejaki kedudukan tindanan, iaitu, ia mengandungi alamat sel terakhir yang digunakan. Stack — satu cara mengatur storan data.

Daftar perintah mengandungi bait arahan semasa yang dinyahkod oleh penyahkod arahan.

Laluan bas luaran diasingkan daripada laluan bas dalaman oleh penimbal, dan elemen dalaman utama disambungkan oleh bas data dalaman berkelajuan tinggi.

Untuk meningkatkan prestasi sistem berbilang pemproses, fungsi pemproses pusat boleh diagihkan di antara beberapa pemproses. Untuk membantu pemproses pusat, komputer sering memperkenalkan pemproses bersama, memfokuskan pada pelaksanaan yang cekap bagi mana-mana fungsi tertentu. Pemproses bersama matematik dan grafik yang meluas, input dan output memunggah pemproses pusat daripada operasi interaksi yang mudah tetapi banyak dengan peranti luaran.

Pada peringkat semasa, hala tuju utama peningkatan produktiviti ialah pembangunan pemproses berbilang teras, i.e. menggabungkan dua atau lebih pemproses dalam satu kes untuk melaksanakan beberapa operasi secara selari (serentak).

Intel dan AMD ialah syarikat terkemuka untuk mereka bentuk dan mengeluarkan pemproses.

Algoritma sistem mikropemproses

Algoritma — preskripsi tepat yang secara unik menetapkan proses mengubah maklumat awal kepada urutan operasi yang membolehkan menyelesaikan satu set tugas kelas tertentu dan mendapatkan hasil yang diingini.

Elemen kawalan utama keseluruhan sistem mikropemproses ialah pemproses... Ia, dengan pengecualian beberapa kes khas, mengawal semua peranti lain. Peranti yang selebihnya, seperti port RAM, ROM dan I / O, adalah bawahan.

Sebaik sahaja ia dihidupkan, pemproses mula membaca kod digital dari kawasan memori yang dikhaskan untuk menyimpan program. Pembacaan dilakukan secara berurutan sel demi sel, bermula dari yang pertama. Sel mengandungi data, alamat dan arahan. Arahan ialah salah satu tindakan asas yang boleh dilakukan oleh mikropemproses. Semua kerja mikropemproses dikurangkan kepada pembacaan berurutan dan pelaksanaan arahan.

Pertimbangkan urutan tindakan mikropemproses semasa melaksanakan arahan program:

1) Sebelum arahan seterusnya dilaksanakan, mikropemproses menyimpan alamatnya dalam kaunter program komputer.

2) MP mengakses memori pada alamat yang terkandung dalam komputer dan membaca dari memori bait pertama arahan seterusnya dalam daftar arahan.

3) Penyahkod arahan menyahkod (mentafsir) kod arahan.

4) Selaras dengan maklumat yang diterima daripada penyahkod, unit kawalan menjana urutan operasi mikro tertib masa yang melaksanakan arahan arahan, termasuk:

— mendapatkan semula operan daripada daftar dan ingatan;

— melakukan operasi aritmetik, logik atau operasi lain padanya seperti yang ditetapkan oleh kod arahan;

— bergantung pada panjang arahan, menukar kandungan komputer;

— memindahkan kawalan ke arahan seterusnya yang alamatnya sekali lagi dalam kaunter program komputer.

Set arahan untuk mikropemproses boleh dibahagikan kepada tiga kumpulan:

1) Perintah untuk memindahkan data

Pemindahan berlaku antara memori, pemproses, port I / O (setiap port mempunyai alamatnya sendiri), antara daftar pemproses.

2) Arahan transformasi data

Semua data (teks, gambar, video, dll.) ialah nombor, dan hanya operasi aritmetik dan logik boleh dilakukan dengan nombor. Oleh itu, arahan kumpulan ini termasuk penambahan, penolakan, perbandingan, operasi logik, dll.

3) Pemindahan arahan kawalan

Jarang sekali program terdiri daripada satu arahan berurutan. Kebanyakan algoritma memerlukan percabangan program. Agar program mengubah algoritma kerjanya, bergantung pada sebarang keadaan, arahan pemindahan kawalan digunakan. Arahan ini memastikan aliran pelaksanaan program di sepanjang laluan yang berbeza dan mengatur gelung.

Peranti luaran

Peranti luaran termasuk semua peranti yang berada di luar pemproses (kecuali RAM) dan disambungkan melalui port I / O. Peranti luaran boleh dikelaskan kepada tiga kumpulan:

1) peranti komunikasi manusia-komputer (papan kekunci, monitor, pencetak, dll.);

2) peranti untuk komunikasi dengan objek kawalan (sensor, penggerak, ADC dan DAC);

3) peranti storan luaran dengan kapasiti besar (cakera keras, cakera liut).

Peranti luaran disambungkan ke sistem mikropemproses secara fizikal — melalui penyambung dan secara logik — melalui port (pengawal).

Sistem gangguan (mekanisme) digunakan untuk antara muka antara pemproses dan peranti luaran.

Sistem gangguan

Ini adalah mekanisme khas yang membolehkan pada bila-bila masa, melalui isyarat luaran, memaksa pemproses menghentikan pelaksanaan program utama, melaksanakan operasi yang berkaitan dengan peristiwa yang menyebabkan gangguan, dan kemudian kembali ke pelaksanaan program utama. .

Setiap mikropemproses mempunyai sekurang-kurangnya satu input permintaan gangguan INT (daripada perkataan Interrupt).

Mari kita pertimbangkan contoh interaksi pemproses komputer peribadi dengan papan kekunci (Rajah 4).

Papan kekunci — peranti untuk memasukkan maklumat simbolik dan arahan kawalan. Untuk menyambungkan papan kekunci, komputer mempunyai port papan kekunci khas (cip).

Rajah 4 — Operasi CPU dengan papan kekunci

Algoritma kerja:

1) Apabila kekunci ditekan, pengawal papan kekunci menjana kod berangka. Isyarat ini pergi ke cip port papan kekunci.

2) Port papan kekunci menghantar isyarat gangguan kepada CPU. Setiap peranti luaran mempunyai nombor sampukan sendiri yang membolehkan pemproses mengenalinya.

3) Selepas menerima gangguan daripada papan kekunci, pemproses mengganggu pelaksanaan program (contohnya, editor Microsoft Office Word) dan memuatkan program untuk memproses kod papan kekunci daripada memori. Program sedemikian dipanggil pemandu.

4) Program ini mengarahkan pemproses ke port papan kekunci dan kod berangka dimuatkan ke dalam daftar pemproses.

5) Kod digital disimpan dalam ingatan dan pemproses terus melakukan tugas lain.

Oleh kerana kelajuan operasi yang tinggi, pemproses melaksanakan sejumlah besar proses secara serentak.