Što su mikroprocesori? Uređaj, imenovanje, glavna obilježja

Što je mikroprocesor, danas svi znaju. To je jedna od najzanimljivijih tehnoloških inovacija u elektronici od nastanka tranzistora 1948. godine. Wonder uređaji ne samo da su započeli revoluciju u digitalnoj elektronici, već su i prodrli u gotovo sve sfere ljudskog života. Koriste se u složenim kontrolerima, dispečerskoj kontrolnoj opremi, jednostavnim igračkim strojevima, pa čak i igračkama.

Što su mikroprocesori?

Računalo koje je veliko i nije vrlo funkcionalno (u pojednostavljenom obliku) može biti predstavljeno u obliku dijagrama toka koji se sastoji od tri glavna dijela:

• Središnja procesorska jedinica (CPU) koja obavlja potrebne logičke i aritmetičke operacije pomoću registara (mikroprocesorska memorija) i kontrolira sinkronizaciju i cjelokupno djelovanje cijelog sustava.
• I / O uređaji koji služe za unošenje podataka u CPU (to su prekidači, analogno-digitalni pretvarači, čitači memorijskih kartica, tipkovnice, pogoni tvrdih diskova itd.) I ispisuju rezultate izračuna (LED-ovi, zasloni, digitalno-analogni pretvarači, pisači, crtači, komunikacijski vodovi itd.). Tako I / O podsustav omogućuje računalu da komunicira s vanjskim svijetom. Takvi se uređaji nazivaju i periferni.
• Memorija u kojoj su pohranjene naredbe (programi) i podaci. Obično se sastoji od RAM-a (memorija s izravnim pristupom) i ROM-a (trajna memorija samo za čitanje).

Mikroprocesor je integrirani krug dizajniran za rad kao mikroračunalo.

Načelo djelovanja

Svrha mikroprocesora je čitanje svake naredbe iz memorije, njezino dekodiranje i izvršavanje. CPU obrađuje podatke u skladu s uputama programa u obliku logičkih i aritmetičkih operacija. Informacije se dobivaju iz memorije ili dolaze iz njih ulaznih uređaja i rezultat obrade je pohranjen u memoriji ili isporučen na odgovarajući izlazni uređaj kao što je navedeno u uputama. To su mikroprocesori. Za izvršavanje svih ovih funkcija, oni imaju različite funkcionalne blokove. Ta unutarnja ili organizacijska struktura CPU-a, koja određuje njen rad, naziva se njezinom arhitekturom.

Na donjoj slici prikazana je tipična shema mikroprocesorskog uređaja.

autobus

Mikroračunalo radi s binarnim kodom. Binarne informacije predstavljaju binarne znamenke koje se nazivaju bitovi. Grupa bitova tvori strojnu riječ (njihov broj ovisi o specifičnoj implementaciji). Uobičajene veličine riječi su 4, 8, 12, 16, 32 i 64 bita. Bajt i grickanje predstavljaju skup od 8 i 4 bita.

Gume spajaju različite jedinice uređaja i omogućuju im razmjenu strojnih riječi. Izrađuju se u obliku zasebne žice za svaki bit, što vam omogućuje da razmjenite sve bitove strojne riječi u isto vrijeme. Obrada podataka u CPU također se javlja paralelno. Stoga se autobusi mogu smatrati podatkovnim linijama. Njihova širina određena je brojem njihovih signalnih linija. Na adresnoj sabirnici, CPU šalje adresu ulaza / izlaza ili memorijske lokacije kojoj želi pristupiti. Ovu adresu prihvaćaju svi uređaji povezani s procesorom. Ali samo onaj na koji je zahtjev upućen odgovara na njega. Podatkovna sabirnica koristi se za slanje i primanje informacija iz ulazno-izlaznih uređaja i memorije, uključujući naredbe. Očito je dvosmjerno, a adresa jednosmjerna. Upravljačka sabirnica se koristi za prijenos i primanje upravljačkih signala između mikroprocesora i različitih elemenata sustava.

