Czym są mikroprocesory, dziś każdy wie. Jest to jedna z najciekawszych innowacji technologicznych w elektronice od pojawienia się tranzystora w 1948 roku. Urządzenia Miracle nie tylko wywołały rewolucję w dziedzinie cyfrowej elektroniki, ale również przeniknęły prawie we wszystkie sfery ludzkiego życia. Są używane w złożonych kontrolerach kontrolujących, urządzeniach kontrolujących wysyłkę, w prostych automatach do gier, a nawet zabawkach.

Czym są mikroprocesory?

Komputer, duży i niezbyt funkcjonalny (w uproszczonej formie) może być reprezentowany jako schemat blokowy składający się z trzech głównych części:

jednostka centralna (CPU), która wykonuje niezbędną logikę i arytmetyczną operacje, za pomocą rejestrów (pamięć mikroprocesora) i kontroluje synchronizację i współpracę całego systemu.

Urządzenia we /wy służące do dostarczania danych do procesora (takie jak przełączniki, konwertery analogowo-cyfrowe, czytniki kart pamięci, klawiatury, dyski twarde itd.) I wyjściowe wyniki obliczeń (diody LED, wyświetlacze, przetworniki cyfrowo-analogowe, 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 ROM (stała, przeznaczona tylko dlaczytanie)

Mikroprocesor jest integralnym obwodem zaprojektowanym do pracy jako procesor mikrokomputera.

Zasada działania

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

Typowy schemat obwodu 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). Słowa o rozmiarze zwykłym to 4812 1632 i 64-bitowe. Bajt i półbajt reprezentują odpowiednio zbiór 8 i 4 bitów. Opony łączą różne jednostki urządzenia i pozwalają im wymieniać słowa maszynowe. Są one wykonane jako oddzielny przewód dla każdego bitu, który pozwala na zamianę wszystkich cyfr słowa maszynowego na raz. Przetwarzanie informacji w procesorze odbywa się równolegle. Tak więc opony można uznać za linie transmisyjne. Ich szerokość jest określona przez liczbę składników ich sygnalizacjilinie Adresując magistralę, CPU przesyła adres urządzenia I /O lub komórki pamięci, do której chce uzyskać dostęp. Ten adres jest akceptowany przez wszystkie urządzenia podłączone do procesora. Ale reaguje na to tylko osoba, do której skierowano żądanie. Magistrala danych służy do wysyłania i odbierania informacji z urządzeń wejścia /wyjścia i pamięci, w tym poleceń. Oczywiście jest dwukierunkowy, a adres jest jednokierunkowy. Szyna sterująca służy do przesyłania i odbierania sygnałów sterujących między mikroprocesorem a różnymi elementami systemu.

Arytmetyczne urządzenie logiczne i rejestry wewnętrzne

Jest to sieć złożona, która wykonuje wszystkie operacje logiczne i arytmetyczne na danych. Mikroprocesor zwykle zawiera wiele rejestrów. Służą do tymczasowego przechowywania poleceń, danych i adresów podczas wykonywania programu. Na przykład w mikroprocesorze Intel 8085 ma 8-bitowy akumulator (Acc), 6 8-bitowych rejestrów ogólnego przeznaczenia (B, C, D, E, H i L), 8-cyfrowy rejestr poleceń (IR), który przechowuje następujące instrukcja, 16-bitowy licznik programu adresu następnego polecenia do wybrania z pamięci w IR, 16-bitowy wskaźnik stosu, rejestr flag, który sygnalizuje spełnienie pewnych warunków, które pojawiają się podczas wykonywania operacji logicznych i arytmetycznych, oraz kilka innych specjalne rejestry dla procesów wewnętrznych, do których dostęp nie istnieje w programatorze.

Dekoder, jednostka sterująca i pamięć

Odszyfrowuje każde polecenie i zarządza zewnętrznymi ibloki wewnętrzne, zapewniające prawidłową logikę systemu. Półprzewodnikowe urządzenia pamięciowe są wymagane do zapisywania poleceń, danych i wyników obliczeniowych. Program jest przechowywany w pamięci podłączonej do mikroprocesora przez magistralę adresową oraz magistralę danych i sterowanie (jak urządzenia wejścia /wyjścia).

Interfejs

Jeżeli jedno lub więcej urządzeń wejścia /wyjścia musi być podłączone do procesora, wówczas potrzebny jest odpowiedni interfejs. Pełni następujące 4 funkcje:

buforowanie, niezbędne dla zapewnienia kompatybilności mikroprocesora i peryferii;

rozpoznaje dekodowanie, aby wybrać jedno z wielu urządzeń We /Wy podłączonych do systemu;

polecenia dekodowania wymagane do wykonywania funkcji innych niż transmisja danych;

synchronizacja i zarządzanie wszystkimi wymienionymi powyżej funkcjami.

Przekazywanie informacji

Wymiana danych między urządzeniem peryferyjnym a mikrokomputerem dotyczy ich programowej transmisji lub bezpośredniego dostępu do pamięci. W pierwszym przypadku pobrany program prosi system I /O o przesłanie danych z lub do mikroprocesora. Z reguły informacja wchodzi do baterii, chociaż inne rejestry wewnętrzne mogą być również zaangażowane. Programowanie jest zwykle stosowane przy wysyłaniu niewielkich ilości danych na wolniejszych urządzeniach wejścia /wyjścia, takich jak mnożniki peryferyjne, urządzenia peryferyjne ALU itp. W takich przypadkachprowadzone w słowach.

