Czym są mikroprocesory? Urządzenie, termin, główne cechy

Czym jest mikroprocesor, dziś każdy wie. Jest to jedna z najciekawszych innowacji technologicznych w elektronice od pojawienia się tranzystora w 1948 roku. Urządzenia Wonder nie tylko rozpoczęły rewolucję w elektronice cyfrowej, ale również przeniknęły prawie we wszystkie sfery ludzkiego życia. Są używane w złożonych kontrolerach, urządzeniach kontrolnych dyspozytora, prostych automatach do gier, a nawet zabawkach.

Czym są mikroprocesory?

Komputer, który jest duży i niezbyt funkcjonalny (w uproszczonej formie) może być przedstawiony w postaci schematu blokowego składającego się z trzech głównych części:

• Jednostka centralna (CPU), która wykonuje niezbędne operacje logiczne i arytmetyczne z wykorzystaniem rejestrów (pamięć mikroprocesora) i kontroluje synchronizację i ogólną pracę całego systemu.
• Urządzenia wejścia / wyjścia, które służą do przesyłania danych do procesora (takie jak przełączniki, przetworniki analogowo-cyfrowe, czytniki kart pamięci, klawiatury, dyski twarde itp.) I wyświetlają wyniki obliczeń (diody LED, wyświetlacze, cyfrowe analogowe konwertery, drukarki, plotery, linie komunikacyjne itp.). Podsystem I / O umożliwia komputerowi komunikację ze światem zewnętrznym. Takie urządzenia nazywane są również urządzeniami peryferyjnymi.
• Pamięć, w której przechowywane są polecenia (program) i dane. Zwykle składa się z pamięci RAM (pamięć o dostępie swobodnym) i pamięci ROM (tylko do odczytu).

Mikroprocesor jest zintegrowanym obwodem zaprojektowanym do pracy jako mikrokomputerowy procesor.

Zasada działania

Celem mikroprocesora jest odczytanie każdego polecenia z pamięci, odkodowanie i wykonanie. Procesor przetwarza dane zgodnie z instrukcjami programu w postaci operacji logicznych i arytmetycznych. Informacje są pobierane z pamięci lub pochodzą z pamięci urządzenia wejściowe a wynik przetwarzania jest przechowywany w pamięci lub dostarczany do odpowiedniego urządzenia wyjściowego, jak wskazano w instrukcjach. Właśnie takie są mikroprocesory. Aby wykonać wszystkie te funkcje, mają różne bloki funkcjonalne. Ta wewnętrzna lub organizacyjna struktura CPU, która określa jego pracę, nazywana jest jej architekturą.

Typowy schemat urządzenia mikroprocesorowego przedstawiono na poniższym zdjęciu.

Opony

Mikrokomputer działa z kodem binarnym. Informacje binarne są reprezentowane przez cyfry binarne zwane bitami. Grupa bitów tworzy słowo maszynowe (ich liczba zależy od konkretnej implementacji). Typowe rozmiary słów to 4, 8, 12, 16, 32 i 64 bity. Bajt i półbajt reprezentują odpowiednio zestaw 8 i 4 bity.

Opony łączą różne jednostki urządzenia i pozwalają im wymieniać słowa maszynowe. Są one wykonane w postaci oddzielnego przewodu dla każdego bitu, co pozwala na wymianę wszystkich bitów słowa maszynowego w tym samym czasie. Przetwarzanie informacji w CPU również występuje równolegle. Zatem szyny mogą być traktowane jako linie danych. Ich szerokość zależy od liczby ich linii sygnałowych. Na magistrali adresowej CPU przesyła adres urządzenia I / O lub lokalizacji pamięci, do której chce uzyskać dostęp. Ten adres jest akceptowany przez wszystkie urządzenia podłączone do procesora. Ale odpowiada tylko ten, do którego skierowana jest prośba. Magistrala danych służy do wysyłania i odbierania informacji z urządzeń wejścia-wyjścia i pamięci, w tym poleceń. Oczywiście jest dwukierunkowy, a adres - jednokierunkowy. Szyna sterująca służy do przesyłania i odbierania sygnałów sterujących między mikroprocesorem a różnymi elementami systemu.

Jednostka arytmetyczno-logiczna i rejestry wewnętrzne

Jest to kombinacyjna sieć, która wykonuje operacje logiczne i arytmetyczne na danych.