Aritmetička logička jedinica i interni registri

To je kombinacijska mreža koja obavlja logičke i aritmetičke operacije na podacima.

Mikroprocesor obično uključuje više registara. Koriste se za privremeno spremanje naredbi, podataka i adresa tijekom izvršavanja programa. Na primjer, mikroprocesor Intel 8085 ima 8-bitnu bateriju (Acc), 6 8-bitnih registara opće namjene (B, C, D, E, H i L), 8-bitni registar naredbi (IR) koji pohranjuje sljedeću izvršnu datoteku instrukcija, 16-bitni programski brojač s adresom sljedeće naredbe koja se bira iz memorije u IR-u, 16-bitni stack pointer, registar zastavica koji signalizira određene uvjete koji se pojavljuju za vrijeme izvođenja logičkih i aritmetičkih operacija, i neke druge posebne registre za unutarnje procese a na koje programer nije.

dekodera upravljačke jedinice i memorije

Dešifrira svaku naredbu i kontrolira vanjske i unutarnje blokove, osiguravajući ispravnu logičku operaciju sustava.

Za pohranjivanje uputa, podataka i rezultata proračuna potrebni su poluvodički memorijski uređaji. Program se upisuje u memoriju spojenu s mikroprocesorom preko adresne sabirnice i podatkovnih i kontrolnih sabirnica (kao što su I / O uređaji).

sučelje

Ako jedan ili više U / I uređaja moraju biti spojeni na CPU, onda postoji potreba za odgovarajućim sučeljem. Obavlja sljedeće 4 funkcije:

• puferiranje potrebno kako bi se osigurala kompatibilnost mikroprocesora i perifernih uređaja;
• dekodiranje adrese za odabir jednog od više uređaja spojenih na I / O sustav;
• dekodiranje naredbi koje su potrebne za izvođenje funkcija koje nisu prijenos podataka;
• sinkronizacija i upravljanje svim gore navedenim funkcijama.

Prijenos informacija

Razmjena podataka koja se odvija između perifernog uređaja i mikroračunala odnosi se ili na njihov prijenos programa ili na izravan pristup memoriji.

U prvom slučaju, učitani program zahtijeva I / O sustav prijenos podataka mikroprocesora ili izvan njega. Informacije u pravilu ulaze u bateriju, iako mogu biti uključeni i drugi interni registri. Prijenos programa se obično koristi kod slanja male količine podataka relativno sporo I / O uređajima, na primjer, periferni množitelj, periferna ALU, itd. U takvim slučajevima, prijenos se obično obavlja riječ po riječ.

Kontrolira se izravan pristup memoriji ili hvatanje petlje periferni uređaj. U tom slučaju, I / O sustav prisilno odgađa rad mikroprocesora dok se prijenos ne dovrši. Budući da se proces kontrolira hardverom, sučelje je složenije nego što je potrebno za prijenos podataka softvera. Koristi se kada trebate poslati veliki blok informacija, na primjer, iz periferne memorije, kao što su diskete i čitač kartica velike brzine.

Uređaji sučelja

Dostupan je opsežan hardver za razvoj korisničkih sučelja. To uključuje multipleksore i demultipleksere, linijske pogone i prijemnike, odbojnike, stabilne i monostabilne multivibratore, kvačice okidača, krugove vrata, registre pomaka itd. Postoje i složenija programabilna sučelja čije se funkcije mogu mijenjati mikroprocesorskim naredbama. Ta sučelja mogu biti opće ili posebne namjene.

Programski jezici

Budući da računalo može pohranjivati ​​i obrađivati ​​informacije u binarnom obliku, naredbe za slanje na stroj moraju biti u binarnom formatu. U ovom obliku program je strojni jezik.

U asemblerskom jeziku, naredbe, uključujući mjesta pohrane, su alfanumerički znakovi koji se nazivaju mnemonički. U usporedbi s strojnim jezikom, njihovo korištenje olakšava pisanje programa. Međutim, ako je program napisan na takav mnemonički jezik, on mora biti preveden u upute koje stroj može razumjeti, tako da se mogu pohraniti i izvršiti u mikroračunalu. U osnovi, jedna naredba za asembler se prevodi u jednu naredbu strojnog jezika.

