Все це зобов'язує електрика знати хоча б основи роботи мікропроцесорної техніки.
Мікропроцесорні системи призначені для автоматизації обробки інформації і управління різними процесами.
Поняття «Мікропроцесорна система» дуже широко і об'єднує такі поняття як «Електронно-обчислювальна машина (ЕОМ)», «керуюча ЕОМ», «Комп'ютер» і т.п.
Мікропроцесорна система включає в себе апаратне забезпечення або по-англійськи - hardware і програмне забезпечення (ПО) - software.
Мікропроцесорна система працює з цифровою інформацією. яка представляє собою послідовність цифрових кодів.
В основі будь-якої мікропроцесорної системи лежить мікропроцесор. який здатний сприймати тільки двійкові числа (складені з 0 і 1). Двійкові числа записуються за допомогою двійкової системи числення. Наприклад, в повсякденному житті ми користуємося десятковою системою числення, в якій для запису чисел використовуються десять символів або цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Відповідно в двійковій системі таких символів (або цифр) всього два - 0 і 1.
Необхідно розуміти, що система числення - це всього лише правила запису чисел, і вибір типу системи визначаться зручністю застосування. Вибір двійкової системи обумовлений її простотою, а значить надійністю роботи цифрових пристроїв і легкістю їх технічної реалізації.
Розглянемо одиниці виміру цифрової інформації:
Біт (від англійського "BInary digiT" - двійкова цифра) приймає тільки два значення: 0 або 1. Можна закодувати логічне значення «так» »чи« ні », стан« включено »або« вимкнено », стан« відкрито »або« закрито " і т.п.
Група з восьми біт називається байтом, наприклад 10010111. Один байт дозволяє кодувати 256 значень: 00000000 - 0, 11111111 - 255.
Біт - найменша одиниця подання інформації.
Байт - найменша одиниця обробки інформації. Байт - частина машинного слова, що складається зазвичай з 8 біт і використовується як одиниця кількості інформації при її зберіганні, передачі і обробці на ЕОМ. Байт служить для представлення букв, складів і спеціальних символів (що займають зазвичай все 8 біт) або десяткових цифр (по 2 цифри в 1 байт).
Два взаємопов'язаних байта називається словом, 4 байта - подвійне слово, 8 байт - учетверённое слово.
Наприклад, для кодування текстової інформації використовується таблиця кодів ASCII (від англ. American Standard Code for Information Interchange - Американський стандартний код для обміну інформацією). Запис одного символу здійснюється одним байтом, який може приймати 256 значень. Графічна інформація розбивається на точки (пікселі) і проводиться кодування кольору і положення кожної точки по горизонталі і вертикалі.
Крім двійковій і десяткової системи в МС використовують шістнадцяткову систему, в якій для запису чисел використовуються символи 0. 9 і AF Її застосування обумовлюється тим, що один байт описується двухразрядного шістнадцятковим числом, що значно скорочує запис цифрового коду та робить його більш читабельним (11111111 - FF).
Таблиця 1 - Запис чисел в різних системах числення
Для визначення значення числа (наприклад, значення числа 100 для різних систем числення може становити 42, 10010, 25616), в кінці числа додають латинську букву, що позначає систему числення: для двійкових чисел букву b, для шістнадцятирічних - h, для десяткових - d. Число без додаткового позначення вважається десятковим.
Переклад чисел з однієї системи в іншу і основні арифметичні і логічні операції над числами дозволяє виробляти інженерний калькулятор (стандартний додаток операційної системи Windows).
Структура мікропроцесорної системи
Основу мікропроцесорної системи становить мікропроцесор (процесор), який виконує функції обробки інформації та управління. Решта пристрої, що входять до складу мікропроцесорної системи, обслуговують процесор, допомагаючи йому в роботі.
Обов'язковими пристроями для створення мікропроцесорної системи є порти введення / виводу і частково пам'ять. Порти введення / виводу пов'язують процесор з зовнішнім світом, забезпечуючи введення інформації для обробки і виведення результатів обробки, або дій, що управляють. До портів введення підключають кнопки (клавіатуру), різні датчики; до портів виведення - пристрої, які допускають електричне управління: індикатори, дисплеї, контактори, електроклапани, електродвигуни і т.д.
Пам'ять потрібна в першу чергу для зберігання програми (або набору програм), необхідної для роботи процесора. Програма - це послідовність команд, зрозумілих процесору, написана людиною (частіше програмістом).