Mikroprocesor zwykle zawiera wiele rejestrów. Służą do tymczasowego przechowywania poleceń, danych i adresów podczas wykonywania programu. Na przykład mikroprocesor Intel 8085 ma 8-bitowy akumulator (Acc), 6 8-bitowych rejestrów ogólnego przeznaczenia (B, C, D, E, H i L), 8-bitowy rejestr poleceń (IR), który przechowuje następny plik wykonywalny instrukcja, 16-bitowy licznik programu z adresem następnego polecenia do wybrania z pamięci w podczerwieni, 16-bitowy wskaźnik stosu, rejestr flag, który sygnalizuje określone warunki występujące podczas wykonywania operacji logicznych i arytmetycznych, oraz kilka innych specjalnych rejestrów dla procesów wewnętrznych i do której programista nie jest.

Dekoder jednostka sterująca i pamięć

Odszyfrowuje każde polecenie i steruje blokami zewnętrznymi i wewnętrznymi, zapewniając prawidłowe działanie logiczne systemu.

Aby przechowywać instrukcje, dane i wyniki obliczeń, wymagane są półprzewodnikowe urządzenia pamięci. Program jest zapisywany w pamięci podłączonej do mikroprocesora za pośrednictwem magistrali adresowej oraz magistrali danych i sterowania (jak urządzenia wejścia / wyjścia).

Interfejs

Jeśli jedno lub więcej urządzeń wejścia / wyjścia musi być podłączonych do procesora, wówczas potrzebny jest odpowiedni interfejs. Wykonuje następujące 4 funkcje:

• wymagane buforowanie w celu zapewnienia zgodności mikroprocesora i urządzeń peryferyjnych;
• dekodowanie adresu w celu wybrania jednego z kilku urządzeń podłączonych do systemu I / O;
• polecenia dekodowania wymagane do wykonywania funkcji innych niż transmisja danych;
• synchronizacja i zarządzanie wszystkimi powyższymi funkcjami.

Transfer informacji

Wymiana danych między urządzeniem peryferyjnym a mikrokomputerem odnosi się do transferu programu lub do bezpośredniego dostępu do pamięci.

W pierwszym przypadku załadowany program żąda systemu I / O transfer danych mikroprocesor lub z niego. Z reguły informacja wchodzi do baterii, chociaż mogą być w nią również zaangażowane inne wewnętrzne rejestry. Transfer programu jest zwykle używany przy wysyłaniu niewielkiej ilości danych do względnie powolnego urządzenia wejścia / wyjścia, na przykład mnożnika peryferyjnego, urządzenia peryferyjnego ALU itp. W takich przypadkach przesyłanie zwykle odbywa się słowo po słowie.

Bezpośredni dostęp do pamięci lub przechwytywanie pętli jest kontrolowane urządzenie peryferyjne. W takim przypadku system I / O gwałtownie opóźnia działanie mikroprocesora do momentu zakończenia przesyłania. Ponieważ proces jest sterowany sprzętowo, interfejs jest bardziej skomplikowany niż wymagany do przesyłania danych programowych. Używane, gdy trzeba wysłać duży blok informacji, na przykład z pamięci zewnętrznej, takiej jak dyskietki i czytnik kart szybkiego dostępu.

Urządzenia interfejsowe

Dostępny jest szeroki sprzęt do tworzenia interfejsów użytkownika. Obejmuje on multipleksery i demultipleksery, sterowniki linii i odbiorniki, bufory, stabilne i monostabilne multiwibratory, spusty trigger, obwody bramki, rejestry przesuwne, itp. Istnieją również bardziej złożone programowalne interfejsy, których funkcje mogą być zmieniane przez polecenie mikroprocesora. Te interfejsy mogą mieć charakter ogólny lub specjalny.

Języki programowania

Ponieważ komputer może przechowywać i przetwarzać informacje w formie binarnej, polecenia do przesłania do urządzenia muszą być w formacie binarnym. W tej formie program jest językiem maszynowym.

