Mikroişlemci sistemleri

Mikroişlemci sistemlerinin hemen hemen tüm elektrikli cihazlarda kullanılması modern toplumun teknik altyapısının en önemli özelliğidir. Elektrik, endüstri, ulaşım, iletişim sistemleri büyük ölçüde bilgisayar kontrol sistemlerine bağlıdır. Mikroişlemci sistemleri, ölçüm aletlerine, elektrikli cihazlara, aydınlatma tesisatlarına vb. gömülüdür.

Bütün bunlar, elektrik mühendisinin en azından mikroişlemci teknolojisinin temellerini bilmesini zorunlu kılar.

Mikroişlemci sistemleri, bilgi işlemeyi otomatikleştirmek ve çeşitli işlemleri kontrol etmek için tasarlanmıştır.

"Mikroişlemci sistemi" terimi çok geniştir ve "elektronik bilgi işlem makinesi (ECM)", "kontrol bilgisayarı", "bilgisayar" ve diğerleri gibi kavramları içerir.

Mikroişlemci sistemi, Donanım veya İngilizce — donanım ve yazılım (Yazılım) — yazılım içerir.

dijital bilgi

Mikroişlemci sistemi, bir dizi sayısal kod olan dijital bilgi ile çalışır.

Herhangi bir mikroişlemci sisteminin merkezinde, yalnızca ikili sayıları (0'lar ve 1'lerden oluşan) kabul edebilen bir mikroişlemci bulunur.İkili sayılar, ikili sayı sistemi kullanılarak yazılır. Örneğin, günlük hayatta sayıları yazmak için on karakter veya rakam kullanan bir ondalık sayı sistemi kullanırız, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Buna göre, ikili sistemde bu tür yalnızca iki sembol (veya rakam) vardır - 0 ve 1.

Sayı sisteminin yalnızca sayı yazma kuralları olduğunu ve sistem türünün seçiminin kullanım kolaylığına göre belirleneceğini anlamak gerekir. İkili sistem seçimi, dijital cihazların güvenilirliği ve teknik uygulamalarının kolaylığı anlamına gelen basitliğinden kaynaklanmaktadır.

Dijital bilgilerin ölçü birimlerini göz önünde bulundurun:

Bir bit (İngilizce «Binary digit» — ikili basamaktan) yalnızca iki değer alır: 0 veya 1. Mantıksal değeri «evet» veya «hayır», durumu «açık» veya «kapalı», durumu « olarak kodlayabilirsiniz. açık» «veya» kapalı «vb.

Sekiz bitlik bir gruba bayt denir, örneğin 10010111. Bir bayt, 256 değeri kodlamanıza olanak tanır: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Bir bit, en küçük bilgi birimidir.

Bayt — en küçük bilgi işleme birimi. bayt - genellikle 8 bitten oluşan ve bir bilgisayarda depolanması, iletilmesi ve işlenmesi sırasında bilgi miktarı için bir birim olarak kullanılan bir makine kelimesinin parçası. Bir bayt, harfleri, heceleri ve özel karakterleri (genellikle 8 bitin tümünü kaplar) veya ondalık basamakları (1 baytta her biri 2 basamak) temsil etmeye yarar.

İki bitişik bayt kelime, 4 bayt çift kelime, 8 bayt dörtlü kelime olarak adlandırılır.

Bizi çevreleyen neredeyse tüm bilgiler analogdur. Bu nedenle, bilgi işlenmek üzere işlemciye girmeden önce bir ADC (analogdan dijitale dönüştürücü) kullanılarak dönüştürülür.Ayrıca bilgiler belirli bir formatta kodlanır ve dijital, mantıksal, metinsel (sembolik), grafik, video vb. olabilir.

Örneğin, metin bilgilerini kodlamak için bir ASCII kodları tablosu (İngilizce Amerikan Bilgi Değişimi Standart Kodundan) kullanılır. Bir karakter, 256 değer alabilen bir bayta yazılır. Grafik bilgiler noktalara (piksellere) bölünür ve her noktanın rengi ve konumu yatay ve dikey olarak kodlanır.

