Какво представляват микропроцесорите, днес всеки знае. Това е едно от най-интересните технологични нововъведения в електрониката от появата на транзистора през 1948 година. Чудодейните устройства не само започнаха революция в областта на дигиталната електроника, но и проникнаха в почти всички сфери на човешкия живот. Използват се в сложни контролни контролери, диспечерски контролни уреди, в прости игрални машини и дори играчки.
Какво представляват микропроцесорите?
Компютър, голям и не много функционален (в опростена форма), може да бъде представен като блок-схема, състояща се от три основни части:
централен процесор (CPU), който изпълнява необходимата логика и аритметична операции, използване на регистри (микропроцесорна памет) и контрол на синхронизацията и сътрудничеството на цялата система.
I /O устройства, които служат за предоставяне на данни към централния процесор (те включват ключове, аналогово-цифрови преобразуватели, четци на карти с памет, клавиатури, твърди дискове и др.) И изход 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 устройства.
Памет, в която се съхраняват командите (програмата) и данните. Обикновено се състои от RAM (оперативна памет) и ROM (постоянен, предназначен само зачетене).
Микропроцесорът е интегрална схема, предназначена да работи като CPU на микрокомпютър.
Принцип на действие
Целта на микропроцесора е да прочете всяка команда от паметта, нейното декодиране и изпълнение. Процесорът обработва данните в съответствие с програмните инструкции под формата на логически и аритметични операции. Информацията се извлича от паметта или идва от входното устройство, а 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 тези функции, те имат различни функционални блокове. Такава вътрешна или организационна структура на CPU, която определя нейната работа, се нарича нейната архитектура.
На долната снимка е представена типична електрическа схема на микропроцесорно устройство.
Гуми
Микрокомпютърът работи с двоичен код. Двоичната информация е представена от двоични цифри, наречени битове. Група бита образува машинна дума (техният брой зависи от конкретна реализация). Общите думи с размер са 4812 1632 и 64 бита. Байт и полубайт представляват набор от 8 и 4 бита съответно. Гумите свързват различни единици на устройството и им позволяват да обменят машинни думи. Те се изработват като отделен проводник за всеки бит, което ви позволява да разменяте всички цифри на машинната дума едновременно. Обработката на информацията в процесора също се извършва паралелно. По този начин гумите могат да се разглеждат като преносни линии. Тяхната ширина се определя от броя на компонентите на тяхното сигнализиранелинии. Чрез адресиране на шината процесорът предава адреса на I /O устройството или клетката на паметта, към която иска достъп. Този адрес се приема от всички устройства, свързани към процесора. Но само лицето, на което е отправено искането, реагира на него. Шината за данни служи за изпращане и получаване на информация от входно /изходни устройства и памет, включително команди. Очевидно е, че е двупосочен и адресът е еднопосочен. Контролната шина се използва за предаване и приемане на управляващи сигнали между микропроцесора и различните елементи на системата.
Аритметично логическо устройство и вътрешни регистри
е комбинирана мрежа, която изпълнява всички логически и аритметични операции над данните. Микропроцесорът обикновено включва редица регистри. Те се използват за временно съхраняване на команди, данни и адреси по време на изпълнение на програмата. Например в микропроцесора Intel 8085 има 8-битова батерия (Acc), 6 8-битови регистъра с общо предназначение (B, C, D, E, H и L), 8-цифрен команден регистър (IR), който съхранява следното: инструкция, 16-битов програмен брояч на адреса на следващата команда, който трябва да бъде избран от паметта в IR, 16-битов стеков указател, флаг регистър, който сигнализира за изпълнението на определени условия, които възникват по време на изпълнението на логически и аритметични операции, а някои други специални регистри за вътрешни процеси, достъпът до които не съществува в програмиста.
Декодер, блок за управление и памет
Декриптира всяка команда и управлява външната ивътрешни блокове, осигуряващи правилната логика на системата. За запазване на команди, данни и резултати от изчисления се изискват устройства за съхранение на полупроводници. Програмата се съхранява в паметта, свързана с микропроцесора чрез адресната шина и шината за данни и управлението (като I /O устройства).
Интерфейс
Ако едно или повече I /O устройства трябва да бъдат свързани към централния процесор, тогава има нужда от съответния интерфейс. Той изпълнява следните 4 функции:
буфериране, необходимо за осигуряване на съвместимост на микропроцесора и периферията;
декодиране на адреси за избор на едно от множеството I /O устройства, свързани към системата;
декодиращи команди, необходими за изпълнение на функции, различни от предаване на данни;
синхронизиране и управление на всички функции, изброени по-горе.