Pisanje programa na asemblerskom jeziku je vrlo zamorno i dugotrajno. Stoga su jezici na visokoj razini kao što su Fortran, Kobol, Algol, Pascal postali široko rasprostranjeni, koji se zatim mogu prevesti na jezik stroja. U ovom slučaju, jedan operater obično odgovara nekoliko uputa strojnog jezika.

Skup naredbi za mikroračunalo

Glavna obilježja mikroprocesora također su određena skupom instrukcija. Obično se sastoji od 5 grupa:

1. Skupina podataka Ove naredbe pomažu u prijenosu informacija između registara unutar mikroprocesora, između memorije i registarskih ili memorijskih ćelija.
2. Aritmetička skupina omogućuje dodavanje, oduzimanje, povećanje ili smanjenje podataka u memoriji ili registrima (na primjer, zbrojiti sadržaj dvaju CPU registara).
3. Logička grupa se koristi za operacije AND, OR, EXCLUSIVE OR, usporedbu, ciklički pomak, dodavanje podataka u memoriju ili registre (na primjer, za prolazak kroz krug OR sadržaja dva registra mikroprocesora).
4. Grupa grana uključuje bezuvjetne i uvjetne skokove, pozivanje potprograma i povratak iz njih. Uvjetne upute služe kako bi se osiguralo da se određena operacija izvodi samo ako je zadovoljen određeni uvjet (na primjer, ako želite ići na određenu naredbu, kada je rezultat posljednjeg izračuna nula). Oni pružaju mogućnost samom programu da donosi odluke.
5. Kontrolna grupa stog, I / O i mikroprocesora prenosi podatke između CPU-a i periferije, manipulira stogom i mijenja zastavice unutarnje kontrole. Ove naredbe omogućuju programeru da zaustavi uređaj, stavi ga u stanje bez rada, uključi i isključi sustav prekida i tako dalje.

Upute koje su pohranjene s podacima u memoriji mogu biti duljine 1 ili više bajtova. Duge naredbe pohranjuju se u uzastopnim memorijskim lokacijama, a adresa prvog bajta uvijek se koristi kao adresa cijele naredbe. Osim toga, prvi bajt je uvijek opcode.

Kronologija razvoja

O tome što su mikroprocesori, svijet je naučio 1971. godine, kada je američka korporacija Intel prvi put objavila Intel 4004. Izvršena je na jednom čipu i bila je 4-bitna (to jest, radila je istodobno s 4 podatkovna bita). Inspiriran uspjehom modela 4004, Intel je predstavio poboljšanu verziju Intel 4040. Mnoge druge tvrtke također su najavile 4-bitne mikroprocesore. Na primjer, Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 i Toshiba T3472. Prvi 8-bitni CPU uveden je 1973. od strane iste tvrtke. To je bio Intel 8008, nakon čega je uslijedila poboljšana verzija 8030. Nekoliko drugih proizvođača slijedilo je primjer. Najpoznatiji 8-bitni mikroprocesori su Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National * SC / MP, Zilog Z80 i Fairchild F8.

Zatim su došli 12-bitni i 16-bitni procesori. Primjeri prvih su IM 6100 Intersil i Toshiba T3190, a drugi su Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 i 9980, Fairchild 9440, Motorola M68000, Zilog Z670,.

Promjene u karakteristikama mikroprocesora od 1971. godine bile su usmjerene na poboljšanje arhitekture, skupa instrukcija, povećanje brzine, pojednostavljenje zahtjeva za energijom i povećanje količine memorije i ulazno-izlaznih uređaja u jednom čipu.

Prvi tipovi mikroprocesora (4004, 4040, 8008) bili su temeljeni na PMOS tehnologiji, koja je zbog ograničenja brzine ustupila mjesto NMOS-u. Ostale tehnologije su CMOS, TTL, DTL, RTL.