W języku asemblerowym polecenia, w tym lokalizacje magazynowania, są znakami alfanumerycznymi zwanymi mnemonikami. W porównaniu do języka maszynowego ich użycie znacznie ułatwia pisanie programów. Jednakże, jeśli program jest napisany w takim mnemonicznym języku, musi zostać przetłumaczony na instrukcje, które maszyna może zrozumieć, aby mogły być przechowywane i wykonywane w mikrokomputerze. Zasadniczo jedna komenda asemblera jest tłumaczona na jedno polecenie języka maszynowego.

Pisanie programów w języku asemblerowym jest bardzo męczące i czasochłonne. W związku z tym języki wysokiego poziomu, takie jak Fortran, Cobol, Algol, Pascal stały się powszechne, co można następnie przetłumaczyć na język maszyny. W takim przypadku jeden operator zwykle odpowiada kilku instrukcjom języka maszyny.

Zestaw poleceń mikrokomputera

Główne cechy mikroprocesora są również określone przez zestaw instrukcji. Zwykle składa się z 5 grup:

1. Grupa danych Polecenia te pomagają przesyłać informacje między rejestrami w mikroprocesorze, między pamięcią a rejestrem lub komórkami pamięci.
2. Grupa arytmetyczna pozwala dodawać, odejmować, zwiększać lub zmniejszać dane w pamięci lub rejestrach (na przykład sumują zawartość dwóch rejestrów procesora).
3. Grupa logiczna jest używana do operacji AND, OR, EXCLUSIVE LUB, porównywania, przesunięcia cyklicznego, dodawania danych do pamięci lub rejestrów (na przykład do przejścia przez obwód OR zawartości dwóch rejestrów mikroprocesorowych).
4. Grupa oddziałów zawiera bezwarunkowe i warunkowe skoki, wywoływanie podprogramów i powrót z nich. Instrukcje warunkowe służą zapewnieniu, że dana operacja jest wykonywana tylko wtedy, gdy spełniony jest określony warunek (na przykład, jeśli chcesz przejść do określonego polecenia, gdy wynik ostatniego obliczenia wynosi zero). Dają one szansę samemu programowi na podejmowanie decyzji.
5. Sterta, I / O i mikroprocesorowa grupa kontrolna przesyłają dane między procesorem a peryferiami, manipulują stosem i zmieniają flagi kontroli wewnętrznej. Polecenia te umożliwiają programatorowi zatrzymanie urządzenia, przełączenie go w stan niedziałający, włączanie i wyłączanie systemu przerwań itd.

Instrukcje, które są przechowywane z danymi w pamięci, mogą mieć 1 lub więcej bajtów długości. Długie polecenia są przechowywane w kolejnych lokalizacjach w pamięci, a adres pierwszego bajtu jest zawsze używany jako adres całego polecenia. Ponadto pierwszy bajt jest zawsze opodem.

Chronologia rozwoju

O tym, czym są mikroprocesory, świat dowiedział się w 1971 roku, kiedy to amerykańska korporacja Intel po raz pierwszy ogłosiła Intel 4004. Została wykonana na jednym chipie i była 4-bitowa (czyli pracowała jednocześnie z 4 bitami danych). Zainspirowany sukcesem 4004, Intel wprowadził udoskonaloną wersję Intel 4040. Wiele innych firm ogłosiło także 4-bitowe mikroprocesory. Na przykład Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 i Toshiba T3472. Pierwszy 8-bitowy procesor został wprowadzony w 1973 roku przez tę samą firmę. Był to Intel 8008, a następnie ulepszona wersja 8030. Kilku innych producentów poszło w jego ślady. Najbardziej znane 8-bitowe mikroprocesory to Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National * SC / MP, Zilog Z80 i Fairchild F8.

Potem pojawiły się 12-bitowe i 16-bitowe procesory. Przykładami tych pierwszych są IM 6100 Intersil i Toshiba T3190, a ostatnie to Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 i 9980, Fairchild 9440, Motorola M68000, Zilog Z670,.

Zmiany charakterystyki mikroprocesora od 1971 r. Miały na celu poprawę architektury, zestawu instrukcji, zwiększenie prędkości, uproszczenie wymagań mocy i zwiększenie ilości pamięci oraz urządzeń wejścia-wyjścia w jednym układzie.

Pierwsze typy mikroprocesorów (4004, 4040, 8008) oparte były na technologii PMOS, która dzięki ograniczeniom prędkości ustąpiła miejsca NMOS. Inne technologie to CMOS, TTL, DTL, RTL.