Co jsou mikroprocesory? Zařízení, jmenování, hlavní charakteristiky

Co je to mikroprocesor, dnes to každý ví. Jedná se o jednu z nejzajímavějších technologických inovací v elektronice od vzniku tranzistoru v roce 1948. Zařízení Wonder nejen začalo revoluci v digitální elektronice, ale také proniklo téměř do všech sfér lidského života. Používají se v komplexních řídících jednotkách, dispečerském řízení, jednoduchých hracích automatech a dokonce i v hračkách.

Co jsou mikroprocesory?

Počítač, který je velký a není příliš funkční (ve zjednodušené podobě), může být zobrazen ve formě vývojového diagramu, který se skládá ze tří hlavních částí:

• Centrální procesní jednotka (CPU), která provádí potřebné logické a aritmetické operace pomocí registrů (mikroprocesorová paměť) a řídí synchronizaci a celkovou činnost celého systému.
• I / O zařízení, která slouží k napájení dat do CPU (zahrnují přepínače, převodníky analogově-digitální, čtečky paměťových karet, klávesnice, jednotky pevného disku atd.) A výstupy výpočtů (LED, displeje, konvertory, tiskárny, plotry, komunikační linky atd.). Takže I / O subsystém umožňuje počítači komunikovat s okolním světem. Taková zařízení jsou také nazývána periferní zařízení.
• Paměť, ve které jsou uloženy příkazy (program) a data. Obvykle se skládá z paměti RAM (paměť s náhodným přístupem) a ROM (permanentní paměť pouze pro čtení).

Mikroprocesor je integrovaný obvod určený k práci jako mikropočítačový procesor.

Princip činnosti

Účelem mikroprocesoru je číst každý příkaz z paměti, dekódovat a provádět. CPU zpracovává data podle pokynů programu ve formě logických a aritmetických operací. Informace jsou získávány z paměti nebo pocházejí vstupních zařízeních a výsledek zpracování je uložen v paměti nebo dodán do příslušného výstupního zařízení, jak je uvedeno v pokynech. To jsou mikroprocesory. K provedení všech těchto funkcí mají různé funkční bloky. Tato vnitřní nebo organizační struktura CPU, která určuje její práci, se nazývá její architektura.

Typická schéma mikroprocesorového zařízení je uvedena na fotografii níže.

Pneumatiky

Mikropočítač pracuje s binárním kódem. Binární informace jsou reprezentovány binárními číslicemi nazývanými bity. Skupina bitů tvoří slovo stroje (jejich počet závisí na konkrétní implementaci). Obvyklé velikosti slov jsou 4, 8, 12, 16, 32 a 64 bitů. Byte a nibble představují množinu 8 a 4 bitů.

Pneumatiky spojují různé jednotky zařízení a umožňují jim výměnu strojních slov. Jsou vyrobeny ve formě samostatného drátu pro každý bit, který umožňuje současně vyměňovat všechny bity slova stroje. Zpracování informací v procesoru také probíhá paralelně. Proto mohou být autobusy považovány za datové linky. Jejich šířka je určena počtem jejich signálních linek. Na adresové sběrnici přenáší CPU adresu zařízení I / O nebo paměti, do které má přístup. Tato adresa je přijímána všemi zařízeními připojenými k procesoru. Na to však odpovídá pouze ten, kterému byla žádost určena. Datová sběrnice se používá k odesílání a přijímání informací ze vstupních a výstupních zařízení a paměti, včetně příkazů. Je zřejmé, že je obousměrný a adresa - jednosměrná. Řídicí sběrnice se používá k přenosu a přijímání řídicích signálů mezi mikroprocesorem a různými prvky systému.

Aritmetická logická jednotka a interní registry

Jedná se o kombinační síť, která provádí logické a aritmetické operace s daty.

Mikroprocesor obvykle obsahuje řadu registrů. Používají se při dočasném ukládání příkazů, dat a adres během provádění programu. Mikroprocesor Intel 8085 má například 8-bitovou baterii (Acc), 6 8bitových registrů pro všeobecné účely (B, C, D, E, H a L), což je 8bitový příkazový registr (IR) instrukce, 16-bitový programový čítač s adresou dalšího příkazu, který má být vybrán z paměti v IR, 16-bitový ukazatel zásobníku, registr příznaků, který signalizuje určité podmínky vyskytující se při provádění logických a aritmetických operací a některé další speciální registry pro vnitřní procesy a ke kterému programátor není.

Dekodér řídicí jednotku a paměť

Dešifruje každý příkaz a ovládá externí a interní bloky a zajišťuje správný logický provoz systému.

Pro uložení pokynů, údajů a výsledků výpočtů jsou vyžadována polovodičová paměťová zařízení. Program je zapisován do paměti připojené k mikroprocesoru prostřednictvím adresové sběrnice a datových a řídicích sběrnic (jako jsou I / O zařízení).

Rozhraní

Pokud je třeba k CPU připojit jedno nebo více zařízení I / O, je potřeba vhodné rozhraní. Provádí následující 4 funkce:

• vyrovnávací paměť potřebná k zajištění kompatibility mikroprocesoru a periferií;
• dekódování adresy pro výběr jednoho z několika zařízení připojených k I / O systému;
• příkazy pro dekódování požadované k provádění jiných funkcí než přenosu dat;
• synchronizaci a správu všech výše uvedených funkcí.

Přenos informací

Výměna dat mezi periferním zařízením a mikropočítačem se týká buď jejich programového přenosu nebo přímého přístupu k paměti.