İkili ve ondalık sistemlere ek olarak, MS, sayıları yazmak için 0 ... 9 ve A ... F sembollerinin kullanıldığı onaltılık bir sistem kullanır.Kullanımı, bir baytın iki tarafından tanımlanmasından kaynaklanmaktadır. sayısal kodu kaydetmeyi büyük ölçüde azaltan ve daha okunaklı hale getiren basamaklı onaltılık sayı (11111111 - FF).

Tablo 1 — Farklı sayı sistemlerinde sayıların yazılması

Sayının değerini belirlemek için (örneğin, farklı sayı sistemleri için 100 sayısının değeri 42, 10010, 25616 olabilir), sayının sonuna sayı sistemini gösteren bir Latin harfi ekleyin: ikili sayılar için harf b, onaltılık sayılar için — h , ondalık sayılar için — d. Ek tanımı olmayan bir sayı, ondalık sayı olarak kabul edilir.

Sayıları bir sistemden diğerine dönüştürmek ve sayılarla temel aritmetik ve mantıksal işlemler, bir mühendislik hesap makinesi (Windows işletim sisteminin standart uygulaması) yapmanızı sağlar.

Bir mikroişlemci sisteminin yapısı

Mikroişlemci sistemi, bilgi işleme ve kontrol işlevlerini yerine getiren bir mikroişlemciye (işlemci) dayanmaktadır. Mikroişlemci sistemini oluşturan cihazların geri kalanı, işlemcinin çalışmasına yardımcı olarak hizmet eder.

Bir mikroişlemci sistemi oluşturmak için zorunlu cihazlar giriş / çıkış bağlantı noktalarıdır ve kısmen bellek... Giriş - çıkış bağlantı noktaları, işleme veya kontrol eylemlerinin sonuçlarını işlemek ve çıkarmak için bilgi sağlayarak işlemciyi dış dünyaya bağlar. Giriş portlarına düğmeler (klavye), çeşitli sensörler bağlanır; çıkış portlarına - elektrik kontrolüne izin veren cihazlar: göstergeler, ekranlar, kontaktörler, solenoid valfler, elektrik motorları, vb.

Bellek, öncelikle işlemcinin çalışması için gerekli olan bir programı (veya program dizisini) depolamak için gereklidir. Bir program, işlemcinin anladığı, bir insan (genellikle bir programcı) tarafından yazılan bir dizi komuttur.

Bir mikroişlemci sisteminin yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. İşlemci, basitleştirilmiş bir biçimde, dijital bilgileri işleyen bir aritmetik mantık birimi (ALU) ve bir kontrol biriminden (CU) oluşur.

Bellek tipik olarak kalıcı olan ve bilgilerin (ör. programlar) uzun süreli depolanmasına yönelik salt okunur belleği (ROM) ve geçici veri depolamaya yönelik rasgele erişimli belleği (RAM) içerir.

Şekil 1 — Mikroişlemci sisteminin yapısı

İşlemci, bağlantı noktaları ve bellek, veri yolları aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurar. Bir veri yolu, işlevsel olarak birleştirilmiş bir dizi teldir. Tek bir sistem veri yolu kümesine sistem içi veri yolu denir ve burada:

• İşlemci, bellek ve bağlantı noktaları arasında veri alışverişinin yapıldığı DB veri yolu (Veri Yolu);

• işlemcinin bellek hücrelerini ve bağlantı noktalarını adreslemek için kullanılan adres veriyolu AB (Adres Veriyolu);

• kontrol veriyolu CB (Kontrol Veriyolu), çeşitli kontrol sinyallerini işlemciden harici cihazlara ve bunun tersini ileten bir dizi hat.

