Що таке мікропроцесори? Пристрій, призначення, основні характеристики

Що таке мікропроцесори, сьогодні знає кожен. Це одне з найбільш цікавих технологічних нововведень в електроніці після появи транзистора в 1948 році. Диво-пристрої не тільки розпочали революцію в області цифрової електроніки, але і проникли майже в усі сфери життя людини. Вони застосовуються в складних керуючих контролерах, обладнанні диспетчерського управління, у простих ігрових автоматах і навіть іграшки.

Що таке мікропроцесори?

Комп'ютер, великий і не дуже, функціонально (у спрощеній формі) може бути представлений у вигляді блок-схеми, що складається з трьох основних частин: Центрального процесорного пристрою (ЦП), яке виконує необхідні логічні і арифметичні операції, використовуючи регістри (пам'ять мікропроцесора), і контролює синхронізацію і спільну роботу всієї системи. Пристроїв введення-виведення, які служать для подачі даних в ЦПУ (до них відносяться комутатори, аналого-цифрові перетворювачі, пристрої читання карт пам'яті, клавіатура, накопичувачі на жорстких дисках і т. д.) і виводу результатів обчислень (світлодіоди, дисплеї, цифроаналоговые перетворювачі, принтери, плоттери, лінії зв'язку тощо). Так підсистема вводу-виводу дозволяє комп'ютеру спілкуватися із зовнішнім світом. Такі пристрої називаються також периферійними. Пам'яті, в якій зберігаються команди (програма) і дані. Зазвичай складається з ОЗП (пам'яті з довільним доступом) і ПЗУ (постійного, призначеної тільки для читання). Мікропроцесор є інтегральною схемою, призначеною для роботи в якості ЦПУ мікрокомп'ютера.

Принцип дії

Призначення мікропроцесора полягає у зчитуванні кожної команди з пам'яті, її декодування і виконання. ПРОЦЕСОР обробляє дані згідно інструкціям програми у формі логічних і арифметичних операцій. Інформація витягується з пам'яті або надходить з пристрої введення, і результат обробки зберігається в пам'яті або доставляється на відповідний пристрій виводу так, як це вказано в командах. Ось що таке мікропроцесори. Для виконання зазначених функцій у них є різні функціональні блоки. Така внутрішня або організаційна структура ЦПУ, що визначає його роботу, називається його архітектурою.

Типова схема пристрою мікропроцесора представлена вашій увазі на фото нижче.

Шини

Мікрокомп'ютер оперує двійковим кодом. Бінарна інформація представлена двійковими цифрами, званих бітами. Група бітів утворює машинне слово (їх кількість залежить від конкретної реалізації). Звичайні розміри слова рівні 4812 1632 і 64 біт. Байт і півбайт являють собою набір з 8 і 4 біт відповідно. Шини з'єднують різні блоки пристрою і дозволяє їм обмінюватися машинними словами. Вони виконані у вигляді окремого дроти для кожного біта, що дозволяє обмінюватися всіма розрядами машинного слова одночасно. Обробка інформації в ЦПУ також відбувається паралельно. Таким чином, шини можуть розглядатися як магістралі передачі даних. Їх ширина визначається кількістю складових їх сигнальних ліній. По адресній шині ЦПУ передає адреса пристрою вводу-виводу або комірки пам'яті, до якої він хоче отримати доступ. Ця адреса приймається усіма пристроями, підключеними до процесору. Але реагує на нього тільки те, якому був адресований запит. Шина даних служить для відправки і прийому інформації з пристроїв введення-виведення і пам'яті, у т. ч. команд. Очевидно, що вона є двонаправленою, а адресна – односпрямованої. Шина управління використовується для передачі і прийому сигналів управління між мікропроцесором і різними елементами системи.

Арифметико-логічний пристрій і внутрішні регістри

Являє собою комбінаційну мережа, яка виконує всі логічні і арифметичні операції над даними. До складу мікропроцесора зазвичай входить і ряд регістрів. Вони використовуються для тимчасового зберігання команд, даних і адрес під час виконання програми. Наприклад, у мікропроцесора Intel 8085 є 8-бітний акумулятор (Acc), 6 8-бітних регістрів загального призначення (B, C, D, E, H і L), 8-розрядний регістр команд (IR), в якому зберігається виконується наступна інструкція, 16-бітний програмний лічильник адреси наступної команди, яку необхідно вибрати з пам'яті в IR, 16-бітний покажчик стека, регістр прапорів, який сигналізує про виконання певних умов, що виникають під час виконання логічних і арифметичних операцій, та деякі інші спеціальні регістри для внутрішніх процесів, доступу до яких у програміста немає.

Декодер, блок управління і пам'ять

Розшифровує кожну команду і управляє зовнішніми і внутрішніми блоками, забезпечуючи правильну логічну роботу системи. Для збереження команд, даних і результатів обчислень потрібна наявність напівпровідникових запам'ятовуючих пристроїв. Програма записується у пам'ять, підключену до мікропроцесора через адресну шину та шини даних і управління (подібно пристроїв вводу-виводу).

Інтерфейс

Якщо до ЦПУ необхідно підключити один або декілька пристроїв вводу-виводу, то виникає необхідність у відповідному інтерфейсі. Він виконує наступні 4 функції: буферизацію, необхідну для забезпечення сумісності мікропроцесора і периферії; декодування адреси для вибору одного з декількох підключених до системи введення-виведення пристроїв; декодування команд, необхідну для виконання функцій, відмінних від передачі даних; синхронізацію і управління всіма перерахованими вище функціями.

