Što su mikroprocesori, danas svatko zna. To je jedna od najzanimljivijih tehnoloških inovacija u elektronici od nastanka tranzistora 1948. godine. Čudo uređaji ne samo pokrenula revoluciju u području digitalne elektronike, ali i prodrla u gotovo svim sferama ljudskog života. Koriste se u složenim kontrolerima, dispečerskoj kontrolnoj opremi, u jednostavnim igračkim strojevima i čak igračkama.
Što su mikroprocesori?
Računalo, veliko i ne baš funkcionalno (u pojednostavljenom obliku), može se predstaviti kao dijagram toka koji se sastoji od tri glavna dijela:
središnja procesorska jedinica (CPU), koja izvodi potrebnu logiku i aritmetiku operacijama, korištenjem registara (mikroprocesorske memorije), te kontrole sinkronizacije i suradnje cijelog sustava.
U /I uređaji koji služe za dostavu podataka u CPU (to su prekidači, analogno-digitalni pretvarači, čitači memorijskih kartica, tipkovnice, pogoni tvrdih diskova itd.) I izlaz rezultate kalkulacija (LED, zasloni, digitalno-analogni pretvarači, pisači, crtači, komunikacijski vodovi itd.). Tako I /O podsustav omogućuje računalu da komunicira s vanjskim svijetom. Takvi se uređaji nazivaju i periferni uređaji.
Memorija u kojoj su pohranjene naredbe (programi) i podaci. Obično se sastoji od RAM-a (memorija s izravnim pristupom) i ROM-a (trajno, namijenjeno samo začitanje).
Mikroprocesor je integralni krug dizajniran za rad kao CPU mikroračunala.
Načelo djelovanja
Svrha mikroprocesora je čitanje svake memorijske naredbe, njezino dekodiranje i izvršenje. Procesor obrađuje podatke u skladu s programskim uputama u obliku logičkih i aritmetičkih operacija. Informacije se izdvajaju iz memorije ili dolaze iz ulaznog uređaja, a rezultat obrade pohranjuje se u memoriju ili dostavlja odgovarajućem izlaznom uređaju kako je navedeno u naredbama. To su mikroprocesori. Za izvršavanje ovih funkcija, oni imaju različite funkcionalne blokove. Takva unutarnja ili organizacijska struktura CPU-a, koja određuje njen rad, naziva se njezinom arhitekturom.
Tipična shema sklopa mikroprocesora prikazana je na slici ispod.
Gume
Mikroračunalo radi s binarnim kodom. Binarne informacije predstavljaju binarne znamenke, koje se nazivaju bitovi. Skupina bitova tvori strojnu riječ (njihov broj ovisi o određenoj implementaciji). Uobičajene riječi veličine su 4812 1632 i 64 bita. Bajt i polbajt predstavljaju skup od 8 odnosno 4 bita. Gume spajaju različite jedinice uređaja i omogućuju im razmjenu riječi stroja. Izrađuju se kao zasebna žica za svaki bit, što vam omogućuje razmjenu svih znamenki strojne riječi odjednom. Obrada informacija u CPU-u također se odvija paralelno. Stoga se gume mogu smatrati prijenosnim vodovima. Njihova širina određena je brojem komponenti njihove signalizacijelinije. Adresiranjem sabirnice, CPU prenosi adresu I /O uređaja ili memorijske ćelije kojoj želi pristup. Ovu adresu prihvaćaju svi uređaji povezani s procesorom. Ali samo osoba kojoj je zahtjev upućen reagira na to. Podatkovna sabirnica služi za slanje i primanje informacija s ulaznih /izlaznih uređaja i memorije, uključujući naredbe. Očito je dvosmjerno, a adresa je jednosmjerna. Upravljačka sabirnica se koristi za prijenos i primanje upravljačkih signala između mikroprocesora i različitih elemenata sustava.