V prvním případě požadovaný program vyžaduje systém I / O přenos dat mikroprocesorem nebo z něj. Informace zpravidla vstupují do baterie, i když mohou být zapojeny i další interní registry. Programový přenos se obvykle používá při odesílání malého množství dat do relativně pomalých I / O zařízení, například periferního multiplikátoru, periferní ALU apod. V takových případech se přenos obvykle provádí slovem po slovu.

Přímý přístup k paměti nebo zachytávání smyčky jsou řízeny periferní zařízení. V tomto případě systém I / O násilně zpomaluje činnost mikroprocesoru, dokud není dokončen přenos. Vzhledem k tomu, že proces je řízen hardwarem, rozhraní je složitější, než je vyžadováno pro přenos softwaru. Používá se, když potřebujete odeslat velký blok informací, například z periferního úložiště, jako jsou diskety a vysokorychlostní čtečka karet.

Rozhraní zařízení

Rozsáhlý hardware je k dispozici pro vývoj uživatelských rozhraní. Zahrnuje multiplexory a demultiplexy, řidičů a přijímačů linek, vyrovnávacích pamětí, stabilní a monostabilní multivibrátory, spoušťové spínače, obvody brány, posuvné registry atd. Existují také složitější programovatelná rozhraní, jejichž funkce lze měnit příkazem mikroprocesoru. Tato rozhraní mohou být obecného nebo zvláštního účelu.

Programovací jazyky

Vzhledem k tomu, že počítač může ukládat a zpracovávat informace v binární formě, musí být příkazy k odeslání do zařízení v binárním formátu. V tomto formuláři je program strojovým jazykem.

V sestavovém jazyce jsou příkazy, včetně úložišť, alfanumerické znaky nazývané mnemotechnické. Ve srovnání s jazykem stroje jejich použití usnadňuje psaní programů. Pokud je však program napsán v mnemotechnickém jazyce, musí být přeložen do instrukcí, které stroj porozumí, takže je lze uložit a spustit v mikropočítači. V podstatě je jeden příkaz assembleru přeložen do jednoho příkazu jazyka počítače.

Psaní programů v jazyce sestavení je velmi únavné a časově náročné. Proto se rozšířené jazyky na vysoké úrovni, jako jsou Fortran, Cobol, Algol, Pascal, které pak mohou přeložit do jazyka stroje. V takovém případě obvykle jeden operátor odpovídá několika instrukcí jazyka stroje.

Sada příkazů mikropočítače

Hlavní charakteristiky mikroprocesoru jsou také určeny sadou instrukcí. Obvykle se skládá ze 5 skupin:

1. Datová skupina Tyto příkazy pomáhají přenášet informace mezi registry v mikroprocesoru, mezi pamětí a registrem nebo paměťovými buňkami.
2. Aritmetická skupina umožňuje přidávat, odečítat, zvyšovat nebo snižovat data v paměti nebo registrech (například přidávat obsah dvou registrů CPU).
3. Logická skupina se používá pro AND, OR, EXCLUSIVE nebo operace, porovnání, cyklický posun, přidání dat do paměti nebo registrů (například procházení obvodem OR prostřednictvím dvou registrů mikroprocesorů).
4. Skupina poboček zahrnuje bezpodmínečné a podmíněné skoky, volání podprogramů a návrat z nich. Podmíněné pokyny slouží k tomu, aby se zajistilo, že konkrétní operace bude provedena pouze v případě, že je splněna určitá podmínka (například pokud chcete jít na konkrétní příkaz, když byl výsledek posledního výpočtu nulový). Poskytují příležitost samotnému programu, aby rozhodoval.
5. Komunikační skupina zásobníků, I / O a mikroprocesorů předává data mezi CPU a obvodem, manipuluje s zásobníkem a mění vlajky interního řízení. Tyto příkazy umožňují programátoru zastavit zařízení, dát do nepracujícího stavu, zapínat a vypínat systém přerušení a tak dále.

Pokyny, které jsou uloženy s údaji v paměti, mohou mít délku 1 nebo více bajtů. Dlouhé příkazy jsou uloženy v po sobě jdoucích paměťových místech a adresa prvního bytu se vždy používá jako adresa celého příkazu. Navíc první bajt je vždy opcode.

Chronologie vývoje

O tom, jaké jsou mikroprocesory, se svět naučil v roce 1971, kdy americká společnost Intel poprvé oznámila procesor Intel 4004. Byl proveden na jediném čipu a byl 4bitový (to znamená, že pracoval současně se 4 datovými bity). Inspirován úspěchem modelu 4004, Intel představil vylepšenou verzi modelu Intel 4040. Mnoho dalších firem také oznámilo 4bitové mikroprocesory. Například Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 a Toshiba T3472. První 8bitový procesor byl zaveden v roce 1973 stejnou společností. Jednalo se o procesor Intel 8008, po němž následovala vylepšená verze modelu 8030. Několik dalších výrobců ji následovalo. Nejznámějšími 8bitovými mikroprocesory jsou Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National * SC / MP, Zilog Z80 a Fairchild F8.

Pak přišli 12bitové a 16bitové procesory. Příklady bývalých modelů jsou IM 6100 Intersil a Toshiba T3190 a poslední jsou Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 a 9980, Fairchild 9440, Motorola M68000 a Zilog Z670.

Změny v charakteristikách mikroprocesoru od roku 1971 byly zaměřeny na zlepšení architektury, instrukčního setu, zvýšení rychlosti, zjednodušení požadavků na napájení a zvýšení množství paměti a vstupně-výstupních zařízení v jediném čipu.

První typy mikroprocesorů (4004, 4040, 8008) byly založeny na technologii PMOS, která díky omezením rychlosti ustoupila do NMOS. Jiné technologie jsou CMOS, TTL, DTL, RTL.