Передача інформації

Обмін даними, який відбувається між периферійним пристроєм і мікрокомп'ютером, відносяться або до їх програмної передачі, або до прямого доступу до пам'яті. У першому випадку завантажена програма запитує систему вводу-виводу на передачу даних мікропроцесора або з нього. Як правило, інформація надходить в акумулятор, хоча інші внутрішні регістри можуть також брати участь. Програмна передача зазвичай використовується при пересиланні невеликого обсягу даних щодо повільними пристроями введення-виведення, наприклад, периферійним помножувачі, периферійним АЛУ і т. д. В таких випадках трансфер зазвичай проводиться по словах.

Прямий доступ до пам'яті або захоплення циклів контролюється периферійним пристроєм. При цьому система введення-виведення примусово затримує робота мікропроцесора, поки пересилання не буде завершена. Оскільки процес контролюється апаратно, інтерфейс складніше, ніж потрібно для програмної передачі даних. Використовується при необхідності переслати великий блок інформації, наприклад, з таких периферійних сховищ, як гнучкі диски високошвидкісний картрідер.

Інтерфейсні пристрої

Для розробки користувальницьких інтерфейсів доступно велике апаратне забезпечення. До нього відносяться мультиплексори і демультиплексоры, лінійні драйвери і приймачі, буфери, стабільні і моностабильные мультивібратори, тригер-засувки, вентильні схеми, зсувні регістри і т. д. Є і більш складні програмовані інтерфейси, функції яких можна змінити командою мікропроцесора. Ці інтерфейси можуть бути загального або спеціального призначення.

Мови програмування

Оскільки комп'ютер може зберігати та обробляти інформацію двійковій формі команди для подачі на машину повинні бути представлені в двійковому форматі. У такому вигляді програма є машинним мовою. На мові асемблера команди, включаючи місця зберігання, представлені буквено-цифровими символами, званими мнемоническими. Порівняно з машинним мовою їх використання значно полегшує написання програм. Однак якщо програма написана на такому мнемоническом мовою, вона повинна бути переведена в інструкції, зрозумілі машині, щоб їх можна було зберігати і виконувати мікрокомп'ютері. В основному одна команда асемблера транслюється в одну команду машинної мови. Писати програми на асемблері дуже втомлює і вимагає багато часу. Тому широке розповсюдження отримали мови високого рівня, такі як Fortran, Cobol, Algol, Pascal, які можна потім перекласти на мову машини. В цьому випадку одному оператору звичайно відповідає кілька інструкцій машинної мови.

Набір команд мікрокомп'ютера

Основні характеристики мікропроцесора також визначаються набором інструкцій. Зазвичай він складається з 5 груп: Група передачі даних. Дані команди допомагають переміщувати інформацію між регістрами всередині мікропроцесора, між пам'яттю і регістром або комірками пам'яті. Арифметична група дозволяє складати, віднімати, збільшувати або зменшувати дані в пам'яті або регістрах (наприклад, скласти вміст двох регістрів ЦП). Логічна група використовується для операцій І, АБО, що ВИКЛЮЧАЄ АБО, порівняння, циклічного зсуву, доповнення даних в пам'яті або регістрах (наприклад, щоб пропустити через схему АБО вміст двох регістрів мікропроцесора). Група розгалуження включає безумовні і умовні переходи, виклик підпрограм і повернення з них. Умовні інструкції служать для того, щоб певна операція виконувалася лише в разі виконання певної умови (наприклад, якщо потрібно перейти до конкретної команди, коли результат останнього обчислення дорівнював нулю). Вони забезпечують можливість програмі самій приймати рішення. Група стека, введення-виведення і керування мікропроцесором виробляє передачу даних між ЦПУ і периферією, маніпулює стеком і змінює внутрішні прапори управління. Ці команди дозволяють програмісту зупинити пристрій, перевести його в неробочий стан, включити і відключити систему переривань і т. д. Інструкції, які зберігаються разом з даними в пам'яті, можуть мати довжину в 1 або кілька байт. Довгі команди зберігаються в послідовних комірках пам'яті, причому адресу першого байта завжди використовується як адреса всієї команди. Крім того, перший байт завжди є кодом операції.

Хронологія розвитку

Про те, що таке мікропроцесори, світ дізнався в 1971 р., коли американська корпорація Intel вперше анонсувала Intel 4004. Він був виконаний на одному кристалі і був 4-розрядним (тобто працював одночасно з 4 бітами даних). Натхненна успіхом 4004 корпорація Intel представила вдосконалену версію Intel 4040. Багато інші компанії також анонсували 4-розрядні мікропроцесори. Наприклад, Rockwell International PPS4 NEC ?COM 4 і Toshiba T3472. Перше 8-розрядне ЦПУ було представлено в 1973 р. тієї ж компанією. Це був Intel 8008 за яким послідувала поліпшена версія 8030. Кілька інших виробників пішли цьому прикладу. Найбільш відомими 8-бітними мікропроцесорами стали Intel 8085 Motorola M6800 NEC ?COM85AF, National *SC/MP, Zilog Z80 і Fairchild F8. Потім з'явилися 12 - і 16-бітові ПРОЦЕСОРИ. Прикладами перших є IM 6100 Intersil і Toshiba T3190 а друге – Intel 8086 Texas Instruments TMS 9940 і 9980 Fairchild 9440 Motorola М68000 Zilog Z670. Зміни характеристик мікропроцесора з 1971 року були спрямовані на вдосконалення архітектури, набору команд, збільшення швидкодії, спрощення вимог до потужності і нарощування обсягу пам'яті й засобів введення-виведення в одному чіпі. Перші типи мікропроцесорів (400440408008) базувалися на PMOS-технології, яка з-за обмежень швидкості поступилася місцем NMOS. Іншими технологіями є CMOS, TTL, DTL, RTL.