Какво представляват микропроцесорите? Устройство, назначение, основни характеристики

Какво е микропроцесор, днес всеки знае. Това е едно от най-интересните технологични нововъведения в електрониката от появата на транзистора през 1948 година. Уондър устройства не само започна революция в цифровата електроника, но и проникна почти във всички сфери на човешкия живот. Използват се в сложни контролери, оборудване за диспечерски контрол, прости игрални машини и дори играчки.

Какво представляват микропроцесорите?

Компютър, който е голям и не е много функционален (в опростена форма), може да бъде представен под формата на блок-схема, състояща се от три основни части:

• Централен процесор (CPU), който извършва необходимите логически и аритметични операции, използвайки регистри (микропроцесорна памет) и контролира синхронизацията и цялостната работа на цялата система.
• I / O устройства, които служат за подаване на данни към централния процесор (те включват ключове, аналогово-цифрови преобразуватели, четци на карти с памет, клавиатури, твърди дискове и др.) И извеждат резултатите от изчисленията (светодиоди, дисплеи, цифрово-аналогови) преобразуватели, принтери, плотери, комуникационни линии и др.). Така I / O подсистемата позволява на компютъра да комуникира с външния свят. Такива устройства също се наричат ​​периферни.
• Памет, в която се съхраняват команди (програма) и данни. Обикновено се състои от RAM (оперативна памет) и ROM (постоянна памет само за четене).

Микропроцесорът е интегрална схема, проектирана да работи като микрокомпютърно CPU.

Принцип на действие

Целта на микропроцесора е да прочете всяка команда от паметта, да я декодира и изпълни. Процесорът обработва данните съгласно инструкциите на програмата под формата на логически и аритметични операции. Информацията се извлича от паметта или идва от нея входни устройства и резултатът от обработката се съхранява в паметта или се доставя на съответното изходно устройство, както е посочено в инструкциите. Това са микропроцесорите. За да изпълните всички тези функции, те имат различни функционални блокове. Тази вътрешна или организационна структура на CPU, която определя нейната работа, се нарича нейната архитектура.

Типичната схема на микропроцесорно устройство е представена на вашето внимание на снимката по-долу.

автобус

Микрокомпютърът работи с двоичен код. Двоичната информация е представена от двоични цифри, наречени битове. Група бита образува машинна дума (техният брой зависи от конкретната реализация). Обичайните размери на думите са 4, 8, 12, 16, 32 и 64 бита. Байт и хапка представляват респективно набор от 8 и 4 бита.

Гумите свързват различни единици на устройството и им позволяват да обменят машинни думи. Те се изработват под формата на отделен проводник за всеки бит, което ви позволява да обменяте всички битове на машинната дума едновременно. Обработка на информация в CPU също се случва паралелно. По този начин автобусите могат да се разглеждат като линии за данни. Ширината им се определя от броя на техните сигнални линии. В адресната шина процесорът предава адреса на устройството за вход / изход или мястото на паметта, до което иска да получи достъп. Този адрес се приема от всички устройства, свързани към процесора. Но само този, на който е отправено искането, отговаря на него. Шината за данни се използва за изпращане и получаване на информация от входно-изходни устройства и памет, включително команди. Очевидно е, че е двупосочен, а адресът - еднопосочен. Контролната шина се използва за предаване и приемане на управляващи сигнали между микропроцесора и различните елементи на системата.

Аритметична логическа единица и вътрешни регистри

Това е комбинационна мрежа, която извършва логически и аритметични операции с данни.

Микропроцесорът обикновено включва редица регистри. Те се използват за временно съхраняване на команди, данни и адреси по време на изпълнение на програмата. Например микропроцесорът Intel 8085 има 8-битова батерия (Acc), 6 8-битови регистъра с общо предназначение (B, C, D, E, H и L), 8-битов регистър на командите (IR), който съхранява следващата изпълнимия файл. инструкция, 16-битов програмен брояч с адрес на следващата команда, който трябва да бъде избран от паметта в IR, 16-битов указател на стека, регистър на флаг, който сигнализира за определени условия, възникващи по време на изпълнението на логически и аритметични операции, и някои други специални регистри за вътрешни процеси и за които програмистът не е така.

декодер, контролно устройство и памет

Декриптира всяка команда и контролира външните и вътрешните блокове, като осигурява правилната логическа работа на системата.

За да се съхраняват инструкции, данни и резултати от изчисленията, се изискват устройства с полупроводникова памет. Програмата се записва в паметта, свързана с микропроцесора чрез адресната шина и шините за данни и управление (като I / O устройства).

интерфейс

Ако едно или повече I / O устройства трябва да бъдат свързани към централния процесор, тогава има нужда от подходящ интерфейс. Той изпълнява следните 4 функции:

• буфериране, необходимо за осигуряване на съвместимост на микропроцесора и периферните устройства;
• декодиране на адрес за избор на едно от няколко устройства, свързани към I / O системата;
• декодиращи команди, необходими за изпълнение на функции, различни от предаване на данни;
• синхронизиране и управление на всички горепосочени функции.

Предаване на информация

Обменът на данни, който се осъществява между периферното устройство и микрокомпютъра, се отнася или за прехвърлянето на програмата, или за директен достъп до паметта.

