Sistemes de microprocessador

L'ús de sistemes de microprocessador en gairebé tots els dispositius elèctrics és la característica més important de la infraestructura tècnica de la societat moderna. L'electricitat, la indústria, el transport i els sistemes de comunicació depenen molt dels sistemes de control informàtic. Els sistemes de microprocessadors estan integrats en instruments de mesura, aparells elèctrics, instal·lacions d'il·luminació, etc.

Tot això obliga l'enginyer elèctric a conèixer almenys els fonaments de la tecnologia dels microprocessadors.

Els sistemes de microprocessadors estan dissenyats per automatitzar el processament de la informació i controlar diversos processos.

El terme "sistema de microprocessador" és molt ampli i inclou conceptes com "màquina informàtica electrònica (ECM)", "ordinador de control", "ordinador" i altres.

El sistema de microprocessador inclou maquinari o en anglès — maquinari i programari (programari) — programari.

Informació digital

El sistema de microprocessador funciona amb informació digital, que és una sèrie de codis numèrics.

Al nucli de qualsevol sistema de microprocessador hi ha un microprocessador que només pot acceptar nombres binaris (formats per 0 i 1).Els nombres binaris s'escriuen mitjançant el sistema de numeració binari. Per exemple, a la vida quotidiana fem servir un sistema de numeració decimal que utilitza deu caràcters o dígits per escriure nombres, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. En conseqüència, en el sistema binari només hi ha dos símbols (o dígits): 0 i 1.

Cal entendre que el sistema numèric és només les regles per escriure números, i l'elecció del tipus de sistema estarà determinada per la facilitat d'ús. L'elecció d'un sistema binari es deu a la seva senzillesa, que significa la fiabilitat dels dispositius digitals i la facilitat de la seva implementació tècnica.

Considereu les unitats de mesura de la informació digital:

Un bit (de l'anglès «BInary digiT» — dígit binari) només pren dos valors: 0 o 1. Podeu codificar el valor lògic «yes» o «no», l'estat «on» o «off», l'estat « obert» «o» tancat «etc.

Un grup de vuit bits s'anomena byte, per exemple 10010111. Un byte permet codificar 256 valors: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Un bit és la unitat d'informació més petita.

Byte: la unitat més petita de processament de la informació. Byte - part d'una paraula màquina, que normalment consta de 8 bits i s'utilitza com a unitat per a la quantitat d'informació durant el seu emmagatzematge, transmissió i processament en un ordinador. Un byte serveix per representar lletres, síl·labes i caràcters especials (normalment ocupen els 8 bits) o dígits decimals (cadascun 2 dígits en 1 byte).

Dos bytes contigus s'anomenen paraula, 4 bytes una paraula doble, 8 bytes una paraula quàdruple.

Gairebé tota la informació que ens envolta és analògica. Per tant, abans que la informació entri al processador per processar-la, es converteix mitjançant un ADC (convertidor analògic a digital).A més, la informació està codificada en un format determinat i pot ser digital, lògica, textual (simbòlica), gràfica, de vídeo, etc.

Per exemple, s'utilitza una taula de codis ASCII (de l'anglès American Standard Code for Information Interchange) per codificar la informació de text. S'escriu un caràcter en un byte, que pot prendre 256 valors. La informació gràfica es divideix en punts (píxels) i el color i la posició de cada punt es codifica horitzontalment i verticalment.

A més dels sistemes binari i decimal, MS utilitza un sistema hexadecimal en el qual s'utilitzen per escriure nombres els símbols 0 ... 9 i A ... F. El seu ús es deu al fet que un byte està descrit per dos -dígit nombre hexadecimal, que redueix molt enregistrar el codi numèric i fer-lo més llegible (11111111 — FF).

Taula 1 — Escriptura de nombres en diferents sistemes numèrics

Per determinar el valor del número (per exemple, el valor del número 100 per a diferents sistemes numèrics pot ser 42, 10010, 25616), al final del número afegiu una lletra llatina que indica el sistema numèric: per als números binaris la lletra b, per a nombres hexadecimals — h , per a nombres decimals — d. Un nombre sense una designació addicional es considera decimal.

