Mikroprozessorsysteme

Der Einsatz von Mikroprozessorsystemen in nahezu allen elektrischen Geräten ist das wichtigste Merkmal der technischen Infrastruktur der modernen Gesellschaft. Elektrizitäts-, Industrie-, Transport- und Kommunikationssysteme sind in hohem Maße von Computersteuerungssystemen abhängig. Mikroprozessorsysteme sind in Messgeräten, elektrischen Geräten, Beleuchtungsanlagen usw. eingebettet.

All dies verpflichtet den Elektrotechniker dazu, zumindest die Grundlagen der Mikroprozessortechnik zu kennen.

Mikroprozessorsysteme sollen die Informationsverarbeitung automatisieren und verschiedene Prozesse steuern.

Der Begriff „Mikroprozessorsystem“ ist sehr weit gefasst und umfasst Begriffe wie „elektronische Rechenmaschine (ECM)“, „Steuerrechner“, „Computer“ und andere.

Das Mikroprozessorsystem umfasst Hardware oder auf Englisch – Hardware und Software (Software) – Software.

Digitale Informationen

Das Mikroprozessorsystem arbeitet mit digitalen Informationen, bei denen es sich um eine Reihe numerischer Codes handelt.

Das Herzstück jedes Mikroprozessorsystems ist ein Mikroprozessor, der nur Binärzahlen (bestehend aus Nullen und Einsen) akzeptieren kann.Binärzahlen werden mit dem binären Zahlensystem geschrieben. Im Alltag verwenden wir beispielsweise ein dezimales Zahlensystem, das zehn Zeichen oder Ziffern verwendet, um Zahlen zu schreiben, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dementsprechend gibt es im Binärsystem nur zwei solcher Symbole (oder Ziffern) – 0 und 1.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Zahlensystem nur die Regeln zum Schreiben von Zahlen darstellt und die Wahl des Systemtyps von der Benutzerfreundlichkeit abhängt. Die Wahl eines Binärsystems ist auf seine Einfachheit zurückzuführen, das heißt auf die Zuverlässigkeit digitaler Geräte und die einfache technische Umsetzung.

Betrachten Sie die Maßeinheiten digitaler Informationen:

Ein Bit (aus dem Englischen „BInary digiT“ – binäre Ziffer) nimmt nur zwei Werte an: 0 oder 1. Sie können den logischen Wert „ja“ oder „nein“, den Zustand „an“ oder „aus“, den Zustand „ offen» «oder»geschlossen«usw.

Eine Gruppe von acht Bits wird als Byte bezeichnet, zum Beispiel 10010111. Mit einem Byte können Sie 256 Werte kodieren: 00000000 – 0, 11111111 – 255.

Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit.

Byte – die kleinste Einheit der Informationsverarbeitung. Byte – Teil eines Maschinenworts, meist bestehend aus 8 Bits und als Einheit für die Informationsmenge bei der Speicherung, Übertragung und Verarbeitung auf einem Computer verwendet. Ein Byte dient zur Darstellung von Buchstaben, Silben und Sonderzeichen (die normalerweise alle 8 Bits belegen) oder Dezimalziffern (jeweils 2 Ziffern in 1 Byte).

Zwei aufeinanderfolgende Bytes werden als Wort bezeichnet, 4 Bytes als Doppelwort, 8 Bytes als Quadwort.

Fast alle Informationen, die uns umgeben, sind analog. Bevor die Informationen zur Verarbeitung in den Prozessor gelangen, werden sie daher mithilfe eines ADC (Analog-Digital-Wandler) umgewandelt.Darüber hinaus sind die Informationen in einem bestimmten Format kodiert und können digital, logisch, textuell (symbolisch), grafisch, video usw. sein.

Zum Kodieren von Textinformationen wird beispielsweise eine Tabelle mit ASCII-Codes (vom englischen American Standard Code for Information Interchange) verwendet. Ein Zeichen wird in ein Byte geschrieben, das 256 Werte annehmen kann. Grafische Informationen werden in Punkte (Pixel) unterteilt und die Farbe und Position jedes Punkts wird horizontal und vertikal codiert.