Mikroişlemciler

Mikroişlemci - dijital bilgileri işlemek ve bu işleme sürecini kontrol etmek için tasarlanmış, elektronik elemanların yüksek derecede entegrasyonuna sahip bir (veya birkaç) entegre devre şeklinde yapılmış, yazılım kontrollü bir cihaz.

Bir mikroişlemci, hem karmaşık bir yazılım kontrollü aygıt hem de bir elektronik aygıt (mikrodevre) olduğundan, çok sayıda parametre ile karakterize edilir. Dolayısıyla bir mikroişlemci için hem durum tipi hem de işlemci için komut seti… Bir mikroişlemcinin yetenekleri, mikroişlemci mimarisi kavramı ile tanımlanır.

İşlemcinin adındaki «mikro» ön eki, işlemcinin mikron teknolojisi kullanılarak uygulandığı anlamına gelir.

Şekil 2 — Intel Pentium 4 mikroişlemcinin dış görünümü

Çalışma sırasında mikroişlemci, program komutlarını bellekten veya bir giriş bağlantı noktasından okur ve bunları yürütür. Her bir komutun ne anlama geldiği, işlemcinin komut seti tarafından belirlenir.Komut seti, mikroişlemcinin mimarisine yerleştirilmiştir ve komut kodunun yürütülmesi, işlemcinin dahili öğeleri tarafından belirli mikro-işlemlerin yürütülmesinde ifade edilir.

Mikroişlemci mimarisi — bu onun mantıksal organizasyonudur; bir mikroişlemci sistemi oluşturmak için gerekli işlevlerin donanım ve yazılım uygulaması açısından mikroişlemcinin yeteneklerini tanımlar.

Mikroişlemcilerin temel özellikleri:

1) Saat frekansı (ölçü birimi MHz veya GHz) — 1 saniyedeki saat darbelerinin sayısı.Saat darbeleri, genellikle işlemcinin içinde bulunan bir saat üreteci tarafından üretilir. Tüm işlemler (talimatlar) saat döngülerinde gerçekleştirildiğinden, iş performansı (birim zamanda gerçekleştirilen işlem sayısı) saat frekansına bağlıdır. İşlemci frekansı belirli sınırlar içinde değişiklik gösterebilir.

2) Bit işlemci (8, 16, 32, 64 bit, vb.) — bir saat döngüsünde işlenen verilerin bayt sayısını belirtir. Bir işlemcinin bit genişliği, dahili yazmaçlarının bit genişliği ile belirlenir. Bir işlemci 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit vs. olabilir. veriler 1, 2, 4, 8 baytlık parçalar halinde işlenir. Bit derinliği ne kadar büyük olursa, iş üretkenliğinin de o kadar yüksek olduğu açıktır.

Mikroişlemcinin iç mimarisi

Tipik bir 8 bitlik mikroişlemcinin basitleştirilmiş iç mimarisi Şekil 3'te gösterilmektedir. Mikroişlemcinin yapısı üç ana bölüme ayrılabilir:

1) Komutların, verilerin ve adreslerin geçici olarak saklanması için kayıtlar;

2) Aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştiren aritmetik mantık birimi (ALU);

3) Kontrol ve zamanlama devresi — komut seçimi sağlar, ALU'nun çalışmasını düzenler, tüm mikroişlemci kayıtlarına erişim sağlar, harici kontrol sinyallerini algılar ve üretir.

Şekil 3 — 8 bitlik bir mikroişlemcinin basitleştirilmiş dahili mimarisi

Şemadan da görebileceğiniz gibi, işlemci, özel (belirli bir amaca sahip) ve genel amaçlı kayıtlara ayrılan kayıtlara dayanmaktadır.

Program sayacı (bilgisayar) — bir sonraki komut baytının adresini içeren bir kayıt. İşlemcinin bundan sonra hangi komutun yürütüleceğini bilmesi gerekir.

Pil — mantık ve aritmetik işleme talimatlarının çoğunda kullanılan bir kayıt; hem ALU işlemi için gerekli olan byte'lardan birinin kaynağı hem de ALU işlemi sonucunun yerleştirildiği yerdir.

