Opisati značajke računalnih i upravljačkih mikroprocesorskih sustava. Nastava: Organizacija i primjena mikroprocesorskih sustava za obradu podataka i upravljanja

Digitalni mikrosklopovi sada su postigli impresivne performanse uz prihvatljivu potrošnju struje. Najbrži digitalni mikrosklopovi imaju brzinu preklapanja od oko 3..5 ns. (74ALS serija čipova). Istodobno, morate platiti brzinu mikro krugova s ​​povećanom potrošnjom struje. Iznimka su mikrosklopovi izgrađeni na temelju CMOS tehnologije (na primjer, mikrosklopovi serije 1564, 74HC, 74AHC). U ovim mikro krugovima, potrošnja struje je izravno proporcionalna brzini prebacivanja logičkih vrata u mikro krugu. Oni. mikrosklop automatski povećava potrošnju struje ako se od njega zahtijeva veća izvedba, tako da se trenutno velika većina mikrosklopova proizvodi ovom tehnologijom.

Digitalni uređaji često obavljaju prilično složene zadatke. Postavlja se pitanje: budući da su mikrosklopovi postigli tako visoke performanse, je li moguće više puta koristiti isti mikrosklop? Tada će biti moguće zamijeniti brzinu mikro krugova za složenost problema koji se rješava. Upravo tu razmjenu omogućuju mikroprocesori. Ovi čipovi više puta koriste isti uređaj - ALU (aritmetičko-logičku jedinicu). Stoga je moguća zamjena maksimalne brzine mikrokontrolera za složenost implementiranog uređaja. Iz tog razloga pokušavaju maksimalno povećati brzinu mikroprocesora - to omogućuje implementaciju sve složenijih uređaja u istom volumenu.

Drugi razlog široke uporabe mikroprocesora je taj što je mikroprocesor univerzalni čip koji može obavljati gotovo sve funkcije. Univerzalnost osigurava veliku potražnju za ovim mikro krugovima, što znači masovnu proizvodnju. Trošak mikro krugova obrnuto je proporcionalan njihovoj masovnoj proizvodnji, odnosno mikroprocesori postaju jeftini mikro krugovi i time još više povećavaju potražnju.

U najvećoj mjeri sva navedena svojstva očituju se kod mikroračunala s jednim čipom ili, kako se po području primjene češće nazivaju: mikrokontrolera. Mikrokontroleri kombiniraju sve komponente računala na jednom čipu: mikroprocesor (često se naziva jezgrom mikrokontrolera), RAM, ROM, mjerače vremena i I/O portove.

Zaključci:

CMOS tehnologija omogućuje razmjenu radne brzine za trenutnu potrošnju (što su brži logički elementi prekidača mikrosklopa, to više struje troši mikrosklop);

Mikrokontroleri vam omogućuju implementaciju upravljačkog kruga gotovo bilo koje složenosti na jednom univerzalnom čipu;

Mikrokontroleri vam omogućuju da zamijenite brzinu njihovog rada za složenost dizajniranog uređaja.

Mikrokontroleri vam omogućuju implementaciju opreme sa minimalni trošak, dimenzije i trenutna potrošnja.

Vrijeme razvoja hardvera na mikrokontrolerima je minimalno.

Modernizacija opreme sastoji se od promjene programa upravljanja.

1.1 Definicija mikroprocesora

Početkom 70-ih, napredak u tehnologiji u mikroelektronici doveo je do stvaranja nove baze elektroničkih elemenata - mikroelektroničkih velikih integriranih sklopova (LSI) (modul 1, poglavlje 1.6.3). Prema stupnju integracije (broj aktivni elementi: diode i tranzistori) integrirani sklopovi (IC) se konvencionalno dijele na IC niskog stupnja integracije - do 100 aktivnih elemenata, srednjeg stupnja integracije (SIS) - do 1000 aktivnih elemenata, LSI - preko 1000 aktivnih elemenata, VLSI - preko 10.000 elemenata. Puštanje novog LSI-ja na sadašnju razinu automatizacije dizajna vrlo je složen i skup proces zbog velikih početnih troškova razvoja njegove logičke strukture i topologije, izrade fotomaski i tehnološke pripreme za proizvodnju. Ovo je 0,5-1 godina rada za veliki tim. Stoga je proizvodnja LSI-ja ekonomski opravdana kada njihova proizvodnja iznosi nekoliko desetaka do stotina tisuća jedinica godišnje. Praktički je nemoguće proizvesti specijalizirane LSI za svaku pojedinu primjenu. Kao rezultat potrage za područjima masovne primjene mikrosklopova s ​​visokom razinom integracije, njihovi programeri predložili su ideju stvaranja jednog univerzalnog LSI-ja ili određenog skupa LSI-ja, čija je specijalizacija za svaku specifičnu primjenu postignuto ne sklopovima, već softverom. Tako su se pojavili standardni univerzalni elementi - mikroprocesorski LSI s strukturom sličnom računalu.

Mikroprocesor (MP) je uređaj za obradu i upravljanje koji može obavljati obradu informacija, donošenje odluka, unos i izlaz informacija pod programskom kontrolom i izrađen u obliku jednog ili više LSI-ja.

1.2 Tehnologija proizvodnje MP LSI

Postoje dvije vrste tehnologije proizvodnje LSI: bipolarna - koja se temelji na korištenju bipolarnih tranzistora i MOS (metal-oxide-semiconductor) - tehnologija koja se temelji na korištenju tranzistora s efektom polja.

LSI proizvedeni korištenjem bipolarne tehnologije razlikuju se po svojim shematskim metodama implementacije. Uglavnom se koriste tranzistor-tranzistorska logika sa Schottky diodama (TTLS) i emitersko spregnuta logika (ECL). TTLSH logika koristi bipolarne npn tranzistore dopunjene Schottky diodama (DS). DS je ispravljački kontakt na sučelju Al-nSi metal-poluvodič. U metalu i siliciju većinski nositelji su iste vrste – elektroni, a manjinskih nema. DS se otvaraju na U=0,1-0,3 V i imaju strmu strujno-naponsku karakteristiku. Spojeni su paralelno na kolektorski spoj n-p-n tranzistora i tvore Schottkyjev tranzistor, proizveden u jednom tehnološkom postupku. Korištenje DS značajno povećava performanse tranzistora, budući da se eliminira zasićenje kolektorskog spoja i u njemu nema resorpcije naboja.

Prva generacija

4004 – 1971

Povijest MP-a započela je 1971. godine, kada je INTEL (ime mu dolazi od riječi Integrated Electronics) izdao prvi MP i4004, proizveden pomoću p-MOS tehnologije s rezolucijom od 10 mikrona. Imao je širinu podataka od 4 bita, mogućnost adresiranja 640 bajtova memorije, frekvenciju takta od f=108 kHz i izvodio je 60 tisuća op./sec. Takav bi procesor već mogao raditi kao računalna jezgra kalkulatora. Sadržao je 2300 tranzistora.

8008 – 1972

Godine 1972. pojavio se prvi poboljšani osam-bitni MP i8008, također proizveden korištenjem r-MOS tehnologije. Bio je smješten u pakiranju sa 16 pinova. Izvršeno 48 naredbi, adresirano 16 KB memorije, f=800 KHz. Imao je 7 internih 8-bitnih registara i interni stog od 7 razina.

Druga generacija

8080 – 1974

Godine 1974. pojavio se i8080 MP, proizveden korištenjem n-MOS tehnologije s rezolucijom od 6 mikrona, što je omogućilo postavljanje 6000 tranzistora u čip. Procesor je zahtijevao tri napajanja (+5, +12, -5 V) i složeno push-pull taktiranje na 2 MHz. Njegov potpuni analog ruske proizvodnje KR580VM80 detaljno je opisan gore. U isto vrijeme, Motorola je izdala M6800 MP, koji se razlikovao od i8080 po tome što je imao jedan napon napajanja, snažniji sustav prekida, sadržavao je dvije baterije, ali nije imao RON. Podaci za obradu izvađeni su iz vanjske memorije i zatim tamo vraćeni. Memorijske naredbe su kraće i jednostavnije nego u VM80, ali prijenos traje dulje. U unutarnjoj strukturi M6800 do danas nisu identificirane nikakve prednosti. Preostale su dvije konkurentske obitelji: Intel i Motorola. Međutim, većina i svijeta i rusko tržište zauzimaju Intelovi proizvodi.

Sljedeći je bio procesor i8085 (f=5MHz, 6500 tranzistora, 370 tisuća op./s., 3-μm tehnologija). Zadržava popularnu arhitekturu registra i8080 i kompatibilnost softvera, ali dodaje serijski priključak, generator takta i kontroler sustava. Napon napajanja je jedan: +5V.

Z80 – 1977. godina

Neki od Intelovih programera koji se nisu slagali s brojnim odlukama uprave preselili su se u Zilog i 1977. stvorili Z80 MP (ruski analog K1810VM80). Ovaj MP korišten je u engleskom Spectrum računalu tvrtke Sincler, koje se smatralo najboljim predstavnikom 8-bitne MP 2. generacije.

Treća generacija

8086 – 1978 (prikaz, stručni).

Ova generacija Intelovih procesora postavila je temelje za moderna osobna računala. Godine 1978. izdan je 16-bitni procesor i8086. Njegovi podaci: f=5 MHz, performanse 330 tisuća op./s., 3 mikronska tehnologija, 29 tisuća tranzistora. Počeo je koristiti segmentaciju memorije i novu shemu kodiranja instrukcija.

8088 – 1979

Međutim, pretjerano složena i skupa proizvodna tehnologija ovog procesora prisilila je Intel od 1979. godine da proizvodi nešto pojednostavljenu verziju nazvanu i8088, čija je podatkovna sabirnica bila samo 8-bitna. Upravo je taj procesor IBM odabrao za svoje prvo osobno računalo, model IBM PC/XT.