Zusätzlich zum Binär- und Dezimalsystem verwendet MS ein Hexadezimalsystem, in dem die Symbole 0 ... 9 und A ... F zum Schreiben von Zahlen verwendet werden. Seine Verwendung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass ein Byte durch eine Zwei beschrieben wird -stellige Hexadezimalzahl, die die Aufzeichnung des numerischen Codes erheblich reduziert und ihn besser lesbar macht (11111111 – FF).

Tabelle 1 – Zahlen in verschiedenen Zahlensystemen schreiben

Um den Wert der Zahl zu bestimmen (z. B. kann der Wert der Zahl 100 für verschiedene Zahlensysteme 42, 10010, 25616 sein), fügen Sie am Ende der Zahl einen lateinischen Buchstaben hinzu, der das Zahlensystem angibt: für Binärzahlen der Buchstabe b, für Hexadezimalzahlen – h, für Dezimalzahlen – d. Eine Zahl ohne zusätzliche Bezeichnung gilt als Dezimalzahl.

Durch die Konvertierung von Zahlen von einem System in ein anderes und grundlegende arithmetische und logische Operationen mit Zahlen können Sie einen technischen Taschenrechner erstellen (Standardanwendung des Windows-Betriebssystems).

Aufbau eines Mikroprozessorsystems

Das Mikroprozessorsystem basiert auf einem Mikroprozessor (Prozessor), der Informationsverarbeitungs- und Steuerungsfunktionen ausführt. Die übrigen Geräte, aus denen das Mikroprozessorsystem besteht, dienen dem Prozessor, indem sie ihn bei der Arbeit unterstützen.

Obligatorische Geräte zum Aufbau eines Mikroprozessorsystems sind Ein-/Ausgabeports und teilweise Speicher... Eingabe-Ausgabe-Ports verbinden den Prozessor mit der Außenwelt, indem sie Informationen zur Verarbeitung bereitstellen und die Ergebnisse von Verarbeitungs- oder Steueraktionen ausgeben. An die Eingabeanschlüsse werden Tasten (Tastatur) und diverse Sensoren angeschlossen; zu Ausgangsanschlüssen – Geräte, die eine elektrische Steuerung ermöglichen: Anzeigen, Displays, Schütze, Magnetventile, Elektromotoren usw.

Speicher wird in erster Linie zum Speichern eines Programms (oder einer Reihe von Programmen) benötigt, das für den Betrieb des Prozessors erforderlich ist. Ein Programm ist eine Folge von Befehlen, die der Prozessor versteht und die von einem Menschen (normalerweise einem Programmierer) geschrieben wurden.

Der Aufbau eines Mikroprozessorsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Vereinfacht besteht der Prozessor aus einer Arithmetik-Logik-Einheit (ALU), die digitale Informationen verarbeitet, und einer Steuereinheit (CU).

Zu den Speicherarten gehören typischerweise Festwertspeicher (ROM), der nichtflüchtig ist und für die langfristige Speicherung von Informationen (z. B. Programmen) gedacht ist, und Direktzugriffsspeicher (RAM), der für die temporäre Datenspeicherung gedacht ist.

Abbildung 1 – Die Struktur des Mikroprozessorsystems

Prozessor, Ports und Speicher kommunizieren über Busse miteinander. Ein Bus ist eine Reihe von Leitungen, die funktionell miteinander verbunden sind. Ein einzelner Satz von Systembussen wird als Intrasystembus bezeichnet und umfasst Folgendes:

• DB-Datenbus (Data Bus), über den Daten zwischen Prozessor, Speicher und Ports ausgetauscht werden;

• Adressbus AB (Address Bus), der zum Adressieren der Speicherzellen und Ports des Prozessors verwendet wird;

• Steuerbus CB (Control Bus), eine Reihe von Leitungen, die verschiedene Steuersignale vom Prozessor an externe Geräte und umgekehrt übertragen.

Mikroprozessoren

Mikroprozessor – ein softwaregesteuertes Gerät zur Verarbeitung digitaler Informationen und zur Steuerung des Verarbeitungsprozesses, hergestellt in Form eines (oder mehrerer) integrierten Schaltkreise mit einem hohen Integrationsgrad elektronischer Elemente.

