Kaj so mikroprocesorji? Naprava, imenovanje, glavne značilnosti

Kaj je mikroprocesor, danes vsi vedo. To je ena najzanimivejših tehnoloških inovacij v elektroniki od nastanka tranzistorja leta 1948. Wonder naprave niso samo začele revolucijo v digitalni elektroniki, temveč tudi prodrle skoraj vse sfere človeškega življenja. Uporabljajo se v kompleksnih krmilnikih, opremi za nadzor razpečevalnikov, enostavnih igralnih avtomatih in celo igračah.

Kaj so mikroprocesorji?

Računalnik, ki je velik in ne zelo funkcionalen (v poenostavljeni obliki), je lahko predstavljen v obliki diagrama poteka, sestavljenega iz treh glavnih delov:

• Centralna procesna enota (CPU), ki izvaja potrebne logične in aritmetične operacije z uporabo registrov (mikroprocesorski pomnilnik) in nadzoruje sinhronizacijo in celotno delovanje celotnega sistema.
• V / I naprave, ki služijo za vnos podatkov v CPU (to so stikala, analogno-digitalni pretvorniki, bralniki pomnilniških kartic, tipkovnice, trdi diski itd.) In izhodni rezultati izračunov (LED, zasloni, digitalno-analogni) pretvorniki, tiskalniki, risalniki, komunikacijske linije itd.). Tako I / O podsistem omogoča računalniku, da komunicira z zunanjim svetom. Takšne naprave se imenujejo tudi periferne.
• Pomnilnik, v katerem so shranjeni ukazi (program) in podatki. Ponavadi je sestavljen iz pomnilnika RAM (random access memory) in ROM-a (trajni pomnilnik samo za branje).

Mikroprocesor je integrirano vezje, zasnovano tako, da deluje kot mikroračunalniška CPU.

Načelo delovanja

Namen mikroprocesorja je branje vsakega ukaza iz pomnilnika, dekodiranje in izvrševanje. CPU obdeluje podatke v skladu z navodili programa v obliki logičnih in aritmetičnih operacij. Informacije se pridobijo iz spomina ali prihajajo iz vhodne naprave in rezultat obdelave se shrani v pomnilnik ali dostavi ustrezni izhodni napravi, kot je navedeno v navodilih. To so mikroprocesorji. Za izvajanje vseh teh funkcij imajo različne funkcionalne bloke. Ta notranja ali organizacijska struktura CPU, ki določa njeno delo, se imenuje njena arhitektura.

Na sliki spodaj je predstavljena tipična shema mikroprocesorske naprave.

Pnevmatike

Mikroračunalnik deluje z binarno kodo. Binarne informacije so binarne številke, imenovane bit. Skupina bitov tvori strojno besedo (njihovo število je odvisno od specifične izvedbe). Običajne velikosti besed so 4, 8, 12, 16, 32 in 64 bitov. Byte in nibble predstavljajo niz 8 ali 4 bitov.

Pnevmatike povezujejo različne enote naprave in jim omogočajo izmenjavo besed. Izdelani so v obliki ločene žice za vsak bit, kar omogoča izmenjavo vseh bitov strojne besede istočasno. Obdelava informacij v CPU se pojavlja tudi vzporedno. Tako se lahko avtobusi obravnavajo kot podatkovne linije. Njihova širina je določena s številom njihovih signalnih linij. Na naslovnem vodilu CPU posreduje naslov V / I naprave ali pomnilniške lokacije, do katere želi dostopiti. Ta naslov sprejmejo vse naprave, povezane s procesorjem. Vendar se nanj odziva samo tisti, na katerega je bila naslovljena zahteva. Podatkovna enota se uporablja za pošiljanje in sprejemanje informacij iz vhodno-izhodnih naprav in pomnilnika, vključno z ukazi. Očitno je dvosmerna, naslov pa enosmerna. Kontrolna vodila se uporabljajo za prenos in sprejem krmilnih signalov med mikroprocesorjem in različnimi elementi sistema.