80186 – 1980. godine

Godine 1980. stvoren je MP i80186. U usporedbi s i8086, dodatno uključuje dva nezavisna DMA kanala velike brzine, programibilni kontroler prekida i generira signale za odabir 7 perifernih uređaja. Postoji 16 internih programabilnih mjerača vremena, dva od njih imaju vanjski izlaz, ostali mogu stvoriti vremenske odgode. Red naredbi je 6 bajtova (u i8088 - 4 bajta). Postoji 10 dodatnih naredbi koje ubrzavaju izvođenje programa u usporedbi s i8086. Međutim, ovaj procesor nije široko korišten u računalima.

Četvrta generacija

80286 – 1982

Godine 1982. pojavio se procesor i80286 koji je koristio IBM u PC/AT računalu (AT - Advanced Technology - obećavajuća tehnologija). Već je imao 134 tisuće tranzistora (1,5 mikronska tehnologija) i adresirao je do 16 MB fizičke memorije. Mogao je raditi u dva načina: stvarnom i zaštićenom. U stvarnom načinu rada, i80286 radi kao i8086 s povećanom brzinom (f do 20 MHz). Memorija se smatra brojem segmenata od kojih svaki sadrži 2-16 bajtova. Segmenti počinju na adresama koje su višekratnici broja 16 (donja 4 bita adrese uvijek su 0). Segmenti se mogu specificirati proizvoljno u programima. Adrese segmenata pohranjuju se u registre segmenata. U zaštićenom načinu, visoka adresa segmenta ne izračunava se dodavanjem 4 najmanje značajne nule, već se dohvaća iz tablica indeksiranih pomoću registara segmenta. To vam omogućuje rad s velikim količinama informacija, čiji volumen premašuje količinu fizičke memorije. Ako je fizička memorija potpuno napunjena, podaci koji ne stanu nalaze se na tvrdom disku. Osim toga, zaštićeni način rada podržava višezadaćnost. U tu svrhu kreiran je operativni sustav OS/2.

U ovom načinu rada procesor može izvršavati različite programe u dodijeljenim vremenskim odsječcima koji su dodijeljeni svakom programu. Korisniku se čini da se programi izvode istovremeno.

Peta generacija

80386 – 1985

Njegov prvi predstavnik bio je 32-bitni MP i80386DX, koji sadrži 275 tisuća tranzistora, tehnologiju od 1,5 mikrona, 4 GB adresabilne fizičke memorije. Pojavili su se novi registri i nove 32-bitne operacije.

Kako bi MP mogao izvršavati programe napisane za prethodne generacije, ima tri načina rada.

Nakon resetiranja ili primjene napona napajanja, MP prelazi u realni način rada i radi kao vrlo brz i8086, ali, na zahtjev programera, s 32 bita. Sve radnje: adresiranje, pristup memoriji, rukovanje prekidima izvode se kao u i8086. Drugi način je zaštićen, omogućen učitavanjem određene statusne riječi u kontrolni registar. U ovom slučaju MP radi kao i80286 u zaštićenom načinu rada. Multitasking i zaštita memorije implementirani su pomoću mehanizma privilegija na četiri razine i njegove organizacije stranica. MP radi kao nekoliko virtualnih procesora sa zajedničkom memorijom, od kojih svaki može biti u i8086, i80286 ili i80386 modovima.

U trećem, virtualnom modu, u potpunosti se otkrivaju prednosti ovog procesora. Ovdje su sva 32 bita adrese u potpunosti iskorištena i moguć je rad s virtualnom memorijom. Tek s pojavom i80386 počelo je brzo usvajanje Windows OS-a, budući da je snaga prethodnih generacija procesora bila nedostatna za Windows.

80386 SX - 1988

Godine 1988. pojavio se procesor i80386SX koji je popunio prazninu između danas zastarjelog procesora i80286 i vrlo skupog procesora i80386DX. Zamjena zastarjelog procesora i80286 na matičnoj ploči s i80386DX nije moguća zbog veće širine podatkovne sabirnice potonjeg. Procesor i80386SX omogućuje takvu zamjenu. Interni procesi u i80386SX odvijaju se na isti način kao u i80386DX, ali komunikacija s "vanjskim okruženjem" provodi se samo putem 16-bitne sabirnice. Kao rezultat toga, komunikacija se odvija u 2 koraka po 16 bita, što usporava rad za oko 10%. Još jedno ograničenje procesora i80386SX je 24-bitna adresna sabirnica, koja ograničava veličinu RAM-a na 16 MB. Nakon recenziranog i80386SX MP, Intel je kreirao i pustio na tržište procesor i80386SL s taktom od 33 MHz, izgrađen na CMOS strukturama koje osiguravaju minimalnu potrošnju energije. Zahvaljujući tome počela su se razvijati osobna računala na baterije poput prijenosnih računala.

Šesta generacija

80486 – 1989

Pojavio se 1989. kao i80486DX MP. Za razliku od prethodnih generacija MP-a, ovaj MP ne predstavlja nešto fundamentalno novo, procesor i80386, koprocesor i80387 i primarni cache od 8 KB kopirani su u jedan čip.

Bilješka.

Unatoč 32-bitnoj arhitekturi naslijeđenoj od i80386 MP, kao rezultat kombiniranja procesora, koprocesora i predmemorije na jednom čipu i drugih poboljšanja, i80486 na istoj frekvenciji takta izvodi izračune 3-4 puta brže od svog prethodnika.

Intel je neprestano unapređivao ovaj procesor, a izašao je i80486DX2 MP, u kojem je frekvencija vanjskog takta udvostručena vlastitim kvarcom čipa, i i80486DX4, u kojem je frekvencija pomnožena s 3. U ovim procesorima, sve naredbe koje ne zahtijeva prijenos podataka na vanjsku sabirnicu izvode se 2-3 puta brže. Samo vrijeme provedeno u pristupu RAM-u i sporiji periferni uređaji usporavaju rad. Osim toga, i80486DX4 ima povećanu predmemoriju na 16 KB.

Pentium generacije

Pentium P5 – 1993

Godine 1993. pojavio se i80586 koji je dobio ime Pentium (P5). Bio je to 32-bitni procesor s vanjskom radnom taktom od 66 MHz, izgrađen korištenjem submikronske tehnologije sa CMOS strukturom (0,8 mikrona) koja sadrži 3,1 milijun tranzistora. Pentium ima dva 32-bitna adresna prostora (logički i fizički), 64-bitnu sabirnicu podataka i 2 cjevovoda za obradu naredbi koji rade paralelno. Dva seta naredbi izvode se istovremeno. Predmemorija od 16 KB podijeljena je na predmemoriju instrukcija od 8 KB i predmemoriju podataka od 8 KB. Sadrži novu jedinicu s pomičnim zarezom koja izvodi operacije 4 do 8 puta brže od i80486.

P54, Pentium Pro – 1994

Godine 1994. pojavila se druga generacija Pentium procesora (P54). S gotovo istim brojem tranzistora, izrađeni su 0,6 mikronskom tehnologijom, što je omogućilo smanjenje potrošnje energije. Napon napajanja se smanjuje na 3,3 V. Primjenjuje se unutarnje množenje frekvencije. Istodobno, sklopovi sučelja vanjske sistemske sabirnice rade na frekvencijama od 50,60,66 MHz, a jezgra procesora radi na višoj frekvenciji (75,90,100,120,133, 150, 166 i 200 MHz). Frekvencijsko odvajanje omogućuje ostvarenje napretka u tehnologiji proizvodnje MP koji je znatno ispred mogućnosti povećanja performansi memorije. Faktor množenja (1,5;2;2,5;3) postavlja se kombinacijom razina signala na dva kontrolna ulaza. Procesori s različitim f vrijednostima navedenim u oznakama na kućištu proizvode se pomoću istih predložaka. Oznake frekvencije primjenjuju se nakon rigoroznih testova odbijanja. Ovisno o frekvenciji na kojoj je MP u potpunosti prošao izlaznu kontrolu.

Paralelno s Pentiumom razvijao se i Pentium Pro procesor. Njegova glavna razlika u principu organiziranja izračuna je dinamičko izvršenje. U tom slučaju, instrukcije unutar procesora možda se neće izvršiti redoslijedom koji očekuje program. Ovo poboljšava performanse bez povećanja učestalosti f. Uz to, koristi se dvostruka neovisna arhitektura sabirnice, čime se povećava ukupna propusnost. Jedna sabirnica je sistemska sabirnica, koja se koristi za komunikaciju između kernela i glavne memorije i uređaja sučelja. Drugi je namijenjen isključivo za razmjenu sa sekundarnim cacheom od 256 KB (512 KB), integriranim u MP kućište. Kako bi se smanjilo zagrijavanje kristala, moguće je trenutačno smanjiti potrošnju energije za otprilike 10 puta zaustavljanjem takta većine procesorskih čvorova. MP ulazi u ovo stanje nakon signala unutarnjeg temperaturnog senzora, kao i kada se izvrši naredba HALT.

Pentium MMX – 1997

Godine 1997. izdan je procesor Pentium MMX (P55C). MMX tehnologija predstavlja najznačajnije poboljšanje Intel procesorske arhitekture od predstavljanja i80386. Pentium MMX kristal ima 50% veću površinu od klasičnog Pentiuma. Međuspremnici izlaznih krugova mikrokruga rade na naponu od 3,3 V, interni krug je 2,8 V za stolna računala i 2,45 V za modele prijenosnih računala.

MMX tehnologija usmjerena je na rješavanje multimedijskih problema koji zahtijevaju intenzivne izračune na cijelim brojevima. Slične probleme rješavaju igraći, komunikacijski, obrazovni i drugi programi koji koriste grafiku, zvuk, trodimenzionalne slike, animacije itd.

Bit MMX tehnologije je pojava u procesoru 8 novih virtualnih 64-bitnih registara i 57 novih naredbi za rješavanje multimedijskih problema. Osam novih registara su virtualni jer su ti registri fizički koprocesorski registri. Na taj način se održava kompatibilnost s prethodnim generacijama programa.

Pentium II - 1997

U svibnju 1997. na tržištu se pojavio Pentium II, proizveden tehnologijom od 0,3 mikrona. To je malo skraćena verzija Pentium Pro jezgre s višom unutarnjom frekvencijom takta, što uključuje podršku za MMX. Ovaj procesor koristi nova tehnologija- čip s procesorskom jezgrom i skupom statičkih memorijskih čipova i dodatni sklopovi koji implementiraju sekundarnu predmemoriju smješteni su na malom isprintana matična ploča- uložak. Svi kristali su pokriveni zajedničkim poklopcem i hlađeni posebnim ventilatorom.

