Какво представляват микропроцесорите Устройство, предназначение, основни характеристики

Всеки знае какво представляват микропроцесорите днес. Това е една от най-интересните технологични иновации в електрониката след появата на транзистора през 1948 г. Устройствата Miracle не само започнаха революция в областта на цифровата електроника, но и навлязоха в почти всички сфери на човешкия живот. Те се използват в най-сложните контролери за управление, оборудване за контролно управление, в прости игрални машини и дори играчки.

Какво представляват микропроцесорите?

Компютър, голям и малък, функционално (в опростена форма) може да бъде представен като блокова схема, състояща се от три основни части:

Централен процесор (CPU), който изпълнява необходимите логически и аритметични операции, използвайки регистри (памет на микропроцесора) и контролира времето и цялостната работа на цялата система.
I/O устройства, които доставят данни на процесора (те включват превключватели, аналогово-цифрови преобразуватели, четци на карти с памет, клавиатури, твърди дискове и т.н.) и извеждат резултатите от изчисленията (светодиоди, дисплеи, цифрово-аналогови преобразуватели, принтери, плотери, комуникационни линии и т.н.). Така входно-изходната подсистема позволява на компютъра да комуникира с външния свят. Такива устройства се наричат още периферни устройства.
Памет, която съхранява инструкции (програма) и данни. Обикновено се състои от RAM (памет с произволен достъп) и ROM (памет само за четене).

Микропроцесорът е интегрална схема, проектирана да действа като централен процесор на микрокомпютър.

Принцип на действие

Целта на микропроцесора е да чете всекикоманди от паметта, тяхното декодиране и изпълнение. Централният процесор обработва данни според програмни инструкции под формата на логически и аритметични операции. Информацията се извлича от паметта или входното устройство и резултатът от обработката се съхранява в паметта или се доставя на съответното изходно устройство, както е посочено в командите. Това са микропроцесорите. За да изпълняват всички тези функции, те имат различни функционални блокове. Тази вътрешна или организационна структура на процесора, която определя неговата работа, се нарича негова архитектура.

Типична диаграма на микропроцесорно устройство е представена на вашето внимание на снимката по-долу.

Микрокомпютърът работи с двоичен код. Двоичната информация се представя от двоични цифри, наречени битове. Група битове образуват машинна дума (броят им зависи от конкретната реализация). Обичайните размери на думата са 4, 8, 12, 16, 32 и 64 бита. Байт и нибъл са набор от съответно 8 и 4 бита.

Аритметично логическо устройство и вътрешни регистри

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

Декодер, блок за управление и памет

Дешифрира всяка команда и управлява външните и вътрешните тела, осигурявайки правилната логическа работа на системата.

Ако едно или повече I/O устройства трябва да бъдат свързани към процесора, тогава е необходим подходящ интерфейс. Той изпълнява следните 4 функции:

Трансфер на информация

Обменът на данни, който се извършва между периферно устройство и микрокомпютър, се отнася или до техния софтуерен трансфер, или до директен достъп до паметта.

В първия случай зареденпрограмата изисква I/O системата да прехвърли данни към или от микропроцесора. Обикновено информацията влиза в акумулатора, въпреки че могат да бъдат включени и други вътрешни регистри. Мекото прехвърляне обикновено се използва при прехвърляне на малко количество данни с относително бавни I/O устройства, като периферен умножител, периферно ALU и т.н. В такива случаи прехвърлянето обикновено се извършва дума по дума.

Директният достъп до паметта или улавянето на цикъл се контролира от периферното 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 от необходимия за софтуерни трансфери. Използва се, когато е необходимо да се изпрати голям блок информация, например от такива периферни хранилища като флопи дискове и високоскоростен четец на карти.

Интерфейсни устройства

Наличен е богат хардуер за разработване на потребителски интерфейси. Включва мултиплексори и демултиплексори, линейни драйвери и приемници, буфери, стабилни и моностабилни мултивибратори, ключалки, вериги на порти, регистри за преместване и др. Има и по-сложни програмируеми интерфейси, чиито функции могат да се променят чрез команда на микропроцесор. Тези интерфейси могат да бъдат с общо или специално предназначение.

Програмни езици

Тъй като компютърът може да съхранява и обработва информация в двоична форма, командите, които трябва да бъдат дадени на машина, трябва да бъдат в двоична форма. В този си вид програмата е машинен език.

В асемблерния език инструкциите, включително местата за съхранение, са представени от буквено-цифрови знаци, наречени мнемоника. отВ сравнение с машинния език, тяхното използване значително улеснява писането на програми. Ако обаче програмата е написана на такъв мнемоничен език, тя трябва да бъде преведена в машинночетими инструкции, така че да могат да се съхраняват и изпълняват в микрокомпютър. По принцип една инструкция на асемблер се превежда в една инструкция на машинен език.

Писането на програми на асемблер е много досадно и отнема много време. Следователно езиците на високо ниво като Fortran, Cobol, Algol, Pascal, които след това могат да бъдат преведени на машинен език, станаха широко разпространени. В този случай един оператор обикновено съответства на няколко инструкции на машинен език.

Набор от инструкции за микрокомпютър

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

Група за пренос на данни. Тези инструкции помагат за преместване на информация между регистрите в микропроцесора, между паметта и регистъра или клетките на паметта.
Аритметичната група ви позволява да добавяте, изваждате, увеличавате или намалявате данни в паметта или регистрите (например добавяне на съдържанието на два регистъра на процесора).
Логическата група се използва за операции И, ИЛИ, ИЗКЛЮЧВАЩО ИЛИ, сравнение, циклично изместване, добавяне на данни в паметта или регистрите (например за предаване на съдържанието на два регистъра на микропроцесора през веригата ИЛИ).
Групата разклонения включва безусловни и условни скокове, извикване и връщане от подпрограми. Условните изрази се използват, за да се гарантира, че определена операция се изпълнява само ако е изпълнено определено условие (например, ако искате да преминете към конкретна команда, когато резултатът от последното изчисление е нула). Те дават възможностпрограма за вземане на собствени решения.
Групата Stack, I/O и Microprocessor Control извършва трансфер на данни между процесора и периферните устройства, манипулира стека и променя флаговете за вътрешно управление. Тези команди позволяват на програмиста да спре устройството, да го деактивира, да активира и деактивира системата за прекъсване и т.н.

График на развитие

Светът научи за микропроцесорите през 1971 г., когато американската корпорация Intel за първи път обяви Intel 4004. Той беше направен на един чип и беше 4-битов (т.е. работеше едновременно с 4 бита данни). Окуражени 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 процесор е представен през 1973 г. от същата компания. Това беше Intel 8008, последван от подобрена версия на 8030. Няколко други производители последваха примера. Най-известните 8-битови микропроцесори са Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National *SC/MP, Zilog Z80 и Fairchild F8.

След това дойдоха 12- и 16-битови процесори. Примери за първите са IM 6100 Intersil и Toshiba T3190, а за вторите 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, набора от инструкции, увеличаване на скоростта, опростяване на изискванията за захранване и увеличаване на количеството памет и I / O в един чип.

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