Структура мікропроцесорної системи представлена на малюнку 1. У спрощеному вигляді процесор складається з арифметично-логічного пристрою (АЛП), що здійснює обробку цифрової інформації і пристрої управління (УУ).
Пам'ять зазвичай включає постійно-запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ), що є незалежним і призначене для довгострокового зберігання інформації (наприклад, програм), і оперативно-запам'ятовуючий пристрій (ОЗУ), призначене для тимчасового зберігання даних.
Малюнок 1 - Структура мікропроцесорної системи
Процесор, порти і пам'ять взаємодіють між собою за допомогою шин. Шина - це набір провідників, об'єднаних за функціональною ознакою. Єдиний набір системних шин називають внутрісистемна магістраль. в якій виділяють:
шину даних DB (Data Bus), по якій проводиться обмін даними між ЦП, пам'яттю і портами;
шину управління CB (Control Bus), набір ліній, що передають різні керуючі сигнали від процесора на зовнішні пристрої і назад.
Мікропроцесор - програмно-керований пристрій, призначений для обробки цифрової інформації і керування процесом цієї обробки, виконане у вигляді однієї (або декількох) інтегральної схеми з високим ступенем інтеграції електронних елементів.
Мікропроцесор характеризується великим числом параметрів, оскільки він одночасно є складним програмно-керованим пристроєм і електронним приладом (мікросхемою). Тому для мікропроцесора важливі, як тип корпусу, так і система команд процесора. Можливості мікропроцесора визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.
Приставка «мікро» в назві процесора означає, що виконується він по мікронною технології.
Малюнок 2 - Зовнішній вигляд мікропроцесора Intel Pentium 4
В ході роботи мікропроцесор зчитує команди програми з пам'яті або порту вводу і виконує їх. Що означає кожна команда, визначається системою команд процесора. Система команд закладена в архітектурі мікропроцесора і виконання коду команди виражається в проведенні внутрішніми елементами процесора певних мікрооперацій.
Архітектура мікропроцесора - це його логічна організація; вона визначає можливості мікропроцесора по апаратної і програмної реалізації функцій, необхідних для побудови мікропроцесорної системи.
Основні характеристики мікропроцесорів:
1) Тактова частота (одиниця виміру МГц або ГГц) - кількість тактових імпульсів за 1 секунду. Тактові імпульси виробляє тактовий генератор, який найчастіше знаходиться всередині процесора. Оскільки всі операції (інструкції) виконуються по тактам, то від значення тактової частоти залежить продуктивність роботи (кількість виконуваних операцій в одиницю часу). Частотою процесора можна варіювати в певних межах.
2) Розрядність процесора (8, 16, 32, 64 біт і т.д.) - визначає число байтів даних, які обробляються за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю його внутрішніх регістрів. Процесор може бути 8-розрядним, 16-розрядним, 32-розрядним, 64-розрядним і т.д. тобто дані обробляються порціями по 1, 2, 4, 8 байт. Зрозуміло, що чим більше розрядність, тим вища продуктивність роботи.
Внутрішня архітектура мікропроцесора
Спрощена внутрішня архітектура типового 8-розрядного мікропроцесора показана на малюнку 3. У структурі мікропроцесора можна виділити три основні частини:
2) Арифметико-логічний пристрій (АЛП). яке реалізує арифметичні і ло-ня операції;
3) Схема управління і синхронізації - забезпечує вибірку команд, організовує функціонування АЛУ, забезпечує доступ до всіх регістрах мікропроцесора, сприймає і генерує зовнішні керуючі сигнали.
Малюнок 3 - Спрощена внутрішня архітектура 8-розрядного мікропроцесора
Як видно зі схеми, основу процесора складають регістри, які діляться на спеціальні (які мають певне призначення) і регістри загального призначення.
Акумулятор - регістр, який використовується в переважній більшості команд логічної і арифметичної відпрацювання; він одночасно є і джерелом одного з байт даних, які потрібні для операції АЛУ, і місцем, куди поміщається результат операції АЛУ.
Регістр ознак (або регістр прапорів) містить інформацію про внутрішній стан мікропроцесора, зокрема про результат останньої операції АЛУ. Регістр прапорів не є регістром в звичайному сенсі, а являє собою просто набір тригер-засувок (прапор піднятий або опущений. Звичайно є флаж¬кі нуля, переповнення, негативного результату і перенесення.
Регістр команди містить поточний байт команди знайдено, який декодується дешифратором команди.