La conversió de nombres d'un sistema a un altre i d'operacions bàsiques aritmètiques i lògiques amb nombres permet fer una calculadora d'enginyeria (aplicació estàndard del sistema operatiu Windows).

Estructura d'un sistema de microprocessador

El sistema de microprocessador es basa en un microprocessador (processador) que realitza funcions de processament i control de la informació. La resta de dispositius que componen el sistema de microprocessador serveixen al processador ajudant-lo a funcionar.

Els dispositius obligatoris per crear un sistema de microprocessador són els ports d'entrada/sortida i, en part, la memòria... Els ports d'entrada - sortida connecten el processador amb el món exterior proporcionant informació per processar i emetre els resultats de les accions de processament o control. Botons (teclat), diversos sensors estan connectats als ports d'entrada; als ports de sortida: dispositius que permeten el control elèctric: indicadors, pantalles, contactors, vàlvules solenoides, motors elèctrics, etc.

La memòria es necessita principalment per emmagatzemar un programa (o conjunt de programes) necessaris perquè el processador funcioni. Un programa és una seqüència d'ordres que el processador entén, escrites per un humà (normalment un programador).

L'estructura d'un sistema de microprocessador es mostra a la figura 1. En una forma simplificada, el processador consta d'una unitat aritmètica lògica (ALU) que processa la informació digital i una unitat de control (CU).

La memòria normalment inclou memòria de només lectura (ROM), que no és volàtil i està destinada a l'emmagatzematge a llarg termini d'informació (per exemple, programes) i memòria d'accés aleatori (RAM), destinada a l'emmagatzematge temporal de dades.

Figura 1 — L'estructura del sistema de microprocessador

El processador, els ports i la memòria es comuniquen entre ells mitjançant busos. Un bus és un conjunt de cables que estan units funcionalment. Un únic conjunt de busos del sistema s'anomena bus intrasistema, en el qual hi ha:

• Bus de dades DB (Data Bus), a través del qual s'intercanvien dades entre el processador, la memòria i els ports;

• bus d'adreces AB (Bus d'adreces), utilitzat per adreçar les cel·les de memòria i els ports del processador;

• bus de control CB (Control Bus), un conjunt de línies que transmeten diversos senyals de control des del processador a dispositius externs i viceversa.

Microprocessadors

Microprocessador: un dispositiu controlat per programari dissenyat per processar informació digital i controlar el procés d'aquest processament, fet en forma d'un (o diversos) circuits integrats amb un alt grau d'integració d'elements electrònics.

Un microprocessador es caracteritza per un gran nombre de paràmetres, ja que és alhora un dispositiu complex controlat per programari i un dispositiu electrònic (microcircuit). Per tant, per a un microprocessador, tant el tipus de caixa com el conjunt d'instruccions del processador... Les capacitats d'un microprocessador es defineixen pel concepte d'arquitectura de microprocessador.

El prefix «micro» en el nom del processador significa que s'implementa amb tecnologia micron.

Figura 2 — Vista externa del microprocessador Intel Pentium 4

Durant el funcionament, el microprocessador llegeix les ordres del programa des de la memòria o un port d'entrada i les executa. El que significa cada comanda està determinat pel conjunt d'instruccions del processador, el conjunt d'instruccions està integrat a l'arquitectura del microprocessador i l'execució del codi de comanda s'expressa en l'execució de determinades microoperacions per part dels elements interns del processador.

Arquitectura de microprocessador: aquesta és la seva organització lògica; defineix les capacitats del microprocessador en termes d'implementació de maquinari i programari de les funcions necessàries per construir un sistema de microprocessador.

Característiques principals dels microprocessadors:

1) Freqüència de rellotge (unitat de mesura MHz o GHz): el nombre de polsos de rellotge en 1 segon.Els polsos de rellotge són generats per un generador de rellotge, que normalment es troba dins del processador. Com que totes les operacions (instruccions) es realitzen en cicles de rellotge, aleshores el rendiment del treball (el nombre d'operacions realitzades per unitat de temps) depèn de la freqüència del rellotge. La freqüència del processador pot variar dins de determinats límits.