Bir işlev kaydı (veya bayrak kaydı), özellikle son ALU işleminin sonucu olmak üzere mikroişlemcinin dahili durumu hakkında bilgi içerir. Bir bayrak kaydı, olağan anlamda bir kayıt değil, sadece bir dizi flip floptur (yukarı veya aşağı bayrak. Genellikle sıfır, taşma, negatif ve taşıma bayrakları vardır).

Yığın İşaretçisi (SP) — yığının konumunu takip eder, yani son kullanılan hücresinin adresini içerir. Yığın — veri depolamayı organize etmenin bir yolu.

Bir komut kaydı, komut kod çözücü tarafından kodu çözülen geçerli komut baytını içerir.

Harici veri yolu hatları, dahili veri yolu hatlarından arabelleklerle izole edilmiştir ve ana dahili elemanlar, yüksek hızlı bir dahili veri yolu ile bağlanmıştır.

Çok işlemcili bir sistemin performansını artırmak için, merkezi işlemcinin işlevleri birkaç işlemci arasında dağıtılabilir. Merkezi işlemciye yardımcı olmak için, bilgisayar genellikle herhangi bir özel işlevin verimli bir şekilde yürütülmesine odaklanan yardımcı işlemciler sunar. Yaygın matematiksel ve grafik yardımcı işlemciler, merkezi işlemcinin yükünü harici cihazlarla basit ama çok sayıda etkileşim işleminden alan giriş ve çıkış.

Mevcut aşamada, üretkenliği artırmanın ana yönü, çok çekirdekli işlemcilerin geliştirilmesidir, yani. birkaç işlemi paralel olarak (aynı anda) gerçekleştirmek için iki veya daha fazla işlemciyi bir durumda birleştirmek.

Intel ve AMD, işlemci tasarlama ve üretme konusunda lider şirketlerdir.

Mikroişlemci sistem algoritması

Algoritma, ilk bilgileri belirli bir sınıftaki bir dizi görevi çözmeye ve istenen sonucu elde etmeye olanak tanıyan bir dizi işlem haline dönüştürme sürecini benzersiz bir şekilde belirleyen kesin bir reçetedir.

Tüm mikroişlemci sisteminin ana kontrol elemanı bir işlemcidir... Birkaç özel durum dışında diğer tüm cihazları kontrol eder. RAM, ROM ve G / Ç bağlantı noktaları gibi geri kalan cihazlar ikincildir.

İşlemci açılır açılmaz, programları depolamak için ayrılan bellek alanından dijital kodları okumaya başlar. Okuma, ilk hücreden başlayarak sırayla hücre hücre yapılır. Bir hücrede veriler, adresler ve komutlar bulunur. Talimat, bir mikroişlemcinin gerçekleştirebileceği temel eylemlerden biridir. Mikroişlemcinin tüm işi, komutların sıralı okunmasına ve yürütülmesine indirgenmiştir.

Program komutlarının yürütülmesi sırasında mikroişlemcinin eylem sırasını göz önünde bulundurun:

1) Bir sonraki komut yürütülmeden önce, mikroişlemci adresini bilgisayar program sayacında saklar.

2) MP, bilgisayarda bulunan adresteki belleğe erişir ve bellekten, komut kaydındaki bir sonraki komutun ilk baytını okur.

3) Komut kod çözücü, komut kodunun kodunu çözer (deşifre eder).

4) Kod çözücüden alınan bilgilere uygun olarak, kontrol birimi, aşağıdakiler dahil, komut talimatlarını yürüten, zaman sıralı bir mikro işlemler dizisi üretir:

— kayıtlardan ve bellekten işlenenleri alır;

— bunlar üzerinde komut kodunda belirtilen aritmetik, mantıksal veya diğer işlemleri gerçekleştirir;

— komutun uzunluğuna bağlı olarak bilgisayarın içeriğini değiştirir;

— kontrolü, adresi yine bilgisayar programı sayacında olan bir sonraki komuta aktarır.