Лінії зовнішніх шин ізольовані від ліній внутрішньої шини за допомогою буферів, а основні внутрішні елементи пов'язані швидкодіючої внутрішньої шиною даних.
Для підвищення продуктивності багатопроцесорноїсистеми функції центрального процесора можуть розподілятися між декількома процесорами. На допомогу центрального процесора в комп'ютер часто вводять співпроцесори. орієнтовані на ефективне виконання будь-яких специфічних функцій. Широко поширені математичні та графічні. співпроцесори введення-виведення. розвантажують центральний процесор від нескладних, але численних операцій взаємодії з зовнішніми пристроями.
На сучасному етапі основним напрямком підвищення продуктивності є розробка багатоядерних процесорів. тобто об'єднання в одному корпусі двох і більше процесорів, з метою виконання декількох операцій паралельно (одночасно).
Лідируючими компаніями з розробки та виготовлення процесорів є Intel і AMD.
Алгоритм роботи мікропроцесорної системи
Алгоритм - точне розпорядження, однозначно задає процес перетворення вихідної інформації в послідовність операцій, що дозволяють вирішувати сукупність завдань певного класу і отримувати шуканий результат.
Головним керуючим елементом всієї мікропроцесорної системи є процесор. Саме він, за винятком кількох особливих випадків, управляє всіма іншими пристроями. Решта ж пристрою, такі, як ОЗУ, ПЗУ і порти введення / виводу є веденими.
Розглянемо послідовність дій мікропроцесор під час виконання команд програми:
3) Дешифратор команд декодує (розшифровує) код команди.
4) Відповідно до отриманої від дешифратора інформацією пристрій управління виробляє впорядковану в часі послідовність мікрооперацій, що реалізують приписи команди, в тому числі:
- витягує операнди з регістрів і пам'яті;
- виконує над ними запропоновані кодом команди арифметичні, логічні або інші операції;
- в залежності від довжини команди модифікує вміст РС;
Сукупність команд мікропроцесора можна розділити на три групи:
1) Команди переміщення даних
2) Команди перетворення даних
3) Команда передачі управління
Дуже рідко програма складається з однієї послідовної команд. Переважна кількість алгоритмів вимагають розгалуження програми. Для того, щоб програма мала можливість змінювати алгоритм своєї роботи в залежності від будь-якої умови, і служать команди передачі управління. Дані команди забезпечують протікання виконання програми за різними шляхами і організують цикли.
До зовнішніх, відносяться всі пристрої, що знаходяться поза процесора (крім оперативної пам'яті) і підключаються через порти введення / виводу. Зовнішні пристрої можна поділити на три групи:
1) пристрої для зв'язку людина-ЕОМ (клавіатура, монітор, принтер і т.д.);
2) пристрою для зв'язку з об'єктами управління (датчики, виконавчі механізми, АЦП і ЦАП);
3) зовнішні запам'ятовуючі устройтсва великої місткості (жорсткий диск, дисководи).
Зовнішні пристрої підключаються до мікропроцесорної системі фізично - за допомогою роз'ємів, і логічно - за допомогою портів (контролерів).
Для взаємодії процесора та зовнішніх пристроїв застосовується система (механізм) переривань.
Це спеціальний механізм, який дозволяє в будь-який момент, по зовнішньому сигналу змусити процесор призупинити виконання основної програми, виконати операції, пов'язані із зухвалим переривання подією, а потім повернутися до виконання основної програми.
У будь-якого мікропроцесора є хоча б один вхід запиту на переривання INT (від слова Interrupt - переривання).
Розглянемо приклад взаємодії процесора персонального комп'ютера з клавіатурою (рисунок 4).
Клавіатура - пристрій для введення символьної інформації і команд управління. Для підключення клавіатури в комп'ютері є спеціальний порт клавіатури (мікросхема).
Малюнок 4 - Робота процесора з клавіатурою
1) При натисканні клавіші контролер клавіатури формує цифровий код. Цей сигнал надходить в мікросхему порту клавіатури.
2) Порт клавіатури посилає процесору сигнал переривання. Кожне зовнішнє пристрій має свій номер переривання, по якому процесор його і розпізнає.
4) Ця програма направляє процесор до порту клавіатури, і цифровий код завантажується в регістр процесора.
5) Цифровий код зберігається в пам'яті, і процесор переходить до виконання іншої задачі.
Завдяки високій швидкості роботи, процесор виконує одночасно велику кількість процесів.