מערכות מיקרו-מעבד

השימוש במערכות מיקרו-מעבד כמעט בכל המכשירים החשמליים הוא המאפיין החשוב ביותר של התשתית הטכנית של החברה המודרנית. מערכות חשמל, תעשייה, תחבורה, תקשורת תלויות מאוד במערכות בקרת מחשב. מערכות מיקרו-מעבד משובצות במכשירי מדידה, מכשירים חשמליים, מתקני תאורה וכו'.

כל זה מחייב את מהנדס החשמל לדעת לפחות את היסודות של טכנולוגיית המיקרו-מעבד.

מערכות מיקרו-מעבדים נועדו להפוך את עיבוד המידע לאוטומטיות ולשלוט בתהליכים שונים.

המונח "מערכת מיקרו-מעבד" הוא רחב מאוד וכולל מושגים כמו "מכונת מחשוב אלקטרונית (ECM)", "מחשב בקרה", "מחשב" ואחרים.

מערכת המיקרו-מעבד כוללת חומרה או באנגלית - חומרה ותוכנה (תוכנה) - תוכנה.

מידע דיגיטלי

מערכת המיקרו-מעבד עובדת עם מידע דיגיטלי, שהוא סדרה של קודים מספריים.

בליבה של כל מערכת מיקרו-מעבד הוא מיקרו-מעבד שיכול לקבל רק מספרים בינאריים (המורכבים מ-0 ו-1).מספרים בינאריים נכתבים באמצעות מערכת המספרים הבינארית. לדוגמה, בחיי היומיום אנו משתמשים במערכת מספרים עשרוניים המשתמשת בעשרה תווים או ספרות כדי לכתוב מספרים, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. בהתאם לכך, במערכת הבינארית יש רק שני סמלים (או ספרות) כאלה - 0 ו-1.

יש להבין שמערכת המספרים היא רק הכללים לכתיבת מספרים, והבחירה בסוג המערכת תקבע לפי נוחות השימוש. הבחירה במערכת בינארית נובעת מהפשטות שלה, שמשמעותה האמינות של מכשירים דיגיטליים וקלות היישום הטכני שלהם.

שקול את יחידות המדידה של מידע דיגיטלי:

ביט (מהאנגלית «Binary digiT» — ספרה בינארית) לוקח רק שני ערכים: 0 או 1. אתה יכול לקודד את הערך הלוגי «כן» או «לא», המצב «מופעל» או «כבוי», המצב « פתוח» «או» סגור «וכו'.

קבוצה של שמונה ביטים נקראת בייט, למשל 10010111. בית אחד מאפשר לקודד 256 ערכים: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

מעט הוא יחידת המידע הקטנה ביותר.

Byte - היחידה הקטנה ביותר של עיבוד מידע. Byte - חלק ממילת מכונה, מורכבת לרוב מ-8 סיביות ומשמשת כיחידה לכמות המידע במהלך אחסונו, שידורו ועיבודו במחשב. בית משמש לייצוג אותיות, הברות ותווים מיוחדים (בדרך כלל תופסים את כל 8 הסיביות) או ספרות עשרוניות (כל אחת 2 ספרות ב-1 בתים).

שני בתים רציפים נקראים מילה, 4 בתים מילה כפולה, 8 בתים מילה מרובעת.

כמעט כל המידע המקיף אותנו הוא אנלוגי. לכן, לפני שהמידע נכנס למעבד לעיבוד, הוא מומר באמצעות ADC (ממיר אנלוגי לדיגיטלי).בנוסף, המידע מקודד בפורמט מסוים ויכול להיות דיגיטלי, לוגי, טקסטואלי (סמלי), גרפי, וידאו וכו'.

לדוגמה, טבלה של קודי ASCII (מתוך קוד סטנדרטי אנגלי אמריקאי להחלפת מידע) משמשת לקידוד מידע טקסט. תו אחד נכתב בבייט אחד, שיכול לקחת 256 ערכים. מידע גרפי מחולק לנקודות (פיקסלים), והצבע והמיקום של כל נקודה מקודדים אופקית ואנכית.

בנוסף למערכת הבינארית והעשרונית, MS משתמשת במערכת הקסדצימלית שבה הסמלים 0 ... 9 ו-A ... F משמשים לכתיבת מספרים. השימוש בה נובע מכך שבית אחד מתואר על ידי שני מספר הקסדצימלי - ספרתי, אשר מקטין מאוד את הקוד המספרי והופך אותו לקריאה יותר (11111111 - FF).