Frekvencija internog takta je 233,266,300 MHz, frekvencija vanjskog takta ostaje 66,6 MHz.

Procesor ima dodatne načine rada niske potrošnje:
1. Mirovanje ("Sleep mode"), kada ne taktira svoje unutarnje čvorove, osim kruga množitelja frekvencije.
2. Dubok san. Nastaje kada se uklone vanjski taktni impulsi. U ovom načinu rada procesor ne obavlja nikakve funkcije, a potrošnja struje određena je samo strujama curenja.

Pentium III - 1999

Godine 1999. pojavio se procesor Pentium III s taktom od 600 MHz, koji je sadržavao 9,5 milijuna tranzistora. Prema Intelu, ovaj procesor će vam omogućiti primanje audio i video informacija s interneta, kao i trodimenzionalnu grafiku najviše kvalitete. Prema predviđanjima proizvodnih tvrtki, daljnji razvoj tehnologije proizvodnje MP-a ići će u smjeru povećanja gustoće tranzistora na čipu, povećanja broja slojeva metalizacije i povećanja frekvencije takta, uz smanjenje napona napajanja i specifična (po tranzistoru) utrošena električna i oslobođena toplinska energija. Trenutno se proizvodi procesor Pentium IV, čija je taktna frekvencija dosegla 3000 MHz.

Tehnološka granica za linearne dimenzije tranzistora na čipu, zbog fizičkih ograničenja, je oko 0,05 mikrona. Na putu daljnje minimizacije, osim fizičkih ograničenja, nalaze se i ona ekonomska. Za svaku sljedeću generaciju čipova, cijena tehnologije se udvostručuje. Godine 1986. i80386 proizveden je u tvornici vrijednoj 200 milijuna dolara. Trenutno Intelova tvornica košta 2,4 milijarde dolara. Posljedično, tvornica koja proizvodi mikrosklopove pomoću tehnologije od 0,25 mikrona koštat će 10 milijardi dolara. Vrijeme proizvodnje MP-ova se povećava. Dakle Pentium procesor se proizvede za 6 mjeseci, a noviji Pentium Pro za 9 mjeseci. Smjena generacija zastupnika događa se svake 2-3 godine. Sa svakom generacijom, linearne dimenzije elemenata smanjuju se približno 1,5 puta. Godine 2000. širina vodiča bila je 0,2 mikrona, a 2006. dosegla je 0,1 mikrona, frekvencija takta već je premašila 2000 MHz.

Gornji kratki podaci o razvoju MP na primjeru Intelovih proizvoda pokazuju koliko se brzo razvija i unapređuje proizvodnja MP. Nijedna druga grana tehnologije ne razvija se tako brzo. Osnivač Intela, Gordon Moore, izrazio je to vrlo figurativno: “Da se automobilska industrija razvijala brzinom industrije poluvodiča, danas bi Rolls-Royce koštao 3 dolara, mogao bi preći pola milijuna milja s jednim galonom benzina i bilo bi jeftinije baciti ga nego platiti parking."

U ovoj recenziji razmatrani su samo Intelovi procesori. Treba napomenuti da sličan razvojni put prolazi i tehnologija drugih tvrtki koje proizvode procesore, kao što su AMD, Cyrix, Motorola i drugi. Ali Intel ostaje vodeći pokretač trendova u ovoj borbi za kvalitetu.

9 Mikroprocesori i mikroračunala u informacijskoj i mjernoj opremi

9.1 Osnovne funkcije MT-a u mjernoj opremi

Najčešće korišteni su ugrađeni MP i MK. Značajno poboljšavaju karakteristike uređaja (točnost, pouzdanost, učinkovitost itd.). Korištenje ugrađenog MP-a omogućuje vam pretvaranje jednonamjenskog uređaja u višenamjenski kombiniranjem nekoliko funkcionalnih jedinica zajedno s sklopnim uređajima u jednom bloku. MP čini takav uređaj softverski kontroliranim.

MP povećava točnost mjernog uređaja zahvaljujući automatskoj kompenzaciji nulte postavke prije početka mjerenja, automatskom kalibracijom (samokalibracija, samotestiranje) i automatskom statističkom obradom rezultata mjerenja.

MP proširuje mjerne mogućnosti instrumenata korištenjem neizravnih i kumulativnih mjerenja. Kod neizravnih mjerenja ne mjeri se željeni parametar, već drugi parametri s kojima je traženi povezan funkcionalnom ovisnošću. Na primjer, snaga se može odrediti mjerenjem napona i otpora i izračunati pomoću formule P=U 2 /R. Pri korištenju metode kumulativnih mjerenja istovremeno se mjeri više istoimenih fizikalnih veličina za koje se željene vrijednosti veličina pronalaze rješavanjem sustava jednadžbi. U ovom slučaju, MP je programiran za implementaciju potrebnih analitičkih ovisnosti.

9.2 Primjeri korištenja MP u mjernoj opremi

9.2.1 Mikroprocesorski digitalni mjerač frekvencije

Za mjerenje visokih frekvencija koristi se izravna metoda u kojoj se odabire određeni vremenski interval i broji se broj razdoblja proučavanog signala. Točnost mjerenja raste s povećanjem broja perioda N. Na niskim frekvencijama to bi zahtijevalo predugi vremenski interval. Stoga se na niskim frekvencijama koristi neizravna metoda. Širina vremenskih vrata odabire se kao višekratnik perioda signala koji se proučava qT x, vrata se ispunjavaju impulsima iz generatora poznate frekvencije F i broji se broj impulsa n. Obje metode ilustrirane su na slici 9-1

Slika 9-1 Vremenski dijagrami procesa mjerenja frekvencije.

Ovdje:
a - izmjereni signal;
b - signal pretvoren u niz impulsa;
c - vremenski interval za neizravno mjerenje;
d - impulsi punjenja za neizravno mjerenje;
d - vremenski interval za izravno mjerenje;
e - prasak impulsa tijekom izravnog mjerenja.

Na slici 9-2 prikazana je blok shema uređaja za mjerenje frekvencije signala izravnom i neizravnom metodom pod MP upravljanjem na kojoj su označene točke koje odgovaraju vremenskim dijagramima.

sl.9-2

Izravna metoda

Kada je A 0 =1, primjenjuje se izravna metoda mjerenja. Multiplekseri biraju ulaze x 1. MP stvara privremena vrata s trajanjem T. Ako je brojač izbrojao N impulsa u ovom intervalu, tada je T=nT x, ili T=n/F x, stoga je F x =n/T.

Indirektna metoda

Kada je A 0 =0, odabrani su x 0 ulazi multipleksera i implementirana je neizravna metoda mjerenja. Oblikivač vremenskih vrata sadrži djelitelj frekvencije s faktorom pretvorbe q=2 k, gdje je k odabran tako da se dobije broj impulsa (graf d) koji osigurava traženu točnost mjerenja F x . U intervalu qT x bilo je n impulsa qT x =nT sq ili q/F x =n/F s, dakle F x =qF s/n.

9.2.2 Mjerač frekvencije širokog raspona

Koristi heterodinsku metodu za smanjenje frekvencije mjerenog signala. Ako izmjereni signal F meas pomiješate sa signalom F 1 lokalnog oscilatora (pomoćnog oscilatora), rezultat su signali s frekvencijama F meas +nF 1 i F meas -nF 1. Za smanjenje frekvencije koristite opciju F meas -nF 1 =F pr, gdje je F pr međufrekvencija koju dodjeljuje sljedeći blok.

sl.9-3

PSCh - programabilni sintetizator frekvencije (heterodin).
IF je pojačalo srednje frekvencije.
CN - tip digitalnog mjerača frekvencije Slika 9-2

Prilikom rada, MP mijenja F synth u F" synth vrijednost, pri čemu

F meas -F" synth =F ex. Zatim F meas =F ex +nF" synth.

9.2.3 Mjerni generator s MP upravljanjem

Najčešće se koriste funkcionalni generatori koji proizvode signale različitih oblika (trokutasti, pravokutni, sinusoidni i dr.) standardiziranih mjeriteljskih karakteristika. Frekvencijski raspon takvih generatora je 10 -6 Hz - 50 * 10 6 Hz. Slika 9-4 prikazuje blok dijagram takvog generatora.

sl.9-4

Ovdje je BS programabilni blok brojača, GTI je programabilni generator taktnih impulsa.

Nakon što operater unese funkciju f(t) za generiranje signala istog oblika, MP izračunava uzorke f(t i) u intervalu od jedne periode sa zadanom frekvencijom uzorkovanja. Očitanja se bilježe u RAM-u. GTI izlazni signal ide do BS-a, gdje se generira RAM adresa.

9.2.4 Digitalni filtri

Digitalni filtar je uređaj koji pretvara jedan diskretni signal x n u drugi diskretni signal y n, a sami signali x n i y n su binarni digitalni kodovi.

Analogni filtar je frekvencijski selektivni sklop koji izvodi neku linearnu transformaciju kontinuiranog ulaznog signala U 1 (t) u kontinuirani izlazni signal U 2 (t). Nasuprot tome, digitalni filtar pretvara ulazni digitalni niz x(nT) u izlazni digitalni niz y(nT). Pogledajmo pretvaranje analognog filtra u digitalni na primjerima najjednostavnijih filtara.

Najjednostavniji analogni visokopropusni filtar je RC sklop (slika 9-5).

Sl.9-5

Odredimo odnos između ulaznog i izlaznog napona.

U 2 (t)=i(t)*R=RC*d(U 1 -U 2)/dt (1)

Predstavimo U 1 (t) i U 2 (t) odgovarajućim digitalnim nizovima U 1 =x(nT) i U 2 =y(nT), tada:

Zamjenom (2) u (1) dobivamo:

Označimo

.

Rezultirajući izraz određuje algoritam za izračunavanje izlaznog signala filtra Y n u n-tom koraku kvantizacije ovisno o njegovoj vrijednosti u prethodnom n-1 koraku, vrijednostima ulaznog signala X n, X n -1 i korak uzorkovanja τ. Odredimo prijelazni odziv visokopropusnog filtra.