2) Processador de bits (8, 16, 32, 64 bits, etc.): especifica el nombre de bytes de dades processats en un cicle de rellotge. L'amplada de bits d'un processador ve determinada per l'amplada de bits dels seus registres interns. Un processador pot ser de 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc., és a dir. Les dades es processen en fragments d'1, 2, 4, 8 bytes. És evident que com més gran sigui la profunditat de bits, més gran serà la productivitat del treball.

Arquitectura interna del microprocessador

A la figura 3 es mostra una arquitectura interna simplificada d'un microprocessador típic de 8 bits. L'estructura del microprocessador es pot dividir en tres parts principals:

1) Registres per a l'emmagatzematge temporal d'ordres, dades i adreces;

2) Unitat lògica aritmètica (ALU) que realitza operacions aritmètiques i lògiques;

3) Circuit de control i temporització: proporciona una selecció de comandaments, organitza el funcionament de l'ALU, proporciona accés a tots els registres del microprocessador, percep i genera senyals de control externs.

Figura 3 — Arquitectura interna simplificada d'un microprocessador de 8 bits

Com podeu veure al diagrama, el processador es basa en registres, que es divideixen en registres especials (amb una finalitat específica) i registres de propòsit general.

Comptador de programes (ordinador): un registre que conté l'adreça del byte d'ordre següent. El processador ha de saber quina ordre s'executarà a continuació.

Bateria: un registre utilitzat en la majoria de les instruccions per al processament lògic i aritmètic; és alhora la font d'un dels bytes de dades que es requereix per a l'operació ALU i el lloc on es col·loca el resultat de l'operació ALU.

Un registre de funció (o registre de bandera) conté informació sobre l'estat intern del microprocessador, concretament el resultat de l'última operació ALU. Un registre de bandera no és un registre en el sentit habitual, sinó simplement un conjunt de xancletes (bandera cap amunt o cap avall. Normalment hi ha banderes de zero, desbordament, negatives i carry).

Stack Pointer (SP): fa un seguiment de la posició de la pila, és a dir, conté l'adreça de la seva darrera cel·la utilitzada. Pila: una manera d'organitzar l'emmagatzematge de dades.

Un registre d'ordres conté el byte d'ordres que està descodificant el descodificador d'ordres.

Les línies de bus externs estan aïllades de les línies internes de bus mitjançant buffers, i els principals elements interns estan connectats per un bus de dades intern d'alta velocitat.

Per millorar el rendiment d'un sistema multiprocessador, les funcions del processador central es poden distribuir entre diversos processadors. Per ajudar el processador central, l'ordinador sovint introdueix coprocessadors, centrats en l'execució eficient de qualsevol funció específica. Coprocessadors matemàtics i gràfics generalitzats, d'entrada i sortida que descarreguen el processador central d'operacions senzilles però nombroses d'interacció amb dispositius externs.

En l'etapa actual, la direcció principal per augmentar la productivitat és el desenvolupament de processadors multinucli, és a dir. combinar dos o més processadors en un cas per realitzar diverses operacions en paral·lel (simultàniament).

Intel i AMD són les empreses líders en disseny i fabricació de processadors.

Algorisme del sistema de microprocessador

Algoritme: una prescripció precisa que estableix de manera única el procés de transformació de la informació inicial en una seqüència d'operacions que permeten resoldre un conjunt de tasques d'una classe determinada i obtenir el resultat desitjat.

L'element de control principal de tot el sistema de microprocessador és un processador... Aquest, amb l'excepció d'alguns casos especials, controla tots els altres dispositius. La resta de dispositius, com ara RAM, ROM i ports d'E/S, estan subordinats.

Tan bon punt s'encén, el processador comença a llegir codis digitals de l'àrea de memòria reservada per emmagatzemar programes. La lectura es fa seqüencialment cel·la per cèl·lula, començant des de la primera. Una cel·la conté dades, adreces i ordres. Una instrucció és una de les accions elementals que pot realitzar un microprocessador. Tot el treball del microprocessador es redueix a la lectura i execució seqüencial d'ordres.