Aritmetično logična enota in notranji registri

Gre za kombinacijsko omrežje, ki izvaja logične in aritmetične operacije na podatkih.

Mikroprocesor običajno vključuje številne registre. Uporabljajo se za začasno shranjevanje ukazov, podatkov in naslovov med izvajanjem programa. Mikroprocesor Intel 8085 ima na primer 8-bitno baterijo (Acc), 6 8-bitnih splošnih registrov (B, C, D, E, H in L), 8-bitni register ukazov (IR), ki shranjuje naslednjo izvršljivo datoteko ukaz, 16-bitni programski števec z naslovom naslednjega ukaza, ki ga je treba izbrati iz pomnilnika v IR, 16-bitni kazalec skladov, register zastavic, ki signalizira določene pogoje, ki se pojavljajo med izvajanjem logičnih in aritmetičnih operacij, in nekatere druge posebne registre. za notranje procese in s katerim se je programer ni.

Dekoder kontrolne enote in spomin

Vsak ukaz dešifrira in nadzoruje zunanje in notranje bloke, kar zagotavlja pravilno logično delovanje sistema.

Za shranjevanje navodil, podatkov in rezultatov izračuna so potrebne polprevodniške spominske naprave. Program se zapiše v pomnilnik, ki je povezan z mikroprocesorjem preko naslovnega vodila in podatkovnih in krmilnih vodil (kot so V / I naprave).

Vmesnik

Če je treba eno ali več V / I naprav priključiti na CPU, potem obstaja potreba po ustreznem vmesniku. Opravlja naslednje 4 funkcije:

• blaženje, potrebno za zagotovitev združljivosti mikroprocesorja in zunanjih naprav;
• dekodiranje naslova za izbiro ene od več naprav, priključenih na V / I sistem;
• dekodirni ukazi, ki so potrebni za izvajanje funkcij, ki niso prenos podatkov;
• sinhronizacijo in upravljanje vseh zgoraj navedenih funkcij.

Prenos informacij

Izmenjava podatkov, ki poteka med periferno napravo in mikroračunalnikom, se nanaša na njihov prenos programa ali neposreden dostop do pomnilnika.

V prvem primeru naložen program zahteva V / I sistem prenos podatkov mikroprocesorja ali iz njega. Praviloma informacije vstopajo v baterijo, čeprav lahko sodelujejo tudi drugi notranji registri. Prenos programa se običajno uporablja pri pošiljanju majhne količine podatkov razmeroma počasnim I / O napravam, na primer perifernemu množitelju, periferni ALU itd. V takih primerih se prenos običajno opravi po besedah.

Neposreden dostop do pomnilnika ali zajemanje zanke se nadzoruje periferne naprave. V tem primeru V / I sistem prisilno zadrži delovanje mikroprocesorja, dokler se prenos ne zaključi. Ker je proces nadzorovan s strojno opremo, je vmesnik bolj zapleten, kot je potrebno za prenos podatkov programske opreme. Uporablja se, ko morate poslati velik niz informacij, na primer iz perifernega pomnilnika, kot so diskete in čitalnik kartic za visoke hitrosti.

Vmesniške naprave

Za razvoj uporabniških vmesnikov je na voljo obsežna strojna oprema. Vključuje multiplekserje in demultiplekserje, linijske gonilnike in sprejemnike, odbojnike, stabilne in monostabilne multivibratorje, sprožilne ključavnice, zaporne kroge, preklopne registre, itd. Ti vmesniki so lahko splošnega ali posebnega namena.

Programski jeziki

Ker lahko računalnik shranjuje in obdeluje informacije v binarni obliki, morajo biti ukazi za oddajo v napravo v binarni obliki. V tej obliki je program strojni jezik.

V sestavnem jeziku so ukazi, vključno z lokacijami za shranjevanje, alfanumerični znaki, imenovani mnemonični. V primerjavi s strojnim jezikom je njihova uporaba veliko lažja pri pisanju. Če pa je program napisan v takem mnemoničnem jeziku, ga je treba prevesti v navodila, ki jih naprava lahko razume, tako da jih je mogoče shraniti in izvesti v mikroračunalniku. V bistvu se en ukaz za montažo prevede v en ukaz za strojni jezik.