Odaberemo li korak uzorkovanja τ=1, dobivamo

X(nT)=1 za n>=0, X(nT)=0 za n<0.

Uz manji korak τ=0,125 imamo

Kada se koristi analogni filtar, rješavanje njegove diferencijalne jednadžbe daje

Na slici 90-6 prikazane su vrijednosti izlaznog signala izračunate pomoću formula (3), (4) i (5) i odgovarajući grafikoni.

Sl.9-6

Može se vidjeti da kako se interval uzorkovanja τ smanjuje, prijelazni odziv digitalnog filtra približava se prijelaznom odzivu analognog filtra.

Najjednostavniji analogni niskopropusni filtar prikazan je na slici 9-7.

Slika 9-7

Opisuje se jednadžbom:

Prijeđimo na korake:

i konačno:

Može se pokazati da se u ovom slučaju, kako se τ smanjuje, prijelazni odziv digitalnog filtra neograničeno približava prijelaznom odzivu analognog filtra.

Kod digitalnih filtara sve se svodi na operacije množenja s nekim koeficijentima i zbrajanja. Gornji filtri su filtri prvog reda. Najbolji rezultati postižu se filtrima višeg reda, u kojima se vrijednosti x i y odgođene za nekoliko koraka koriste za izračun izlazne vrijednosti Y n.

Izračun takvog izraza je vrlo jednostavno programiran i izveden na MP. Odgođeni signali stavljaju se na hrpu.

10 Ispitivanje mikroprocesorskih sustava

10.1 Statičko ispitivanje

U mikroprocesorskim sustavima tokovi podataka su aperiodični, trajanja signala variraju, što uzrokuje velike poteškoće u testiranju i dijagnostici - utvrđivanju uzroka grešaka. Jedan od načina za prevladavanje ovih poteškoća je statično testiranje sustava. Za MP K580VM80 to se radi na sljedeći način. MP nije zalemljen u ploču, već ugrađen u ploču. Prilikom testiranja, MP se uklanja i umeće adapterski blok za simulaciju i indikaciju signala. Preklopni prekidači su spojeni na pinove adresne sabirnice, preklopni prekidači su spojeni na podatkovnu sabirnicu preko sklopova s ​​tri stanja, a LED diode su spojene preko logičkih elemenata otvorenog kolektora. Korištenjem prekidača za odabir traženih adresa i izlaznih signala MP-a možete testirati sustav.

10.2 Autodijagnostika mikroprocesorskih sustava

Autodijagnostika je ugrađena dijagnostika koja se temelji na korištenju internih dijagnostičkih programa. Ti se programi mogu pokrenuti sami ili ih može pozvati korisnik sustava. Oni su postavljeni prilikom projektiranja mikroprocesorskog sustava.

10.3 Logički analizatori

Statičko testiranje je spor proces i nije uvijek primjenjiv. Univerzalnija je uporaba posebnih uređaja - logičkih analizatora.

10.3.1 Logički analizatori stanja (sinkroni način)

Dostupni su u 8-, 12-, 16- i 32-bitnim verzijama. Izlazne informacije daju se u obliku tablica jedinica i nula, oktalnih ili heksadecimalnih kodova. Analizator je spojen na sabirnicu koja se testira, a tablica od n stanja sabirnice, počevši s danim stanjem, ili n prethodnih stanja prikazana je na ploči ili zaslonu. Slični analizatori izgrađeni su prema blok dijagramu na sl. 10-1.

Sl.10-1

K0-K15 - komparatori ulaznog signala;
R - potenciometar za podešavanje razine usporedbe;
KC - usporednica riječi;
Kl - tipkovnica za unos riječi;
FUS - generator upravljačkih signala;
Rg0-Rg15 - registri pomaka (modul 2, poglavlje 7.2) za snimanje 16 vrijednosti i-tog ulaza;
f:n - razdjelnik frekvencije; BPr - blok konverzije.

Na početku rada logičkog analizatora na tipkovnici se upisuje riječ počevši od koje se provodi analiza. Ako se kod na izlazima K0-K15 i birani kod podudaraju, KS izdaje impuls, pod utjecajem kojeg FUS generira upravljačke signale US1 i US2. Kada stigne svaki taktni impuls TI, na izlazu protudjelitelja pojavljuje se impuls brojanja US1*TI. Nakon što stigne n impulsa takta, konektor &2 se zatvara i upisivanje u registre prestaje. Blok pretvorbe iz n izlaznih vrijednosti registara Rg0-Rg15 formira tablicu koja sadrži n redaka na zaslonu.

10.3.2 Logički vremenski analizatori (asinkroni način)

Takvi analizatori skeniraju ulazne signale na frekvenciji znatno višoj od frekvencije signala. To vam omogućuje ne samo određivanje prisutnosti ili odsutnosti signala u svakom periodu takta, već i proučavanje dinamike promjene, otkrivanje izobličenja rubova, kratkotrajnih vrhova, padova itd. Analizatori asinkronog načina rada rade na značajno višoj internoj frekvenciji. Proizvode se uređaji s f=20, 50, 100, 200 MHz. Koriste dodatne okidačke krugove za otkrivanje lažnih impulsa do 5 ns, što znatno olakšava otkrivanje takvih impulsa.

10.4 Unutarnji emulatori

Emulacija je proces u kojem se jedan sustav koristi za reprodukciju svojstava drugog sustava. Za organiziranje emulacije različitih komponenti mikroprocesorskog uređaja koji se razvija koriste se emulatori unutar kruga. Oni su dizajnirani za organiziranje složenog razvoja otklanjanja pogrešaka. Industrija proizvodi emulatore kao samostalne uređaje. Oni oponašaju ponašanje mikroprocesora, uređaja za pohranu podataka i perifernih uređaja.

Unutarnji emulator može raditi u načinima ispitivanja statusa različitih MPS čvorova i korak po korak izvršavanja korisničkog programa. Uz njegovu pomoć provjeravaju se MPS jezgra i sabirnice, provode se testovi ROM-a i RAM-a. Najbolja opcija testiranja je kombinacija emulacije unutar kruga i metoda analize potpisa.

10.5 Analiza potpisa

Potpis je broj koji se sastoji od 4 znaka heksadecimalnog koda i uvjetno, ali nedvosmisleno karakterizira određeni čvor kontroliranog uređaja. Signatura se utvrđuje kod proizvođača uređaja i označava se na pojedinim točkama u dijagramu (slika 10-2) ili u uputama za uređaj.

Slika 10-2 Signature naznačene na dijagramu uređaja

Potpis se formira iz testnog signala (testne sekvence) koju generira MP. Testni niz koji se sastoji od najmanje 16 nula i jedinica dostavlja se na ulaz bilo kojeg čvora. Već konvertirana sekvenca uzima se iz izlaza čvora (kontrolne točke) i dovodi na ulaz analizatora potpisa. Analizator potpisa sadrži BFS blok za generiranje potpisa (Slika 10-3), koji se sastoji od 16 okidača međusobno povezanih preko zbrajala modulo 2. Kada analizator radi, izvodi se operacija dijeljenja polinoma. Ulazna sekvenca tvori djelitelj, BFS sklop tvori djelitelj, a rezultat zabilježen u okidačima nakon završetka testne sekvence je ostatak dijeljenja. Ako su testne sekvence u proizvodnom pogonu i kod potrošača koji provodi test iste, kao i isti BFS, tada se pri provjeri servisne jedinice rezultirajući potpis podudara s potpisom navedenim u dokumentaciji.

Sl.10-3

Vjerojatnost dobivanja identičnih potpisa za dvije binarne sekvence koje se međusobno razlikuju za jedan bit jednaka je nuli, a one koje se razlikuju za nekoliko pogrešnih bitova je 0,00001526. Drugim riječima, pouzdanost detekcije pogreške je >=99,998%. Provjera pojedinih čvorova uređaja svodi se na određivanje potpisa na izlazu čvora. Ako odgovara tvorničkom, jedinica radi.

11 Osiguranje otpornosti mikroprocesorskih sustava na buku

11.1 Suzbijanje smetnji putem primarne opskrbne mreže

Pri razvoju mikroprocesorskih sustava potrebno je posebnu pozornost posvetiti zaštiti od smetnji koje dovode do kvarova. Značajan dio smetnji dolazi iz mreže napajanja. MPS koji dobro funkcionira u laboratorijskim uvjetima može se zbog smetnji pokazati potpuno neoperabilnim u proizvodnim uvjetima. Smetnje se javljaju kada dođe do naglih promjena u opterećenju mreže, na primjer, kada se uključi snažan elektromotor, peć ili stroj za zavarivanje. Stoga, kad god je to moguće, potrebno je provesti odvajanje od takvih izvora smetnji kroz mrežu. Slika 11-1 prikazuje različite opcije spojni uređaji, u koji uključuje mikroprocesor.Najbolja opcija je napajanje MPS-a i potrošača koji stvaraju snažne strujne impulse (motori).

Sl.11-1

Za suzbijanje kratkotrajnih smetnji instaliran je mrežni filtar na slici 11-2.

sl.11-2

U nekim slučajevima potrebno je uvesti elektrostatički štit (na primjer, običnu vodovodnu cijev spojenu na okvir uzemljene ploče za napajanje) kako bi se mrežne žice usmjerile unutar nje.

11.2 Suzbijanje mrežnog šuma u napajanju

Bez obzira na ispravan spoj, elektrostatski štit i prisutnost filtra za napajanje, smetnje još uvijek djelomično prodiru u mrežni ulaz uređaja. Zbog kapacitivne sprege između mrežnog i sekundarnog namota, pulsni šum prolazi kroz energetski transformator i dopire do ispravljača i dalje.