Bir mikroişlemci için komut seti üç gruba ayrılabilir:

1) Verileri taşıma komutları

Aktarım, bellek, işlemci, G / Ç bağlantı noktaları (her bağlantı noktasının kendi adresi vardır) arasında, işlemci kayıtları arasında gerçekleşir.

2) Veri dönüştürme komutları

Tüm veriler (metin, resim, video vb.) sayıdır ve sayılarla yalnızca aritmetik ve mantıksal işlemler yapılabilir. Bu nedenle, bu grubun komutları toplama, çıkarma, karşılaştırma, mantıksal işlemler vb. içerir.

3) Kontrol komutunun aktarımı

Bir programın tek bir sıralı komuttan oluşması çok nadirdir. Algoritmaların çoğu, program dallarına ayırmayı gerektirir. Programın çalışma algoritmasını herhangi bir koşula bağlı olarak değiştirebilmesi için kontrol aktarım komutları kullanılmaktadır. Bu komutlar, program yürütme akışının farklı yollar boyunca akışını sağlar ve döngüleri düzenler.

Harici cihazlar

Harici cihazlar, işlemciye harici olan (RAM hariç) ve G / Ç bağlantı noktaları üzerinden bağlanan tüm cihazları içerir. Harici cihazlar üç gruba ayrılabilir:

1) insan-bilgisayar iletişim cihazları (klavye, monitör, yazıcı vb.);

2) kontrol nesneleri (sensörler, aktüatörler, ADC ve DAC) ile iletişim için cihazlar;

3) büyük kapasiteli harici depolama aygıtları (sabit disk, disketler).

Harici aygıtlar mikroişlemci sistemine fiziksel olarak - konektörler aracılığıyla ve mantıksal olarak - bağlantı noktaları (denetleyiciler) aracılığıyla bağlanır.

İşlemci ve harici cihazlar arasında arayüz oluşturmak için bir kesme sistemi (mekanizma) kullanılır.

Kesinti sistemi

Bu, herhangi bir zamanda, harici bir sinyal aracılığıyla işlemciyi ana programın yürütülmesini durdurmaya, kesintiye neden olan olayla ilgili işlemleri gerçekleştirmeye ve ardından ana programın yürütülmesine geri dönmeye zorlayan özel bir mekanizmadır. .

Her mikroişlemcinin en az bir kesme isteği girişi INT (Interrupt kelimesinden) vardır.

Bir kişisel bilgisayar işlemcisinin bir klavye ile etkileşimine bir örnek verelim (Şekil 4).

Klavye — sembolik bilgileri ve kontrol komutlarını girmek için bir cihaz. Klavyeyi bağlamak için bilgisayarda özel bir klavye bağlantı noktası (yonga) vardır.

Şekil 4 — Klavye ile CPU işlemi

İşin algoritması:

1) Bir tuşa basıldığında, klavye denetleyicisi sayısal bir kod üretir. Bu sinyal klavye bağlantı noktası yongasına gider.

2) Klavye bağlantı noktası CPU'ya bir kesme sinyali gönderir. Her harici aygıtın, işlemcinin onu tanıdığı kendi kesme numarası vardır.

3) Klavyeden bir kesinti aldıktan sonra, işlemci programın yürütülmesini durdurur (örneğin, Microsoft Office Word düzenleyicisi) ve klavye kodlarını işlemek için programı bellekten yükler. Böyle bir programa sürücü denir.

4) Bu program işlemciyi klavye portuna yönlendirir ve sayısal kod işlemci kaydına yüklenir.

5) Dijital kod bellekte saklanır ve işlemci başka bir görevi yerine getirmeye devam eder.

İşlemci, yüksek çalışma hızı nedeniyle aynı anda çok sayıda işlemi yürütür.