Pisanje programov v zbirnem jeziku je zelo naporno in zamudno. Zato so postali jeziki na visoki ravni, kot so Fortran, Cobol, Algol, Pascal, zelo razširjeni, ki jih lahko nato prevedemo v jezik stroja. V tem primeru en operater običajno ustreza več navodilom strojnega jezika.

Set ukazov za mikroračunalnik

Glavne značilnosti mikroprocesorja so določene tudi z navodili. Običajno je sestavljen iz 5 skupin:

1. Skupina podatkov Ti ukazi pomagajo pri prenosu informacij med registri v mikroprocesorju, med pomnilnikom in registrom ali pomnilniškimi celicami.
2. Aritmetična skupina omogoča dodajanje, odštevanje, povečevanje ali zmanjševanje podatkov v pomnilniku ali registrih (na primer, seštejte vsebino dveh registrov CPE).
3. Logična skupina se uporablja za operacije AND, OR, EXCLUSIVE ALI, primerjavo, ciklični premik, dodajanje podatkov v pomnilnik ali registre (na primer za prehod skozi vezje OR v vsebini dveh mikroprocesorskih registrov).
4. Skupina podružnic vključuje brezpogojne in pogojne skoke, klicne podprograme in vračanje iz njih. Pogojna navodila so namenjena zagotavljanju, da se določena operacija izvede samo, če je izpolnjen določen pogoj (na primer, če želite iti do določenega ukaza, ko je rezultat zadnjega izračuna nič). Zagotavljajo priložnost, da program sam sprejema odločitve.
5. Kontrolna skupina skladov, I / O in mikroprocesorjev posreduje podatke med CPU in periferijo, manipulira sklad in spreminja zastavice notranje kontrole. Ti ukazi omogočajo, da programer ustavi napravo, jo postavi v stanje brez dela, vklopi in izklopi prekinitveni sistem in tako naprej.

Navodila, ki so shranjena s podatki v pomnilniku, so lahko dolga 1 ali več bajtov. Dolgi ukazi so shranjeni v zaporednih pomnilniških mestih, naslov prvega bajta pa se vedno uporablja kot naslov celotnega ukaza. Poleg tega je prvi bajt vedno opcode.

Kronologija razvoja

O tem, kaj so mikroprocesorji, se je svet naučil leta 1971, ko je ameriška korporacija Intel prvič napovedala Intel 4004. Izvedena je bila na enem samem čipu in je bila 4-bitna (torej je delala sočasno s 4 podatkovnimi bitmi). Navdihnjen z uspehom 4004, je Intel predstavil izboljšano različico Intel 4040. Številna druga podjetja so napovedala tudi 4-bitne mikroprocesorje. Na primer, Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 in Toshiba T3472. Prvo 8-bitno CPU je leta 1973 uvedla ista družba. To je bil Intel 8008, ki mu je sledila izboljšana različica 8030. Nekaj ​​drugih proizvajalcev je sledilo temu. Najbolj znani 8-bitni mikroprocesorji so Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National * SC / MP, Zilog Z80 in Fairchild F8.

Nato sta prišla 12-bitna in 16-bitna procesorja. Primeri prvih so IM 6100 Intersil in Toshiba T3190, drugi pa Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 in 9980, Fairchild 9440, Motorola M68000, Zilog Z670,.

Spremembe v značilnostih mikroprocesorja od leta 1971 so bile usmerjene v izboljšanje arhitekture, niza navodil, povečanje hitrosti, poenostavitev zahtev po moči in povečanje količine pomnilnika in vhodno-izhodnih zmogljivosti v enem samem čipu.

Prve vrste mikroprocesorjev (4004, 4040, 8008) so temeljile na tehnologiji PMOS, ki je zaradi omejitev hitrosti odstopila NMOS. Druge tehnologije so CMOS, TTL, DTL, RTL.