Metode suzbijanja:
1. Primarni i sekundarni namot energetskog transformatora nalaze se na različitim zavojnicama. Ovo značajno smanjuje kapacitivni spoj između namota, ali smanjuje učinkovitost transformatora.
2. Namoti se nalaze na jednoj zavojnici, ali su odvojeni ekranom od bakrene folije debljine najmanje 0,2 mm, koji je spojen na masu šasije. Ni u kojem slučaju ne smije doći do kratkog spoja na ekranu!
3. Primarni namot je potpuno zatvoren u ekran (nije kratko spojen), koji je uzemljen.
4. Primarni i sekundarni namoti su zatvoreni u zasebne zaslone, a između njih je postavljen razdjelni zaslon. Svi ekrani su uzemljeni. Lanac serijski spojenih C = 0,1 μF i R = 100 Ohma spojen je paralelno na primarni namot za prigušivanje energije u trenutku gašenja.

11.3 Pravila uzemljenja

U strukturno cjelovitim blokovima uvijek postoje dvije vrste zemaljskih sabirnica - tijelo i krug.

Prema sigurnosnim propisima, sabirnica za kućište mora biti spojena na sabirnicu za uzemljenje položenu u prostoriji. Sabirnica strujnog kruga ("uzemljenje" strujnog kruga uređaja) ne bi trebala biti spojena na sabirnicu kućišta, ali bi trebala postojati zasebna stezaljka za nju, izolirana od šasije. Ako sustav uključuje nekoliko uređaja povezanih informacijskim linijama, tada je daleko od svejedno kako su njihove sabirnice za uzemljenje kućišta i strujnog kruga spojene na sabirnicu za uzemljenje prostorije.

Ako je veza neispravna, impulsni naponi generirani strujama izjednačavanja duž sabirnice uzemljenja zapravo će se primijeniti na ulaze uređaja, što može uzrokovati njihovo lažno okidanje.

Najmanje međusobne smetnje postižu se kada su sabirnice uzemljenja spojene u jednoj točki, a sabirnice šasije u drugoj točki (Sl. 11-3). Udaljenost između točaka odabire se eksperimentalno. U nekim slučajevima, točka A možda neće biti spojena na sabirnicu uzemljenja prostorije.

sl.11-3

11.4 Suzbijanje smetnji u sekundarnim strujnim krugovima

U trenucima sklopke integriranih sklopova iu push-pull izlaznim krugovima dolazi do velikih strujnih udara. Zbog konačnog induktiviteta tračnica za napajanje na pločama, one uzrokuju impulse napona. Ako su sabirnice tanke i nema kondenzatora za odvajanje, tada se na "dalekom" kraju sabirnice pojavljuju impulsi amplitude do 2V! Razina takvih impulsa odgovara logičkoj, što uzrokuje kvarove. Da biste uklonili ovaj učinak, morate slijediti ove preporuke:
1. Sabirnice za napajanje i uzemljenje na pločama moraju imati minimalni induktivitet. Da bi to učinili, dobili su rešetkastu strukturu koja pokriva cijelu slobodnu površinu ploče.
2. Spajanje sabirnica vanjskog napajanja i uzemljenja na ploču se vrši preko nekoliko kontakata ravnomjerno raspoređenih na konektoru.
3. Smetnje su potisnute u blizini mjesta na kojima se pojavljuju. Da biste to učinili, u blizini svakog TTL kruga instaliran je kondenzator C = 0,02 μF kako bi se uklonile visokofrekventne smetnje, a elektrolitički kondenzator C = 100 μF dodatno je instaliran na skupini od 10-15 krugova.

Mikroprocesor (MP) je uređaj za digitalnu obradu informacija implementiran na jednom ili više LSI-ova, koji se izvodi prema programu. Po namjeni je identičan računalu, ali ima manje funkcionalnosti.

Moderni mikroprocesori mogu sadržavati milijune tranzistora na jednom čipu. Generalizirani blok dijagram MP prikazan je na sl. 6.1.

Osnovu mikroprocesora čini aritmetičko-logička jedinica ALU. Izvodi aritmetičke (zbrajanje, oduzimanje) i logičke (usporedba, disjunkcija, konjunkcija) operacije na dva broja i daje rezultat operacije. Registri R služe za pohranjivanje i izdavanje naredbi (registar naredbi), adresa (registar adresa) i podataka (registar podataka ili akumulator).

Upravljački uređaj služi za pretvaranje naredbi koje dolaze iz registara i vanjske memorije u signale koji izravno utječu na sve elemente MP i potiču izvršenje naredbi.

Svi MP blokovi povezani su međusobno i s vanjskim uređajima s tri višebitne sabirnice: SD podatkovnom sabirnicom, ShU adresnom sabirnicom i ShU kontrolnom sabirnicom. Sabirnica je skupina paralelnih vodiča kroz koje se prenosi višebitni kod. Upravljačka jedinica raspoređuje komunikacije između blokova preko iste sabirnice u vremenu – multipleksiranje.

Skup autobusa naziva se autoput. Sabirnica podataka služi za razmjenu operanda – kodova izvornih podataka ili kodova naredbi. Adresna sabirnica služi za prijenos kodova memorijskih ćelija u memoriju.

Dakle, u mikroprocesorima, kao iu računalima, koristi se glavno načelo prijenosa informacija.

Mikroprocesor se koristi zajedno s drugim mikroelektroničkim uređajima: uređajem za pohranu podataka (DSD), uređajem za pohranu programa (PSD) i uređajem za ulaz/izlaz (I/O). Kombinacija ovih elemenata naziva se mikroprocesorski sustav ili mikrokontroler - sl. 6.2.

Uređaji za pohranu memorije dizajnirani su za primanje, pohranjivanje i izdavanje programa i podataka. U ovom slučaju ZUP je memorijski uređaj samo za čitanje (ROM). Program se upisuje u memorijski sustav jednom tijekom proizvodnje ili uklanjanja pogrešaka. RSD je memorija s izravnim pristupom (RAM) koja radi i u načinu pisanja i čitanja.

UVV je dizajniran za primanje signala od vanjskih uređaja u procesor ili memoriju i za ispis rezultata vanjskim uređajima. Generator takta sinkronizira rad svih blokova sustava kroz MP. U nekim vrstama MP-a može biti dio samog procesora.

Program po kojem MP radi obično je pohranjen u trajnom uređaju za pohranu. Program se snima jednom. Moguće je koristiti reprogramabilne (reprogramabilne) ROM-ove koji omogućuju višekratno snimanje i brisanje informacija. Informacije u ROM-u se zadržavaju kada se isključi izvor napajanja.

Za pohranjivanje podataka koriste se memorijski uređaji s izravnim pristupom (RAM) u koje se informacije mogu prenijeti s MP ili s vanjskih uređaja (tipkovnica, senzori) putem uređaja u zraku. Kada se napajanje isključi, informacije u RAM-u se gube.

U slučajevima kada programeri mikroprocesorskog sustava potrošaču omogućuju povezivanje dodatnih jedinica na okosnicu (otvorena verzija sustava), okosnica se isporučuje tampon na autocesti, povećanje njegove nosivosti ili linijski adapter, ako ne trebate samo pojačanje, već i konverziju signala.

Strukturno, mikrokontroleri mogu biti jednočipni, ako su svi elementi mikroprocesorskog sustava izrađeni u jednom integriranom krugu, ili jednopločni, ako su smješteni na jednoj tiskanoj pločici. Mikrokontroleri s jednom pločom često su opremljeni ugrađenom tipkovnicom i indikatorom. U tom obliku mogu činiti samostalni računalni dio digitalnih mjernih, upravljačkih i dr. sustava.

Industrija proizvodi veliki izbor mikrokontrolera koji se razlikuju po kapacitetu, arhitekturi, karakteristikama i radnim mogućnostima. Zajednička značajka svih mikrokontrolera je njihova fleksibilna (tj. softverska) struktura. Mikrokontroleri mogu biti specijalizirani (na primjer, mikrokontroler tipkovnice osobnog računala) ili univerzalni, dizajnirani za rješavanje različitih problema iste klase, na primjer, kontroleri za industrijske automatizirane sustave.

Mikroprocesore karakteriziraju sljedeći parametri:

1. Vrsta mikroprocesora: univerzalni ili specijalizirani, signalni itd.

2. Metoda upravljanja: strujni (kruti) ili mikroprogramski (fleksibilni).

3. Bitni kapacitet - duljina riječi koju procesor može istovremeno obraditi (4, 8, 16.32).

4. Kapacitet adresabilne memorije. Karakterizira mogućnosti mikroprocesora složenošću programa koji se implementiraju.

5. Izvedba. Karakterizira ga trajanje jedne

operacije registar-registar ili broj operacija u sekundi.

6. Potrošnja energije.

7. Naponi napajanja.

8. karakteristike dizajna.

Početna > Sažetak

FSF. “MK i MP” Bilješke s predavanja br. 1.1

Uvod: mikroprocesori, mikroprocesorski sustavi,
mikrokontroleri

Okvirni sadržaj predavanja:

Mikroprocesori, mikroprocesorski sustavi, mikrokontroleri Područja primjene Obitelji mikrokontrolera

1.Mikroprocesori, mikroprocesorski sustavi, mikrokontroleri

Tijekom čitavog razdoblja postojanja i korištenja elektroničkih računala (računala) njihovi najvažniji parametri: brzina, potrošnja energije, pouzdanost određivani su, prije svega, korištenom elementarnom bazom, odnosno onim elektroničkim “ciglama” iz kojih se izgrađena je velika i složena “zgrada” - samo RAČUNALO. Strojevi prve generacije koristili su električne vakuumske uređaje (radio cijevi), osiguravajući računalne brzine od stotina ili tisuća operacija u sekundi. Ti su strojevi bili glomazni, skloni kvarovima i zahtijevali su složen sustav hlađenja kako bi ispravno radili.

Izum tranzistora omogućio je povećanje brzine računala na desetke i stotine tisuća operacija u sekundi uz značajno povećanje gustoće pakiranja (rasporeda) elemenata: tranzistora, dioda, otpornika, kondenzatora. Takva su računala pripadala strojevima druge generacije.

Pojava integriranih sklopova, uključujući veliki broj elektroničkih elemenata, i njihova uporaba u računalima treće i sljedećih generacija dodatno je povećala brzinu potonjih, pojednostavila postupak komunikacije između osobe i računala i dovela ga kao što bliže objektu upravljanja i kontrole.

M
mikroprocesor (MP) - ovo je uređaj koji prima obrada i izdavanje informacija. Strukturno, MP sadrži jedan ili više integriranih sklopova i izvodi akcije definirane programom pohranjenim u memoriji.