Aritmetički logički uređaj i interni registri
je kombinirana mreža koja obavlja sve logičke i aritmetičke operacije nad podacima. Mikroprocesor obično uključuje više registara. Koriste se za privremeno spremanje naredbi, podataka i adresa tijekom izvršavanja programa. Na primjer, u mikroprocesoru Intel 8085 ima 8-bitnu bateriju (Acc), 6 8-bitnih registara opće namjene (B, C, D, E, H i L), 8-znamenkasti registar naredbi (IR), koji pohranjuje sljedeće instrukcija, 16-bitni programski brojač adrese sljedeće naredbe koja se bira iz memorije u IR, 16-bitnom stack pokazivaču, registru zastave, koji signalizira ispunjenje određenih uvjeta koji nastaju tijekom izvršenja logičkih i aritmetičkih operacija, a neki drugi posebni registri za unutarnje procese kojima pristup programer ne postoji.
Dekoder, upravljačka jedinica i memorija
Dešifrira svaku naredbu i upravlja vanjskim iunutarnjim blokovima, osiguravajući ispravnu logiku sustava. Za spremanje naredbi, podataka i računskih rezultata potrebni su poluvodički uređaji za pohranu. Program se pohranjuje u memoriju spojenu na mikroprocesor preko adresne sabirnice i podatkovne sabirnice i kontrole (poput I /O uređaja).
Sučelje
Ako jedan ili više U /I uređaja moraju biti spojeni na CPU, onda postoji potreba za odgovarajućim sučeljem. On obavlja sljedeće 4 funkcije:
baferiranje, potrebno za osiguranje kompatibilnosti mikroprocesora i periferije;
dekodiranje adrese za odabir jednog od više U /I uređaja spojenih na sustav;
dekodiranje naredbi koje su potrebne za obavljanje funkcija koje nisu prijenos podataka;
sinkronizacija i upravljanje svim gore navedenim funkcijama.
Prijenos informacija
Razmjena podataka između perifernog uređaja i mikroračunala odnosi se ili na programski prijenos ili na izravan pristup memoriji. U prvom slučaju, preuzeti program traži I /O sustav za prijenos podataka s mikroprocesora ili na njega. U pravilu, informacija ulazi u bateriju, iako mogu biti uključeni i drugi interni registri. Programiranje se obično koristi kod slanja malih količina podataka na spore uređaje za unos /izlaz, kao što su periferni množitelji, periferne ALU, itd.riječima.
Izravan pristup ciklusima memorije ili snimanja kontrolira periferni uređaj. Osim toga, I /O sustav prisilno odgađa robota mikroprocesora dok se prijenos ne dovrši. Budući da se proces kontrolira hardverom, sučelje je složenije nego što je potrebno za programski prijenos podataka. Koristi se kada je to potrebno za slanje velikog bloka informacija, na primjer iz perifernog spremnika, kao što je čitač kartica s brzim karticama s fleksibilnim diskovima.
Sučelje
Za razvoj korisničkih sučelja, dostupan je veliki hardver. To uključuje multipleksore i demultipleksere, linearne upravljačke programe i prijemnike, odbojnike, stabilne i monostabilne multivibratore, kvačice okidača, krugove vrata, registre pomaka itd. Postoje složenija programirana sučelja čije se funkcije mogu mijenjati naredbom mikroprocesora. Ta sučelja mogu biti opća ili posebna.
Programski jezici
Budući da računalo može pohranjivati i obrađivati binarne informacije, naredbe za slanje na stroj moraju biti prikazane u binarnom formatu. U ovom obliku program je u strojnom jeziku. Na asemblerskom jeziku, naredbe, uključujući mjesta pohrane, predstavljene su alfanumeričkim znakovima koji se nazivaju mnemonika. U usporedbi s strojnim jezikom, njihova upotreba olakšava pisanje programa. Međutim, ako je program napisan na takav mnemonički jezik, treba ga prevesti u upute,razumljiv stroju tako da se mogu pohraniti i izvršiti pomoću mikroračunala. U osnovi, jedna naredba za montažu emitira se u jednoj naredbi strojnog jezika. Pisanje aplikacija na asembleru je vrlo zamorno i zahtijeva puno vremena. Stoga su jezici na visokoj razini kao što su Fortran, Kobol, Algol, Pascal postali široko rasprostranjeni, koji se zatim mogu prevesti na strojni jezik. U tom slučaju jedan operater obično ispunjava nekoliko uputa strojnog jezika.