Предаване на информация
Обменът на данни между периферното устройство и микрокомпютъра се отнася до тяхното програмно предаване или до директен достъп до паметта. В първия случай изтеглената програма пита за I /O система за предаване на данни от или към микропроцесор. По правило информацията постъпва в батерията, въпреки че могат да се включат и други вътрешни регистри. Програмирането обикновено се използва при изпращане на малки количества данни на бавно входящи /изходящи устройства, като например периферни множители, периферни ALU и т.н.с думи.
Директният достъп до цикъла памет или заснемане се контролира от периферното устройство. В допълнение, I /O системата принудително забавя микропроцесорния робот, докато прехвърлянето приключи. Тъй като процесът се контролира от хардуер, интерфейсът е по-сложен, отколкото е необходимо за програмния трансфер на данни. Използва се, когато е необходимо, за да се изпрати голям блок информация, например от периферни устройства за съхранение, като например гъвкави дискове четец на карти с висока скорост.
Интерфейсни устройства
За разработването на потребителски интерфейси е налице голям хардуер. Тя 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 общи или специални.
Езици за програмиране
Тъй като компютърът може да съхранява и обработва двоична информация, командите за предаване на машината трябва да бъдат представени в двоичен формат. В тази форма програмата е на машинен език. В асемблерния език командите, включително местата за съхранение, са представени чрез буквено-цифрови символи, наречени мнемонични. В сравнение с машинния език, тяхното използване улеснява писането на програми. Въпреки това, ако програмата е написана на такъв език, тя трябва да бъде преведена в инструкцията,разбираеми за машината, така че да могат да се съхраняват и изпълняват от микрокомпютър. По принцип една асемблерна команда се излъчва с една команда на машинния език. Писането на приложения 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 машинен език. В този случай един оператор обикновено отговаря на няколко инструкции на машинния език.
Набор от команди на микрокомпютър
Основните характеристики на микропроцесора също се определят от набор от инструкции. Обикновено се състои от 5 групи:
Група за трансфер на данни. Тези команди помагат за преместване на информация между регистрите в микропроцесора, между паметта и регистъра или клетките на паметта.
Аритметичната група позволява да се съставят, изваждат, увеличават или намаляват данните в паметта или регистрите (например съставя се съдържанието на два регистъра на CPU).
Логическата група се използва за операции I, OR, с изключение на OR, сравнение, циклично изместване, добавяне на данни в паметта или регистрите (например за прескачане на веригата ИЛИ съдържанието на два микропроцесорни регистри).
Разклоняващата група включва безусловни и условни преходи, извикващи подпрограми и връщания от тях. Условните инструкции служат, за да се гарантира, че дадена операция се изпълнява само ако е изпълнено определено условие (например, ако искате да отидете на определена команда, когато резултатът от последното изчисление е нула). Те дават възможност на самата програма да приемерешения.
Групата на стека, I /O и микропроцесорното управление генерират пренос на данни между CPU и периферията, манипулират стека и променят флаговете на вътрешния контрол. Тези команди позволяват на програмиста да спре устройството, да го превърне в неработно състояние, да активира и деактивира прекъсващата система и т.н. Дългите команди се съхраняват в серийни клетки на паметта, а адресът на първия байт винаги се използва като адрес на цялата команда. В допълнение, първият байт е винаги операционен код.
Хронология на развитието
Фактът, че такива микропроцесори, светът научил през 1971 г., когато американската корпорация Intel за първи път обяви Intel 4004. Тя беше изпълнена на един кристал и беше 4-битов (т.е. 4 бита 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? COM 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 следваха този пример. Най-известните 8-битови микропроцесори са Intel 8085 Motorola M6800 NEC? COM85AF, National * SC /MP, Zilog Z80 и Fairchild F8. След това имаше 12 - и 16-битови процесори. Примери за първите са IM 6100 Intersil и Toshiba T3190, а вторият е 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 команди, увеличаване на скоростта, опростяване на изискванията към мощността и увеличаване на обема на паметта и средствата за вход-изход в един чип. Първите видове микропроцесори (400440408008) са базирани на технологията PMOS, която поради ограниченията на скоростта отстъпва на NMOS. Други технологии включват CMOS, TTL, DTL, RTL.