Univerzalni MP – to su MP čiji sustav zapovijedanja sadrži algoritamsku univerzalnost. Potonje znači da skup naredbi koje izvršava stroj omogućuje dobivanje transformacije informacija u skladu s bilo kojim zadanim algoritmom.

Specijalizirani zastupnici - dizajniran za rješavanje određene klase problema, a ponekad samo za rješavanje jednog specifičnog problema. Njihove značajne karakteristike su lakoća upravljanja, kompaktan hardver, niska cijena i mala potrošnja energije.

Mikroprocesorski sustav - ovo je računski, kontrolni i mjerni odn kontrolni sustav, glavni uređaj za obradu informacija u kojem je MP. Mikroprocesorski sustav izgrađen je od skupa mikroprocesorskih LSI-ja.

Izvanredno svojstvo mikroprocesorskih sustava je njihova visoka fleksibilnost, mogućnost brze rekonfiguracije ako je potrebno, čak i značajnih promjena u kontrolnim algoritmima. Rekonfiguracija se provodi programski bez značajnih proizvodnih troškova. Stvaranje mikroprocesora omogućuje smanjenje troškova i veličine tehničkih sredstava za obradu informacija, povećanje njihove brzine i smanjenje potrošnje energije.

Karakteristike mikroprocesorski informacijski i upravljački sustavi namijenjeni automatizaciji tehnoloških procesa:

prisutnost ograničenog skupa jasno definiranih zadataka;

rade u realnom vremenu, tj. osiguravanje minimalnog vremena reakcije na promjene u vanjskim uvjetima;

prisutnost razvijenog sustava vanjskih uređaja, njihova široka raznolikost;

značajna razlika u funkcionalnim zadacima;

visoki zahtjevi za pouzdanošću, uzimajući u obzir dugo trajanje kontinuiranog rada;

teški radni uvjeti;

osiguranje automatskog načina rada ili načina rada uz sudjelovanje operatera kao elementa sustava.

Daljnji rast stupnja integracije omogućio je postavljanje na kristal mikro kruga ne samo pojedinačnih jednostavnih jedinica ili fragmenata računalnih uređaja, već čitavih uređaja, pa čak i cijelih računala. To je dovelo do stvaranja mikrokontrolera (MC) - proizvoda mikroelektronike i računalne tehnologije temeljno nove klase, sposobnog za obradu i pohranjivanje informacija u jednom ili više paketa mikrokruga.

Korištenje mikrokontrolera u proizvodima ne samo da dovodi do povećanja tehničkih i ekonomskih pokazatelja (cijena, pouzdanost, potrošnja energije, ukupne dimenzije), već također smanjuje vrijeme razvoja proizvoda i čini ih promjenjivim i prilagodljivim. Korištenje mikrokontrolera u sustavima upravljanja osigurava postizanje visokih pokazatelja učinkovitosti uz niske troškove.

Mikrokontroleri su učinkovito sredstvo automatizacije raznih objekata i procesa.

Mikrokontroler možemo zamisliti kao računalo smješteno u jednom čipu. Otuda njegove glavne atraktivne kvalitete: male dimenzije; visoke performanse, pouzdanost i sposobnost prilagodbe za obavljanje širokog spektra zadataka.

OKO
donji čip mikrokontrolera je uređaj strukturno konstruiran u jednom LSI paketu i sadrži sve glavne komponente mikroprocesorskog kompleta.

Osim središnje procesorske jedinice (CPU), mikrokontroler sadrži memoriju i brojne ulazno/izlazne uređaje:

2. Područja primjene

U moderni svijet Teško je pronaći područje tehnologije u kojem se ne koriste mikroprocesori. Koriste se u izračunima, obavljaju upravljačke funkcije, koriste se u obradi zvuka i slike. Ovisno o području primjene mikroprocesora, zahtjevi za njim se mijenjaju. To ostavlja trag na unutarnjoj strukturi mikroprocesora. Trenutno su identificirana tri smjera razvoja mikroprocesora:

Univerzalni mikroprocesori koristi za izradu računala. Koriste najnaprednija rješenja za poboljšanje performansi, ne obraćajući puno pozornosti na veličinu, cijenu i potrošnju energije. U komunikacijskom inženjerstvu, računala se koriste za upravljanje komunikacijskim sustavima ili komunikacijskim uređajima koji su veliki i skupi. Takva se računala nazivaju kontrolerima.

S

Signalni procesori mobilnih uređaja koriste se za rješavanje problema koji su se tradicionalno rješavali analognim sklopovima. Procesori signala imaju specifične zahtjeve. Od njih se zahtijevaju maksimalne performanse, male dimenzije, jednostavno spajanje s analogno-digitalnim i digitalno-analognim pretvaračima, veliki kapacitet obrađenih podataka i mali skup matematičkih operacija, što nužno uključuje i operaciju množenja-akumulacije. i hardverska organizacija ciklusa. U ovim procesorima također su važni parametri kao što su cijena, dimenzije i potrošnja energije, ali ovdje se morate pomiriti s višim vrijednostima ovih karakteristika u usporedbi s mikrokontrolerima.

Mikrokontroleri koriste se za upravljanje malim i jeftinim komunikacijskim uređajima; prije su se nazivali mikroračunalima s jednim čipom. Kod mikrokontrolera se, za razliku od univerzalnih mikroprocesora, maksimalna pozornost pridaje dimenzijama, cijeni i potrošnji energije.

Uređaji
Korištenje dovoljno snažnog računalnog uređaja sa širokim mogućnostima u modernom mikrokontroleru, izgrađenom na jednom čipu umjesto na cijelom skupu, značajno smanjuje veličinu, potrošnju energije i cijenu uređaja izgrađenih na njegovoj osnovi. Koristi se u upravljanju razne uređaje i njihovi zasebni blokovi:

u računalnoj tehnici: matične ploče, kontroleri za tvrde i disketne pogone, CD i DVD;

elektronika i razni kućanski aparati koji koriste elektroničke upravljačke sustave - perilice rublja, mikrovalne pećnice, perilice posuđa, telefoni i moderni uređaji;

U industriji:

uređaji za industrijsku automatizaciju - od programabilnih releja i ugrađenih sustava do PLC-a,

sustavi upravljanja strojevima.

Dok su 8-bitni procesori opće namjene potpuno zamijenjeni naprednijim modelima, 8-bitni mikrokontroleri i dalje se široko koriste. To je zato što postoji velik broj aplikacija u kojima nisu potrebne visoke performanse, ali je važna niska cijena. Istodobno, postoje mikrokontroleri koji imaju veće računalne mogućnosti, poput digitalnih procesora signala.

Trenutno postoji ogroman raspon (više od 10 000) različitih mikrokontrolera, koji se razlikuju po opsegu, parametrima i perifernim jedinicama ugrađenim u čip. Više od desetak proizvođača proizvodi mikrokontrolere.

3. Obitelji mikrokontrolera

Mikrokontroleri su grupirani u obitelji. Jedna obitelj uključuje proizvode koji imaju istu jezgru - skup koncepata kao što su sustav naredbi, ciklogram rada CPU-a, organizacija programske memorije i memorije podataka, sustav prekida i osnovni skup perifernih uređaja. Razlike između različitih predstavnika iste obitelji uglavnom su u sastavu perifernih uređaja i količini programske ili podatkovne memorije. Najvažnija značajka obitelji je softverska kompatibilnost na razini binarnog koda svih njegovih MK-ova.

Poznate obitelji:

MCS-51 (Intel)

Intel 8051 je mikrokontroler s jednim čipom (ne smije se brkati s procesorom) harvardske arhitekture koju je prvi proizveo Intel 1980. za upotrebu u ugrađenim sustavima. Tijekom 1980-ih i ranih 1990-ih bio je iznimno popularan. Međutim, sada je zastario i zamijenjen modernijim uređajima, s 8051-kompatibilnim jezgrama koje proizvodi više od 20 neovisnih proizvođača kao što su Atmel, Maxim IC (podružnica Dallas Semiconductor), NXP (bivši Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories , Texas Instruments i Cypress Semiconductor. Postoji i sovjetski klon ovog čipa, KR1816BE51. Službeni naziv 8051 obitelji Intelovih mikrokontrolera je MCS-51.

PIC (Mikročip)

PIC-ovi su mikrokontroleri harvardske arhitekture koje proizvodi američka tvrtka Microchip Technology Inc. Naziv PIC je skraćenica za Peripheral Interface Controller, što znači "kontroler perifernog sučelja".

Koncept PIC-a, zajednički svim proizvedenim obiteljima, temeljio se na RISC arhitekturi (Reduced Instruction Set Computer architecture) sa sustavom jednostavnih naredbi od jedne riječi, upotrebom ugrađene programske i podatkovne memorije te niskom potrošnjom energije.

RISC arhitektura temelji se na sljedećim temeljnim načelima:

bilo koja operacija se izvodi u jednom taktu;

sustav instrukcija mora sadržavati minimalan broj instrukcija iste duljine;

operacije obrade podataka provode se samo u formatu registar-registar;

rezultate treba generirati brzinom od jedne riječi po satu.

U nomenklaturi Microchip Technology Inc. predstavlja široku ponudu 8, 16 i 32-bitnih mikrokontrolera i digitalnih signalnih kontrolera pod brendom PIC. Posebnost PIC kontroleri dobar su nastavak raznih obitelji. To uključuje kompatibilnost softvera (jedno besplatno MPLAB IDE razvojno okruženje) i kompatibilnost u smislu pinova, perifernih uređaja, napona napajanja, razvojnih alata, biblioteka i nizova najpopularnijih komunikacijskih protokola. Asortiman uključuje više od 500 različitih kontrolera sa svim vrstama varijacija u periferiji, memoriji, broju pinova, performansama, rasponima snage i temperature itd.

AVR (Atmel)

Koncept novih mikrokontrolera velike brzine razvila je skupina programera u istraživačkom centru ATMEL u Norveškoj, čiji su inicijali kasnije formirali marku AVR ( A ako Bogen / V ergard Wollan / R isc arhitektura). Prvi mikrokontroleri AVR AT90S1200 pojavili su se sredinom 1997. i brzo su stekli naklonost potrošača.