Ein Mikroprozessor zeichnet sich durch eine Vielzahl von Parametern aus, da es sich sowohl um ein komplexes softwaregesteuertes Gerät als auch um ein elektronisches Gerät (Mikroschaltung) handelt. Daher gilt für einen Mikroprozessor sowohl der Gehäusetyp als auch der Befehlssatz für den Prozessor. Die Fähigkeiten eines Mikroprozessors werden durch das Konzept der Mikroprozessorarchitektur definiert.

Das Präfix „micro“ im Namen des Prozessors bedeutet, dass dieser in Mikron-Technologie implementiert ist.

Abbildung 2 – Außenansicht des Intel Pentium 4 Mikroprozessors

Im Betrieb liest der Mikroprozessor Programmbefehle aus dem Speicher oder einem Eingabeport und führt sie aus. Was jeder Befehl bedeutet, wird durch den Befehlssatz des Prozessors bestimmt. Der Befehlssatz ist in die Architektur des Mikroprozessors integriert, und die Ausführung des Befehlscodes drückt sich in der Ausführung bestimmter Mikrooperationen durch die internen Elemente des Prozessors aus.

Mikroprozessorarchitektur – das ist ihre logische Organisation; Es definiert die Fähigkeiten des Mikroprozessors in Bezug auf die Hardware- und Software-Implementierung der zum Aufbau eines Mikroprozessorsystems erforderlichen Funktionen.

Hauptmerkmale von Mikroprozessoren:

1) Taktfrequenz (Maßeinheit MHz oder GHz) – die Anzahl der Taktimpulse pro Sekunde.Die Taktimpulse werden von einem Taktgenerator erzeugt, der sich meist im Inneren des Prozessors befindet. Da alle Operationen (Anweisungen) in Taktzyklen ausgeführt werden, hängt die Arbeitsleistung (die Anzahl der pro Zeiteinheit ausgeführten Operationen) von der Taktfrequenz ab. Die Prozessorfrequenz kann in gewissen Grenzen variieren.

2) Bitprozessor (8, 16, 32, 64 Bit usw.) – gibt die Anzahl der Datenbytes an, die in einem Taktzyklus verarbeitet werden. Die Bitbreite eines Prozessors wird durch die Bitbreite seiner internen Register bestimmt. Ein Prozessor kann 8-Bit, 16-Bit, 32-Bit, 64-Bit usw. sein, d. h. Daten werden in Blöcken von 1, 2, 4, 8 Byte verarbeitet. Es ist klar, dass die Arbeitsproduktivität umso höher ist, je größer die Bohrtiefe ist.

Interne Architektur des Mikroprozessors

Eine vereinfachte interne Architektur eines typischen 8-Bit-Mikroprozessors ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Struktur des Mikroprozessors kann in drei Hauptteile unterteilt werden:

1) Register zur temporären Speicherung von Befehlen, Daten und Adressen;

2) Arithmetische Logikeinheit (ALU), die arithmetische und logische Operationen ausführt;

3) Steuer- und Zeitschaltung – sorgt für die Befehlsauswahl, organisiert den Betrieb der ALU, bietet Zugriff auf alle Mikroprozessorregister, nimmt externe Steuersignale wahr und erzeugt sie.

Abbildung 3 – Vereinfachte interne Architektur eines 8-Bit-Mikroprozessors

Wie Sie dem Diagramm entnehmen können, basiert der Prozessor auf Registern, die in Spezialregister (mit einem bestimmten Zweck) und Universalregister unterteilt sind.

Programmzähler (Computer) – ein Register, das die Adresse des nächsten Befehlsbytes enthält. Der Prozessor muss wissen, welcher Befehl als nächstes ausgeführt wird.

Batterie – ein Register, das in den meisten Anweisungen für die logische und arithmetische Verarbeitung verwendet wird; Es ist sowohl die Quelle eines der Datenbytes, die für die ALU-Operation erforderlich sind, als auch der Ort, an dem das Ergebnis der ALU-Operation platziert wird.