Considereu la seqüència d'accions del microprocessador durant l'execució de les ordres del programa:

1) Abans d'executar la següent instrucció, el microprocessador emmagatzema la seva adreça al comptador del programa informàtic.

2) El MP accedeix a la memòria a l'adreça que conté l'ordinador i llegeix de la memòria el primer byte de la següent ordre del registre d'ordres.

3) El descodificador d'ordres descodifica (desxifra) el codi d'ordres.

4) D'acord amb la informació rebuda del descodificador, la unitat de control genera una seqüència de microoperacions ordenada en el temps que executen les instruccions d'ordre, que inclouen:

— recupera operands de registres i memòria;

— duu a terme operacions aritmètiques, lògiques o altres operacions sobre ells tal com estableix el codi de comandament;

— depenent de la durada de l'ordre, canvia el contingut de l'ordinador;

— transfereix el control a la següent ordre l'adreça de la qual es troba de nou al comptador del programa informàtic.

El conjunt d'instruccions per a un microprocessador es pot dividir en tres grups:

1) Ordres per moure dades

La transferència té lloc entre memòria, processador, ports d'E/S (cada port té la seva pròpia adreça), entre registres de processador.

2) Ordres de transformació de dades

Totes les dades (text, imatge, vídeo, etc.) són números, i només es poden fer operacions aritmètiques i lògiques amb números. Per tant, les ordres d'aquest grup inclouen la suma, la resta, la comparació, les operacions lògiques, etc.

3) Transferència de comandament de control

És molt rar que un programa consta d'una única instrucció seqüencial. La majoria dels algorismes requereixen ramificació del programa. Per tal que el programa canviï l'algorisme del seu treball, depenent de qualsevol condició, s'utilitzen ordres de transferència de control. Aquestes ordres asseguren el flux d'execució del programa al llarg de diferents camins i organitzen bucles.

Dispositius externs

Els dispositius externs inclouen tots els dispositius que són externs al processador (excepte la memòria RAM) i connectats mitjançant ports d'E/S. Els dispositius externs es poden classificar en tres grups:

1) dispositius de comunicació home-ordinador (teclat, monitor, impressora, etc.);

2) dispositius de comunicació amb objectes de control (sensors, actuadors, ADC i DAC);

3) dispositius d'emmagatzematge externs amb gran capacitat (disc dur, disquets).

Els dispositius externs es connecten al sistema de microprocessador físicament, mitjançant connectors i lògicament, mitjançant ports (controladors).

S'utilitza un sistema d'interrupció (mecanisme) per connectar-se entre el processador i els dispositius externs.

Sistema d'interrupció

Es tracta d'un mecanisme especial que permet en qualsevol moment, a través d'un senyal extern, forçar el processador a aturar l'execució del programa principal, realitzar operacions relacionades amb l'esdeveniment que ha provocat la interrupció i després tornar a l'execució del programa principal. .

Cada microprocessador té almenys una entrada de petició d'interrupció INT (de la paraula Interrupció).

Considerem un exemple de la interacció d'un processador d'ordinador personal amb un teclat (figura 4).

Teclat: un dispositiu per introduir informació simbòlica i ordres de control. Per connectar el teclat, l'ordinador té un port de teclat especial (xip).

Figura 4 — Funcionament de la CPU amb el teclat

Algoritme de treball:

1) Quan es prem una tecla, el controlador del teclat genera un codi numèric. Aquest senyal va al xip del port del teclat.

2) El port del teclat envia un senyal d'interrupció a la CPU. Cada dispositiu extern té el seu propi número d'interrupció pel qual el processador el reconeix.

3) Després de rebre una interrupció del teclat, el processador interromp l'execució del programa (per exemple, l'editor de Microsoft Office Word) i carrega el programa per processar els codis del teclat des de la memòria. Aquest programa s'anomena controlador.

4) Aquest programa dirigeix ​​el processador al port del teclat i el codi numèric es carrega al registre del processador.

5) El codi digital s'emmagatzema a la memòria i el processador continua realitzant una altra tasca.

A causa de l'alta velocitat d'operació, el processador executa un gran nombre de processos simultàniament.