Arhitektura AVR, na kojoj se temelji obitelj mikrokontrolera AT90S, kombinira snažan Harvard RISC procesor s odvojenim pristupom programskoj i podatkovnoj memoriji, 32 registra opće namjene, od kojih svaki može raditi kao akumulacijski registar, i naprednih fiksnih 16 -bit duljina sustava instrukcija. Većina instrukcija se izvršava u jednom ciklusu takta stroja, pri čemu se trenutna instrukcija izvršava i sljedeća instrukcija se dohvaća istovremeno, pružajući izvedbu do 1 MIPS po taktnoj frekvenciji MHz.

Prednosti:

visoke performanse/potrošnja energije;

prikladni načini programiranja;

širok raspon;

dostupnost softverske i hardverske podrške;

visoka nosivost izlaza.

ARM (ARM Limited)

ARM arhitektura (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, napredni RISC stroj) je obitelj licenciranih 32-bitnih i 64-bitnih jezgri mikroprocesora koje je razvio ARM Limited. Tvrtka isključivo razvija jezgre i alate za njih (prevoditelji, alati za ispravljanje pogrešaka itd.), zarađujući licenciranjem arhitekture trećim proizvođačima.

U 2007. godini oko 98% od više od jedne milijarde mobilnih telefona prodanih godišnje bilo je opremljeno s najmanje jednim ARM procesorom. Od 2009. godine, ARM procesori čine do 90% svih ugrađenih 32-bitnih procesora. ARM procesori naširoko se koriste u potrošačkoj elektronici - uključujući dlanovnike, mobilne telefone, digitalne medijske playere, ručne igraće konzole, kalkulatore i periferne računalne uređaje poput tvrdih diskova ili usmjerivača.

Ovi procesori imaju nisku potrošnju energije, pa se široko koriste u ugrađenim sustavima i dominiraju tržištem mobilnih uređaja kojima je važna niska potrošnja energije.

Nositelji licence uključuju: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel (do 27. lipnja 2006.), Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Milander.

Kontrolna pitanja

Radni program

Program je sastavljen u skladu s Državnim obrazovnim standardom visokog stručnog obrazovanja ZA smjer 552800 “Informatika i računarstvo” (registracijski broj 35 tehnički / spremnik od 13.

Program discipline na Zavodu za automatiku i sistemsko inženjerstvo Mikroprocesorski sustavi

Program discipline

Odobreno od strane znanstvenog i metodološkog vijeća sveučilišta za područja izobrazbe (specijalnosti) iz područja automatizacije i upravljanja, iz područja informatike i računalne tehnologije

Nastavni plan i program discipline Mikroprocesorski sustavi

Program discipline

sastavljeno u skladu sa Saveznim državnim obrazovnim standardom za visoko stručno obrazovanje u proširenoj skupini 23 "Informatika i računarstvo"

Okvirni program nastavne discipline mikroprocesori i mikroprocesorski sustavi za specijalnost 2201 Računalni strojevi, kompleksi, sustavi i mreže

Ogledni program

Sastavljeno u skladu s državnim zahtjevima za minimalni sadržaj i razinu osposobljenosti diplomanata u specijalnosti 2201 Računala, kompleksi, sustavi i mreže srednjeg strukovnog obrazovanja.

Primjena mikroprocesorskih sustava u gotovo svim električni uređaji- najvažnije obilježje tehničke infrastrukture suvremenog društva. Elektroenergetski, industrijski, transportni i komunikacijski sustavi značajno ovise o računalnim upravljačkim sustavima. Mikroprocesorski sustavi ugrađuju se u mjerne instrumente, električne uređaje, rasvjetne instalacije itd.

Sve to obvezuje električara da poznaje barem osnove rada mikroprocesorske tehnike.

Dizajniran za automatizaciju obrade informacija i upravljanje raznim procesima.

Koncept "mikroprocesorskog sustava" vrlo je širok i kombinira pojmove kao što su "elektroničko računalo (računalo)", "upravljačko računalo", "računalo" itd.

Mikroprocesorski sustav uključuje Hardver ili na engleskom – hardware and softver(softver) - softver.

Digitalne informacije

Mikroprocesorski sustav radi sa digitalne informacije, što je niz digitalnih kodova.

Srce svakog mikroprocesorskog sustava je mikroprocesor koji je sposoban obraditi samo binarne brojeve (sastavljene od 0 i 1). Binarni brojevi se zapisuju pomoću binarnog brojevnog sustava. Na primjer, u svakodnevnom životu koristimo decimalni brojevni sustav, koji koristi deset simbola ili brojeva 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 za pisanje brojeva. Prema tome, u binarnom sustavu postoje samo dva takva simbola (ili broja) - 0 i 1.

Potrebno je razumjeti da su brojevni sustav samo pravila za pisanje brojeva, a odabir vrste sustava odredit će jednostavnost korištenja. Izbor binarnog sustava je zbog njegove jednostavnosti, što znači pouzdanost rada digitalnih uređaja i jednostavnost njihove tehničke implementacije.

Razmotrimo mjerne jedinice digitalnih informacija:

Bit (od engleskog "BInary digiT" - binarna znamenka) ima samo dvije vrijednosti: 0 ili 1. Možete kodirati logičku vrijednost "da" ili "ne", stanje "uključeno" ili "isključeno", stanje "otvoreno " ili "zatvoreno" " i tako dalje.

Skupina od osam bitova naziva se bajt, na primjer 10010111. Jedan bajt omogućuje kodiranje 256 vrijednosti: 00000000 - 0, 11111111 - 255.

Bit je najmanja jedinica za reprezentaciju informacije.

Bajt je najmanja jedinica za obradu informacija.Bajt je dio strojne riječi, obično se sastoji od 8 bitova i koristi se kao jedinica informacija kada se pohranjuje, prenosi i obrađuje na računalu. Bajt se koristi za predstavljanje slova, slogova i posebnih znakova (obično zauzima svih 8 bitova) ili decimalnih znamenki (2 znamenke po bajtu).

Dva međusobno povezana bajta nazivaju se riječ, 4 bajta se nazivaju dvostruka riječ, 8 bajtova je četverostruka riječ.

Gotovo sve informacije koje nas okružuju su analogne. Stoga, prije nego što informacija stigne do procesora za obradu, ona se pretvara pomoću ADC (analogno-digitalnog pretvarača). Osim toga, informacije su kodirane u određenom formatu i mogu biti numeričke, logičke, tekstualne (znakovne), grafičke, video itd.

Na primjer, za kodiranje tekstualnih informacija koristi se ASCII kodna tablica (od engleskog američkog standardnog koda za razmjenu informacija). Jedan znak je zapisan u jednom bajtu, koji može imati 256 vrijednosti. Grafičke informacije podijeljene su na točke (piksele), a boja te vodoravni i okomiti položaj svake točke su kodirani.

Osim binarnog i decimalnog sustava, MS koristi heksadecimalni sustav, u kojem se za zapis brojeva koriste simboli 0...9 i A...F. Njegovu upotrebu određuje činjenica da je jedan bajt opisan dvoznamenkastim heksadecimalnim brojem, što značajno smanjuje zapis digitalnog koda i čini ga čitljivijim (11111111 - FF).

Tablica 1 – Zapisivanje brojeva u raznim brojevnim sustavima

Za određivanje vrijednosti broja (na primjer, vrijednost 100 for različitim sustavima broj može biti 42, 10010, 25616), na kraju broja dodajte latinično slovo koje označava brojevni sustav: za binarne brojeve slovo b, za heksadecimalne - h, za decimalne - d. Broj bez dodatne oznake smatra se decimalnim.

Prijevod brojeva iz jednog sustava u drugi te osnovne aritmetičke i logičke operacije nad brojevima mogu se izvoditi pomoću inženjerskog kalkulatora (standardne aplikacije operacijskog sustava Windows).

Osnova mikroprocesorskog sustava je mikroprocesor (procesor), koji obavlja funkcije obrade informacija i upravljanja. Preostali uređaji koji su dio mikroprocesorskog sustava služe procesoru, pomažući mu u radu.

Obavezni uređaji za izradu mikroprocesorskog sustava su I/O portovi a dijelom sjećanje. I/O priključci povezuju procesor s vanjskim svijetom, omogućujući unos informacija za obradu i izlaz rezultata obrade ili kontrolnih radnji. Na ulazne priključke spojeni su gumbi (tipkovnice) i razni senzori; na izlazne priključke - uređaji koji omogućuju električno upravljanje: indikatori, displeji, kontaktori, elektroventili, elektromotori itd.

Memorija je prvenstveno potrebna za pohranjivanje programa (ili skupa programa) potrebnog za rad procesora. Program je niz naredbi razumljivih procesoru, koje je napisala osoba (obično programer).

Struktura mikroprocesorskog sustava prikazana je na slici 1. Pojednostavljeno, procesor se sastoji od aritmetičko-logičke jedinice (ALU) koja obrađuje digitalne informacije i upravljačke jedinice (CU).

Memorija obično uključuje memoriju samo za čitanje (ROM), koja je trajna i dizajnirana za dugotrajnu pohranu informacija (na primjer, programa), i memoriju s izravnim pristupom (RAM), koja je dizajnirana za privremenu pohranu podataka .

Slika 1 – Struktura mikroprocesorskog sustava

Procesor, portovi i memorija međusobno komuniciraju putem sabirnica. Sabirnica je skup vodiča ujedinjenih prema funkcionalnosti. Poziva se jedan skup sistemskih sabirnica unutarsustavna okosnica, koji razlikuje:

podatkovna sabirnica DB (Data Bus), preko koje se podaci razmjenjuju između CPU-a, memorije i portova;

adresna sabirnica AB (Address Bus), koristi se za adresiranje memorijskih ćelija i portova od strane procesora;

upravljačka sabirnica CB (Control Bus), skup linija koje prenose različite upravljačke signale od procesora do vanjskih uređaja i natrag.

Mikroprocesori

Mikroprocesor je softverski upravljani uređaj dizajniran za obradu digitalnih informacija i upravljanje procesom te obrade, izrađen u obliku jednog (ili više) integriranog kruga s visokim stupnjem integracije elektroničkih elemenata.