Bezpośredni dostęp do pamięci lub cykli przechwytywania sterowane urządzenia peryferyjne. System opóźnienia IO zmuszony mikroprocesor aż zakończeniu transferu. Ponieważ proces jest kontrolowany przez sprzęt, interfejs jest bardziej skomplikowana niż to konieczne dla danych programu. Jest on stosowany w razie potrzeby wysłać dużego bloku danych, takich jak repozytoria peryferyjnych, takich jak dyskietki wysokiej czytelnika.

urządzenia interfejsowe

Dla rozwoju interfejsów dostępna duża sprzętu. Obejmuje to multipleksery i demultypleksorы, sterowniki linii i odbiorniki, bufory, stabilne i monostabylnыe Multiwibratory powodować zatrzaskowe obwodów bramy, rejestrów przesuwnych, i tak dalej. D. jest bardziej złożone funkcje programowalne interfejsy, które mogą zmienić mikroprocesor zespołu. Te interfejsy mogą być ogólne lub specjalne.

Języki programowania

Ponieważ komputer może przechowywać i przetwarzać informacje binarne polecenie do wydania samochodu powinny być reprezentowane w formacie binarnym. W tej formie program jest w języku maszynowym. Polecenia asemblerze, w tym magazynowania, są znaki alfanumeryczne, zwane pamięciowy. W porównaniu do języka maszynowego ich użycie znacznie ułatwia pisanie programów. Jednak, jeśli taki program jest napisany w języku mnemonicznej, musi zostać przetłumaczony na instrukcjezrozumiałe dla maszyny, aby mogły być przechowywane i wykonywane przez mikrokomputer. Zasadniczo jedna komenda asemblera jest nadawana w jednym poleceniu języka maszyny. Pisanie aplikacji na asemblerze jest bardzo męczące i zajmuje dużo czasu. Dlatego też języki wysokiego poziomu, takie jak Fortran, Cobol, Algol, Pascal stały się powszechne, a następnie można je przetłumaczyć na język maszynowy. W takim przypadku jeden operator zwykle spełnia kilka instrukcji języka maszyny.

Zestaw poleceń mikrokomputera

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

Grupa transferu danych. Polecenia te pomagają przenosić informacje między rejestrami wewnątrz mikroprocesora, między pamięcią a rejestrem lub komórkami pamięci.

Grupa arytmetyczna umożliwia komponowanie, odejmowanie, zwiększanie lub zmniejszanie danych w pamięci lub rejestrach (na przykład kompilowanie zawartości dwóch rejestrów CPU).

,

grupę logiczną służy do operacji AND, OR, wyłączne lub porównać, przesunięcia cyklicznego, dodawanie danych w pamięci i rejestrów (na przykład, aby przejść przez obwód lub zawartość dwóch rejestrów mikroprocesor).

Grupa rozgałęzień obejmuje bezwarunkowe i warunkowe przejścia, podprogramy wywołań i zwroty z nich. Instrukcje warunkowe służą zapewnieniu, że dana operacja jest wykonywana tylko wtedy, gdy spełniony jest pewien warunek (na przykład, jeśli chcesz przejść do konkretnego polecenia, gdy wynik ostatniego obliczenia wynosi zero). Stanowią one okazję do zaakceptowania samego programurozwiązanie

Grupa stosów, I /O i sterowanie mikroprocesorowe generuje transfer danych między procesorem a peryferiami, manipuluje stosem i zmienia wewnętrzne flagi kontrolne. Polecenia te umożliwiają programatorowi zatrzymanie urządzenia, przekształcenie go w stan nieaktywny, włączenie i wyłączenie systemu przerwań itd.

Instrukcje przechowywane wraz z danymi w pamięci mogą mieć długość 1 lub więcej bajtów. Długie polecenia są przechowywane w komórkach pamięci szeregowej, a adres pierwszego bajtu jest zawsze używany jako adres całego polecenia. Ponadto pierwszy bajt jest zawsze kodem transakcji.

Chronologia

To jest mikroprocesor, świat dowiedział się w 1971 roku, kiedy to pierwszy amerykański Intel ogłosił Intel 4004. Został on wykonany na jednym chipie i wyniosła 4-bitowy (czyli działa w tym samym czasie 4 bity danych). Zainspirowany sukcesem 4004, Intel wprowadził ulepszoną wersję Intel 4040. Wiele innych firm ogłosiło także 4-bitowe mikroprocesory. Na przykład Rockwell International PPS4 NEC? COM 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 za tym przykładem. Najbardziej znane 8-bitowe mikroprocesory to Intel 8085 Motorola M6800 NEC? COM85AF, National * SC /MP, Zilog Z80 i Fairchild F8. Następnie były 12- i 16-bitowe PROCESORY. Przykładami są IM 6100 Intersil i Toshiba T3190, a drugi to Intel 8086 Texas Instruments TMS 9940 i 9980 Fairchild 9440 Motorola M68000 Zilog Z670. Zmiany charakterystyki mikroprocesora od 1971 roku miały na celu poprawę architektury,zestaw poleceń, zwiększenie prędkości, uproszczenie wymagań mocy i zwiększenie objętości pamięci oraz środków wejścia-wyjścia w jednym układzie. Pierwsze typy mikroprocesorów (400440408008) oparte były na technologii PMOS, która dzięki ograniczeniom prędkości ustąpiła miejsca NMOS. Inne technologie obejmują CMOS, TTL, DTL, RTL.