Skup naredbi mikroračunala
Glavne značajke mikroprocesora također su određene nizom uputa. Obično se sastoji od 5 skupina:
Grupa za prijenos podataka. Ove naredbe pomažu pri premještanju informacija između registara unutar mikroprocesora, između memorije i registarskih ili memorijskih ćelija.
Aritmetička skupina omogućuje sastavljanje, oduzimanje, povećanje ili smanjenje podataka u memoriji ili registrima (na primjer, sastaviti sadržaj dvaju registara CPU-a).
Logička skupina koristi se za operacije I, OR, osim OR, usporedbu, ciklički pomak, dodavanje podataka u memoriju ili registre (na primjer, za preskakanje kroz krug ILI sadržaj dvaju mikroprocesorskih registara).
Razgranata skupina uključuje bezuvjetne i uvjetne prijelaze, poziva podrutine i vraća od njih. Uvjetne upute služe kako bi se osiguralo da se određena operacija izvodi samo ako je ispunjen određeni uvjet (na primjer, ako želite ići na određenu naredbu kada je rezultat posljednjeg izračuna nula). Oni pružaju mogućnost samom programu da prihvatiRješenja.
Grupa stogova, I /O i mikroprocesorska kontrola generiraju prijenos podataka između CPU-a i periferije, manipulira stogom i mijenja zastavice unutarnje kontrole. Ove naredbe omogućuju programeru da zaustavi uređaj, pretvori ga u stanje bez rada, omogući i onemogući prekidni sustav, itd.
Upute pohranjene zajedno s podacima u memoriji mogu biti duljine 1 ili više bajtova. Duge naredbe pohranjene su u serijskim memorijskim ćelijama, a adresa prvog bajta uvijek se koristi kao adresa cijele naredbe. Osim toga, prvi bajt je uvijek operacijski kod.
Kronologija razvoja
Činjenica da su takvi mikroprocesori, svijet naučili u 1971, kada je američka korporacija Intel prvi put objavila Intel 4004. Izvršena je na jednom kristalu i bila je 4-bitna (tj. Radila istodobno s 4 bita podataka). Inspiriran uspjehom 4004, Intel je predstavio nadograđenu verziju Intel 4040. Mnoge druge tvrtke također su najavile 4-bitne mikroprocesore. Na primjer, Rockwell International PPS4 NEC? COM 4 i Toshiba T3472. Prvi 8-bitni CPU uveden je 1973. od strane iste tvrtke. Bio je to Intel 8008, nakon čega je uslijedila poboljšana verzija 8030. Nekoliko drugih proizvođača slijedilo je ovaj primjer. Najpoznatiji 8-bitni mikroprocesori su Intel 8085 Motorola M6800 NEC? COM85AF, National * SC /MP, Zilog Z80 i Fairchild F8. Tada je bilo 12 i 16-bitnih procesora. Primjeri prvih su IM 6100 Intersil i Toshiba T3190, a drugi je Intel 8086 Texas Instruments TMS 9940 i 9980 Fairchild 9440 Motorola M68000 Zilog Z670. Promjene u karakteristikama mikroprocesora od 1971. bile su usmjerene na poboljšanje arhitekture,skup naredbi, povećanje brzine, pojednostavljenje zahtjeva za snagom i povećanje volumena memorije i sredstava input-outputa u jednom čipu. Prvi tipovi mikroprocesora (400440408008) bili su temeljeni na PMOS tehnologiji, koja je zbog ograničenja brzine ustupila mjesto NMOS-u. Druge tehnologije uključuju CMOS, TTL, DTL, RTL.