Mikroprocesor karakterizira velik broj parametara, budući da je istovremeno složeni programski upravljani uređaj i elektronički uređaj (čip). Dakle, za mikroprocesor, i tip kućišta i skup instrukcija procesora. Mogućnosti mikroprocesora definirane su konceptom arhitekture mikroprocesora.

Prefiks "mikro" u nazivu procesora znači da je implementiran pomoću mikronske tehnologije.

Slika 2 – Izgled mikroprocesor Intel Pentium 4

Tijekom rada mikroprocesor čita programske upute iz memorije ili ulaznog porta i izvršava ih. Što svaka instrukcija znači određeno je skupom instrukcija procesora. Sustav naredbi ugrađen je u arhitekturu mikroprocesora, a izvršavanje naredbenog koda izraženo je u unutarnjim elementima procesora koji izvode određene mikrooperacije.

Arhitektura mikroprocesora- ovo je njegova logična organizacija; određuje mogućnosti mikroprocesora za hardversku i programsku implementaciju funkcija potrebnih za izgradnju mikroprocesorskog sustava.

Glavne karakteristike mikroprocesora:

1) Frekvencija sata(jedinica MHz ili GHz) – broj impulsa takta u 1 sekundi. Taktni impulsi se generiraju pomoću generatora takta koji se najčešće nalazi unutar procesora. Jer Budući da se sve operacije (instrukcije) izvode u ciklusima takta, produktivnost rada (broj operacija izvedenih u jedinici vremena) ovisi o vrijednosti frekvencije takta. Frekvencija procesora može se mijenjati unutar određenih granica.

2) Veličina procesora(8, 16, 32, 64 bita, itd.) – određuje broj bajtova podataka koji se obrađuju po taktu. Kapacitet procesora određen je kapacitetom njegovih internih registara. Procesor može biti 8-bitni, 16-bitni, 32-bitni, 64-bitni itd. tj. podaci se obrađuju u dijelovima od 1, 2, 4, 8 bajtova. Jasno je da što je veća dubina bita, to je veća izvedba.

Unutarnja arhitektura mikroprocesora

Pojednostavljena unutarnja arhitektura tipičnog 8-bitnog mikroprocesora prikazana je na slici 3. Struktura mikroprocesora može se podijeliti u tri glavna dijela:

1) Registri za privremenu pohranu naredbi, podataka i adresa;

2) Aritmetičko-logička jedinica (ALU), koji implementira aritmetičke i logičke operacije;

3) Upravljački i sinkronizacijski krug- osigurava dohvaćanje naredbi, organizira rad ALU, omogućuje pristup svim registrima mikroprocesora, prima i generira vanjske upravljačke signale.

Slika 3 - Pojednostavljena unutarnja arhitektura 8-bitnog mikroprocesora

Kao što je vidljivo iz dijagrama, procesor se temelji na registrima koji se dijele na posebne (određene namjene) i registre opće namjene.

Brojač programa (PC)- registar koji sadrži adresu sljedećeg bajta naredbe. Procesor mora znati koja će se instrukcija sljedeća izvršiti.

Akumulator je registar koji se koristi u velikoj većini logičkih i aritmetičkih obradnih instrukcija; to je i izvor jednog od podatkovnih bajtova koje zahtijeva ALU operacija i mjesto gdje se nalazi rezultat ALU operacije.

Registar značajki (ili registar zastavica) sadrži informacije o unutarnjem stanju mikroprocesora, posebno o rezultatu zadnje ALU operacije. Registar zastavica nije registar u uobičajenom smislu, već je jednostavno skup flip-flop zasuna (zastavica se podiže ili spušta. Obično postoje nula, preljev, negativan rezultat i prijenos.

Pokazivač snopa (SP)- prati položaj steka, tj. sadrži adresu zadnje korištene ćelije. Stog je način organiziranja pohrane podataka.

Registar naredbi sadrži trenutni naredbeni bajt, koji dekodira dekoder naredbi.

Vanjske sabirnice izolirane su od unutarnjih sabirnica pomoću odbojnika, a glavni unutarnji elementi povezani su brzom internom podatkovnom sabirnicom.

Kako bi se poboljšale performanse višeprocesorskog sustava, funkcije središnje procesorske jedinice mogu se rasporediti na nekoliko procesora. Kako bi pomogli središnjem procesoru, koprocesori se često uvode u računalo, usmjereni na učinkovito izvršavanje bilo koje specifične funkcije. Rašireno matematički i grafički, ulazno/izlazni koprocesori, koji rasterećuju središnji procesor jednostavnih, ali brojnih operacija interakcije s vanjskim uređajima.

U sadašnjoj fazi, glavni smjer povećanja produktivnosti je razvoj višejezgreni procesori, tj. kombiniranje dva ili više procesora u jednom paketu kako bi se paralelno (simultano) izvodilo nekoliko operacija.

Vodeće tvrtke u razvoju i proizvodnji procesora su Intel i AMD.

Algoritam rada mikroprocesorskog sustava

Algoritam je precizan recept koji nedvosmisleno specificira proces transformacije početnih informacija u slijed operacija koji omogućuje rješavanje skupa problema određene klase i dobivanje željenog rezultata.

Glavni upravljački element cjelokupnog mikroprocesorskog sustava je procesor. On je taj koji, s izuzetkom nekoliko posebnih slučajeva, upravlja svim ostalim uređajima. Preostali uređaji, kao što su RAM, ROM i I/O portovi, su robovi.

Procesor odmah nakon uključivanja počinje čitati digitalne kodove iz memorijskog područja rezerviranog za pohranu programa. Čitanje se odvija redom ćeliju po ćeliju, počevši od prve. Ćelija sadrži podatke, adrese i naredbe. Naredba je jedna od elementarnih radnji koje mikroprocesor može izvesti. Sav rad mikroprocesora svodi se na sekvencijalno čitanje i izvršavanje naredbi.

Razmotrimo redoslijed radnji mikroprocesora tijekom izvršavanja programskih naredbi:

1) Prije izvršenja sljedeće instrukcije, mikroprocesor sadrži svoju adresu u programskom brojaču PC.

2) MP pristupa memoriji na adresi sadržanoj u PC-u i čita prvi bajt sljedeće naredbe iz memorije u registar naredbi.

3) Dekoder naredbi dekodira (dešifrira) naredbeni kod.

4) U skladu s informacijama primljenim od dekodera, upravljački uređaj generira vremenski uređen niz mikrooperacija koje provode naredbene instrukcije, uključujući:

Dohvaća operande iz registara i memorije;

Izvodi nad njima aritmetičke, logičke ili druge operacije propisane naredbenim kodom;

Ovisno o duljini naredbe, mijenja sadržaj računala;

Prenosi kontrolu na sljedeću naredbu, čija se adresa opet nalazi u programskom brojaču PC-a.

Skup naredbi mikroprocesora može se podijeliti u tri skupine:

1) Naredbe za kretanje podataka

Kretanje se događa između memorije, procesora, I/O portova (svaki port ima svoju adresu) i između registara procesora.

2) Naredbe za konverziju podataka

Svaki podatak (tekst, crtež, video itd.) su brojevi, a s brojevima se mogu izvoditi samo aritmetičke i logičke operacije. Stoga naredbe u ovoj skupini uključuju zbrajanje, oduzimanje, usporedbu, logičke operacije itd.

3) Naredba prijenosa

Vrlo rijetko se program sastoji od jedne sekvencijalne naredbe. Ogromna većina algoritama zahtijeva grananje programa. Kako bi program mogao promijeniti algoritam svog rada ovisno o bilo kojem stanju, koriste se naredbe prijenosa kontrole. Ove naredbe osiguravaju da izvođenje programa teče različitim stazama i organiziraju petlje.

Vanjski uređaji

Vanjski uređaji uključuju sve uređaje smještene izvan procesora (osim RAM-a) i spojene preko I/O priključaka. Vanjski uređaji mogu se podijeliti u tri skupine:

1) uređaji za komunikaciju između čovjeka i računala (tipkovnica, monitor, pisač i dr.);

2) uređaji za komunikaciju s objektima upravljanja (senzori, aktuatori, ADC i DAC);

3) vanjski uređaji za pohranu velikog kapaciteta (tvrdi disk, diskovni pogoni).

Vanjski uređaji povezani su s mikroprocesorskim sustavom fizički - konektorima, te logički - portovima (kontrolerima).

Za interakciju između procesora i vanjskih uređaja koristi se prekidni sustav (mehanizam).

Sustav prekida

Ovo je poseban mehanizam koji omogućuje, u bilo kojem trenutku, vanjskim signalom, prisiljavanje procesora da obustavi izvršenje glavnog programa, izvrši operacije povezane s događajem koji je uzrokovao prekid, a zatim se vrati na izvršenje glavnog programa.

Svaki mikroprocesor ima barem jedan ulaz zahtjeva za prekid INT (od riječi Interrupt - prekid).

Razmotrimo primjer interakcije između procesora osobnog računala i tipkovnice (slika 4).

Tipkovnica je uređaj za unos simboličkih informacija i upravljačkih naredbi. Za spajanje tipkovnice računalo ima poseban priključak za tipkovnicu (čip).

Slika 4 – Rad procesora s tipkovnicom

Algoritam rada:

1) Kada pritisnete tipku, kontroler tipkovnice generira digitalni kod. Ovaj signal ide do čipa porta tipkovnice.

2) Priključak tipkovnice šalje signal prekida procesoru. Svaki vanjski uređaj ima svoj broj prekida, po kojem ga procesor prepoznaje.

3) Nakon što primi prekid od tipkovnice, procesor prekida izvođenje programa (na primjer, uređivač Microsoft Office Word) i učitava program za obradu kodova s ​​tipkovnice iz memorije. Ovaj program se zove upravljački program.

4) Ovaj program usmjerava procesor na priključak tipkovnice i digitalni kod se učitava u registar procesora.

5) Digitalni kod se pohranjuje u memoriju i procesor prelazi na izvođenje drugog zadatka.

Zbog svoje velike brzine, procesor obavlja veliki broj procesa istovremeno.