טבלה 1 - כתיבת מספרים במערכות מספרים שונות

כדי לקבוע את ערך המספר (לדוגמה, הערך של המספר 100 עבור מערכות מספרים שונות יכול להיות 42, 10010, 25616), בסוף המספר הוסף אות לטינית המציינת את מערכת המספרים: עבור מספרים בינאריים האות ב, עבור מספרים הקסדצימליים - h , עבור מספרים עשרוניים - ד. מספר ללא ייעוד נוסף נחשב לעשרוני.

המרת מספרים ממערכת אחת לאחרת ופעולות אריתמטיות והגיוניות בסיסיות עם מספרים מאפשרת ליצור מחשבון הנדסי (יישום סטנדרטי של מערכת ההפעלה Windows).

מבנה של מערכת מיקרו-מעבד

מערכת המיקרו-מעבד מבוססת על מיקרו-מעבד (מעבד) המבצע פונקציות עיבוד מידע ובקרה. שאר המכשירים המרכיבים את מערכת המיקרו-מעבד משרתים את המעבד בכך שהם עוזרים לו לעבוד.

התקני חובה ליצירת מערכת מיקרו-מעבד הם יציאות קלט/פלט וחלקו זיכרון... כניסות - יציאות פלט מחברות את המעבד לעולם החיצון על ידי מתן מידע לעיבוד ופלט של תוצאות פעולות עיבוד או בקרה. לחצנים (מקלדת), חיישנים שונים מחוברים ליציאות הקלט; ליציאות פלט - מכשירים המאפשרים שליטה חשמלית: מחוונים, צגים, מגעים, שסתומי סולנואיד, מנועים חשמליים וכו'.

הזיכרון נחוץ בעיקר כדי לאחסן תוכנית (או קבוצת תוכניות) הדרושים למעבד לפעול. תוכנית היא רצף של פקודות שהמעבד מבין, שנכתבו על ידי אדם (בדרך כלל מתכנת).

המבנה של מערכת מיקרו-מעבד מוצג באיור 1. בצורה פשוטה, המעבד מורכב מיחידה לוגית אריתמטית (ALU) המעבדת מידע דיגיטלי, ומיחידת בקרה (CU).

זיכרון כולל בדרך כלל זיכרון לקריאה בלבד (ROM), שאינו נדיף ומיועד לאחסון מידע ארוך טווח (למשל, תוכניות), וזיכרון בגישה אקראית (RAM), המיועד לאחסון נתונים זמני.

איור 1 - המבנה של מערכת המיקרו-מעבד

המעבד, היציאות והזיכרון מתקשרים זה עם זה באמצעות אוטובוסים. אוטובוס הוא קבוצה של חוטים המאוחדים פונקציונלית. קבוצה אחת של אפיקי מערכת נקראת אפיק תוך-מערכתי, שבהם יש:

• אפיק נתונים DB (Data Bus), שדרכו מחליפים נתונים בין המעבד, הזיכרון והיציאות;

• אפיק כתובת AB (Address Bus), המשמש למתן מענה לתאי הזיכרון והיציאות של המעבד;

• אפיק בקרה CB (Control Bus), קבוצה של קווים המעבירים אותות בקרה שונים מהמעבד להתקנים חיצוניים ולהיפך.

מיקרו-מעבדים

מיקרו-מעבד - מכשיר מבוקר תוכנה שנועד לעבד מידע דיגיטלי ולשלוט בתהליך של עיבוד זה, המיוצר בצורה של מעגל משולב אחד (או כמה) עם רמה גבוהה של אינטגרציה של אלמנטים אלקטרוניים.

מיקרו-מעבד מאופיין במספר רב של פרמטרים, שכן מדובר גם במכשיר הנשלט על ידי תוכנה מורכב וגם במכשיר אלקטרוני (מיקרו-מעגל). לכן, עבור מיקרו-מעבד, גם סוג המארז וגם ערכת ההוראות עבור המעבד... היכולות של מיקרו-מעבד מוגדרות על ידי הרעיון של ארכיטקטורת מעבד.

הקידומת «מיקרו» בשם המעבד פירושה שהוא מיושם באמצעות טכנולוגיית מיקרון.

איור 2 - מבט חיצוני של מעבד Intel Pentium 4

במהלך הפעולה, המיקרו-מעבד קורא פקודות תוכנית מהזיכרון או מיציאת קלט ומבצע אותן. המשמעות של כל פקודה נקבעת ע"י מערך ההוראות של המעבד. מערך ההוראות מובנה בארכיטקטורה של המיקרו-מעבד, וביצוע קוד הפקודה מתבטא בביצוע מיקרו-פעולות מסוימות ע"י האלמנטים הפנימיים של המעבד.