Ein Funktionsregister (oder Flagregister) enthält Informationen über den internen Zustand des Mikroprozessors, insbesondere das Ergebnis der letzten ALU-Operation. Ein Flag-Register ist kein Register im üblichen Sinne, sondern lediglich eine Reihe von Flip-Flops (Flag hoch oder runter. Normalerweise gibt es Null-, Überlauf-, Negativ- und Übertragsflags).

Stapelzeiger (SP) – verfolgt die Position des Stapels, d. h. er enthält die Adresse der zuletzt verwendeten Zelle. Stack – eine Möglichkeit, die Datenspeicherung zu organisieren.

Ein Befehlsregister enthält das aktuelle Befehlsbyte, das vom Befehlsdecoder dekodiert wird.

Die externen Busleitungen sind durch Puffer von den internen Busleitungen isoliert und die wichtigsten internen Elemente sind über einen internen Hochgeschwindigkeitsdatenbus verbunden.

Um die Leistung eines Multiprozessorsystems zu verbessern, können die Funktionen des Zentralprozessors auf mehrere Prozessoren verteilt werden. Um den Zentralprozessor zu unterstützen, werden im Computer häufig Coprozessoren eingesetzt, die sich auf die effiziente Ausführung bestimmter Funktionen konzentrieren. Mathematische und grafische Koprozessoren sind weit verbreitet, Ein- und Ausgabe entlasten den Zentralprozessor von einfachen, aber zahlreichen Interaktionsvorgängen mit externen Geräten.

Die Hauptrichtung der Produktivitätssteigerung liegt derzeit in der Entwicklung von Multicore-Prozessoren, d.h. Kombination von zwei oder mehr Prozessoren in einem Gehäuse, um mehrere Vorgänge parallel (gleichzeitig) auszuführen.

Intel und AMD sind die führenden Unternehmen für die Entwicklung und Herstellung von Prozessoren.

Mikroprozessorsystemalgorithmus

Algorithmus – eine präzise Vorschrift, die den Prozess der Umwandlung der Ausgangsinformationen in eine Abfolge von Operationen eindeutig festlegt, die es ermöglichen, eine Reihe von Aufgaben einer bestimmten Klasse zu lösen und das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Das Hauptsteuerelement des gesamten Mikroprozessorsystems ist ein Prozessor... Er steuert bis auf wenige Sonderfälle alle anderen Geräte. Die restlichen Geräte wie RAM, ROM und I/O-Ports sind untergeordnet.

Sobald er eingeschaltet ist, beginnt der Prozessor, digitale Codes aus dem Speicherbereich zu lesen, der für die Speicherung von Programmen reserviert ist. Das Lesen erfolgt nacheinander Zelle für Zelle, beginnend mit der allerersten. Eine Zelle enthält Daten, Adressen und Befehle. Eine Anweisung ist eine der elementaren Aktionen, die ein Mikroprozessor ausführen kann. Die gesamte Arbeit des Mikroprozessors beschränkt sich auf das sequentielle Lesen und Ausführen von Befehlen.

Betrachten Sie die Abfolge der Aktionen des Mikroprozessors bei der Ausführung von Programmbefehlen:

1) Bevor der nächste Befehl ausgeführt wird, speichert der Mikroprozessor seine Adresse im Computerprogrammzähler.

2) Der MP greift unter der im Computer enthaltenen Adresse auf den Speicher zu und liest aus dem Speicher das erste Byte des nächsten Befehls im Befehlsregister.

3) Der Befehlsdecoder dekodiert (entschlüsselt) den Befehlscode.

4) In Übereinstimmung mit den vom Decoder empfangenen Informationen generiert die Steuereinheit eine zeitlich geordnete Folge von Mikrooperationen, die die Befehlsanweisungen ausführen, einschließlich:

– ruft Operanden aus Registern und Speicher ab;

— führt arithmetische, logische oder andere Operationen an ihnen aus, wie im Befehlscode vorgeschrieben;

— ändert je nach Länge des Befehls den Inhalt des Computers;

– Übergibt die Kontrolle an den nächsten Befehl, dessen Adresse sich wieder im Computerprogrammzähler befindet.