В първия случай, заредената програма изисква I / O системата прехвърляне на данни микропроцесор или извън него. По правило информацията постъпва в батерията, въпреки че могат да се включат и други вътрешни регистри. Прехвърлянето на програми обикновено се използва при изпращане на малко количество данни към сравнително бавни I / O устройства, например периферни множители, периферни ALU и т.н. В такива случаи прехвърлянето обикновено се извършва по дума.

Директният достъп до паметта или улавянето на цикъла се контролират периферно устройство. В този случай I / O системата принудително забавя работата на микропроцесора, докато прехвърлянето приключи. Тъй като процесът се контролира от хардуер, интерфейсът е по-сложен, отколкото се изисква за предаване на софтуерни данни. Използва се, когато трябва да изпратите голям блок информация, например от периферни устройства за съхранение, като например дискети и високоскоростен четец на карти.

Интерфейсни устройства

Налице е голям хардуер за разработване на потребителски интерфейси. Той включва мултиплексори и демултиплексори, линейни драйвери и приемници, буфери, стабилни и моностабилни мултивибратори, задействащи ключалки, преходни вериги, смяна на регистрите и т.н. Тези интерфейси могат да бъдат от общо или със специално предназначение.

Езици за програмиране

Тъй като компютърът може да съхранява и обработва информация в двоична форма, командите за предаване на машината трябва да са в двоичен формат. В тази форма програмата е машинен език.

В асемблерния език командите, включително местата за съхранение, са буквено-цифрови знаци, наречени мнемонични. В сравнение с машинния език, тяхното използване прави писането на програми много по-лесно. Въпреки това, ако програмата е написана на такъв език, тя трябва да бъде преведена в инструкции, които машината може да разбере, така че да могат да се съхраняват и изпълняват в микрокомпютър. По принцип една асемблерна команда се превежда в една машинна езикова команда.

Писането на програми на асемблер е много изморително и отнема много време. Ето защо езиците на високо ниво като Fortran, Cobol, Algol, Pascal станаха широко разпространени, които след това могат да бъдат преведени на езика на машината. В този случай един оператор обикновено отговаря на няколко инструкции на машинния език.

Набор от команди за микрокомпютър

Основните характеристики на микропроцесора се определят и от набора с инструкции. Обикновено се състои от 5 групи:

1. Група данни Тези команди помагат за прехвърляне на информация между регистрите в рамките на микропроцесора, между паметта и регистъра или клетките на паметта.
2. Аритметичната група ви позволява да добавяте, изваждате, увеличавате или намалявате данните в паметта или регистрите (например, добавете съдържанието на два регистъра на CPU).
3. Логическата група се използва за операции И, ИЛИ, ЕКСКЛУЗИВ ИЛИ, сравнение, циклично изместване, добавяне на данни в паметта или регистрите (например, за преминаване през схемата ИЛИ на съдържанието на два микропроцесорни регистри).
4. Групата разклонения включва безусловни и условни скокове, извикване на подпрограми и връщане от тях. Условните инструкции служат, за да се гарантира, че дадена операция се изпълнява само ако е изпълнено определено условие (например, ако искате да преминете към определена команда, когато резултатът от последното изчисление е нула). Те дават възможност на самата програма да взема решения.
5. Групата Stack, I / O и микропроцесорната контролна група предават данни между CPU и периферията, манипулират стека и променят флаговете на вътрешния контрол. Тези команди позволяват на програмиста да спре устройството, да го постави в неработно състояние, включи и изключи системата за прекъсване и т.н.

Инструкции, които се съхраняват с данни в паметта, могат да бъдат с дължина 1 или повече байта. Дългите команди се съхраняват в последователни места в паметта и адресът на първия байт винаги се използва като адрес на цялата команда. В допълнение, първият байт винаги е код на операцията.

Хронология на развитието

За това какви са микропроцесорите, светът научи през 1971 г., когато американската корпорация Intel за първи път обяви Intel 4004. Тя беше изпълнена на един чип и беше 4-битова (т.е. работеше едновременно с 4 бита за данни). Вдъхновен от успеха на 4004, Intel представи подобрена версия на Intel 4040. Много други компании също обявиха 4-битови микропроцесори. Например, Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 и Toshiba T3472. Първият 8-битов CPU е представен през 1973 г. от същата компания. Това беше Intel 8008, последван от подобрена версия на 8030. Няколко други производители го последваха. Най-известните 8-битови микропроцесори са Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National * SC / MP, Zilog Z80 и Fairchild F8.

После дойдоха 12-битовите и 16-битовите процесори. Примери за първите са IM 6100 Intersil и Toshiba T3190, а последните са Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 и 9980, Fairchild 9440, Motorola M68000, Zilog Z670,.

Промените в характеристиките на микропроцесора от 1971 г. насам са насочени към подобряване на архитектурата, набор от инструкции, увеличаване на скоростта, опростяване на енергийните изисквания и увеличаване на обема на паметта и входно-изходните съоръжения в един чип.

Първите видове микропроцесори (4004, 4040, 8008) са базирани на PMOS-технологията, която поради ограниченията на скоростта отстъпва на NMOS. Други технологии са CMOS, TTL, DTL, RTL.