Der Befehlssatz für einen Mikroprozessor lässt sich in drei Gruppen einteilen:

1) Befehle zum Verschieben von Daten

Die Übertragung erfolgt zwischen Speicher, Prozessor, I/O-Ports (jeder Port hat seine eigene Adresse), zwischen Prozessorregistern.

2) Datentransformationsbefehle

Alle Daten (Text, Bild, Video usw.) sind Zahlen, und mit Zahlen können nur arithmetische und logische Operationen ausgeführt werden. Daher umfassen die Befehle dieser Gruppe Addition, Subtraktion, Vergleich, logische Operationen usw.

3) Übergabe des Steuerbefehls

Es kommt sehr selten vor, dass ein Programm aus einer einzigen sequentiellen Anweisung besteht. Die meisten Algorithmen erfordern eine Programmverzweigung. Damit das Programm seinen Arbeitsalgorithmus je nach Bedingung ändern kann, werden Steuerübertragungsbefehle verwendet. Diese Befehle stellen den Ablauf der Programmausführung entlang verschiedener Pfade sicher und organisieren Schleifen.

Externe Geräte

Zu den externen Geräten zählen alle Geräte, die außerhalb des Prozessors liegen (außer RAM) und über I/O-Ports verbunden sind. Externe Geräte können in drei Gruppen eingeteilt werden:

1) Mensch-Computer-Kommunikationsgeräte (Tastatur, Monitor, Drucker usw.);

2) Geräte zur Kommunikation mit Steuerobjekten (Sensoren, Aktoren, ADC und DAC);

3) externe Speichergeräte mit großer Kapazität (Festplatte, Disketten).

Externe Geräte werden physisch – über Anschlüsse und logisch – über Ports (Controller) mit dem Mikroprozessorsystem verbunden.

Ein Interrupt-System (Mechanismus) wird als Schnittstelle zwischen dem Prozessor und externen Geräten verwendet.

System unterbrechen

Dies ist ein spezieller Mechanismus, der es ermöglicht, den Prozessor jederzeit durch ein externes Signal zu zwingen, die Ausführung des Hauptprogramms zu stoppen, Vorgänge im Zusammenhang mit dem Ereignis auszuführen, das die Unterbrechung verursacht hat, und dann zur Ausführung des Hauptprogramms zurückzukehren .

Jeder Mikroprozessor verfügt über mindestens einen Interrupt-Anforderungseingang INT (vom Wort Interrupt).

Betrachten wir ein Beispiel für die Interaktion eines Personalcomputerprozessors mit einer Tastatur (Abbildung 4).

Tastatur – ein Gerät zur Eingabe symbolischer Informationen und Steuerbefehle. Zum Anschluss der Tastatur verfügt der Computer über einen speziellen Tastaturanschluss (Chip).

Abbildung 4 – CPU-Bedienung mit der Tastatur

Arbeitsalgorithmus:

1) Wenn eine Taste gedrückt wird, generiert der Tastaturcontroller einen numerischen Code. Dieses Signal geht an den Tastatur-Port-Chip.

2) Der Tastatur-Port sendet ein Interrupt-Signal an die CPU. Jedes externe Gerät verfügt über eine eigene Interrupt-Nummer, an der der Prozessor es erkennt.

3) Nach Erhalt eines Interrupts von der Tastatur unterbricht der Prozessor die Ausführung des Programms (z. B. des Microsoft Office Word-Editors) und lädt das Programm zur Verarbeitung von Tastaturcodes aus dem Speicher. Ein solches Programm wird Treiber genannt.

4) Dieses Programm leitet den Prozessor an den Tastaturanschluss und der numerische Code wird in das Prozessorregister geladen.

5) Der digitale Code wird im Speicher gespeichert und der Prozessor führt weiterhin eine andere Aufgabe aus.

Aufgrund der hohen Arbeitsgeschwindigkeit führt der Prozessor eine große Anzahl von Prozessen gleichzeitig aus.