ארכיטקטורת מעבדים - זהו הארגון הלוגי שלה; הוא מגדיר את היכולות של המיקרו-מעבד במונחים של יישום החומרה והתוכנה של הפונקציות הנדרשות לבניית מערכת מיקרו-מעבד.

מאפיינים עיקריים של מיקרו-מעבדים:

1) תדר שעון (יחידת מדידה מגה-הרץ או גיגה-הרץ) - מספר פעימות השעון בשנייה אחת.פולסי השעון נוצרים על ידי מחולל שעון, אשר נמצא בדרך כלל בתוך המעבד. מכיוון שכל הפעולות (ההוראות) מבוצעות במחזורי שעון, אזי ביצוע העבודה (מספר הפעולות המבוצעות ליחידת זמן) תלוי בתדר השעון. תדירות המעבד עשויה להשתנות בגבולות מסוימים.

2) מעבד סיביות (8, 16, 32, 64 סיביות וכו') - מציין את מספר הבתים של נתונים המעובדים במחזור שעון אחד. רוחב הסיביות של מעבד נקבע לפי רוחב הסיביות של האוגרים הפנימיים שלו. מעבד יכול להיות 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit וכו', כלומר. הנתונים מעובדים בנתחים של 1, 2, 4, 8 בתים. ברור שככל שעומק הסיביות גדול יותר, כך תפוקת העבודה גבוהה יותר.

ארכיטקטורה פנימית של המיקרו-מעבד

ארכיטקטורה פנימית פשוטה של ​​מיקרו-מעבד טיפוסי של 8 סיביות מוצגת באיור 3. ניתן לחלק את מבנה המיקרו-מעבד לשלושה חלקים עיקריים:

1) פנקסים לאחסון זמני של פקודות, נתונים וכתובות;

2) יחידת לוגיקה אריתמטית (ALU) המבצעת פעולות אריתמטיות והגיוניות;

3) מעגל בקרה ותזמון - מספק בחירת פקודות, מארגן את פעולת ה-ALU, מספק גישה לכל אוגרי המיקרו-מעבד, קולט ומייצר אותות בקרה חיצוניים.

איור 3 - ארכיטקטורה פנימית פשוטה של ​​מעבד 8 סיביות

כפי שניתן לראות מהדיאגרמה, המעבד מבוסס על רגיסטרים, המחולקים לרגיסטרים מיוחדים (עם מטרה ספציפית) ולכללי.

מונה תוכניות (מחשב) - אוגר המכיל את הכתובת של בית הפקודה הבא. המעבד צריך לדעת איזו פקודה תתבצע לאחר מכן.

סוללה - אוגר המשמש ברוב ההוראות לעיבוד לוגי וחשבוני; זה גם המקור של אחד מבייט הנתונים הנדרשים עבור פעולת ALU וגם המקום שבו ממוקמת התוצאה של פעולת ALU.

אוגר פונקציות (או אוגר דגל) מכיל מידע על המצב הפנימי של המיקרו-מעבד, במיוחד התוצאה של פעולת ה-ALU האחרונה. אוגר דגל אינו אוגר במובן הרגיל, אלא פשוט סט של כפכפים (דגל למעלה או למטה. יש בדרך כלל דגלי אפס, הצפה, שליליים ודגלי נשיאה).

מצביע מחסנית (SP) - עוקב אחר מיקום הערימה, כלומר, הוא מכיל את הכתובת של התא האחרון שבו השתמשת. מחסנית - דרך לארגן אחסון נתונים.

אוגר פקודות מכיל את בית הפקודה הנוכחי המפוענח על ידי מפענח הפקודה.

קווי האוטובוס החיצוניים מבודדים מקווי האוטובוס הפנימיים על ידי מאגרים, והאלמנטים הפנימיים העיקריים מחוברים באמצעות אפיק נתונים פנימי במהירות גבוהה.

כדי לשפר את הביצועים של מערכת מרובת מעבדים, ניתן לחלק את הפונקציות של המעבד המרכזי בין מספר מעבדים. כדי לעזור למעבד המרכזי, המחשב מציג לעתים קרובות מעבדים משותפים, המתמקדים בביצוע יעיל של כל פונקציה ספציפית. מעבדים משותפים מתמטיים וגרפיים נרחבים, קלט ופלט מורידים את המעבד המרכזי מפעולות פשוטות אך רבות של אינטראקציה עם התקנים חיצוניים.

בשלב הנוכחי, הכיוון העיקרי להגברת הפרודוקטיביות הוא פיתוח מעבדים מרובי ליבות, כלומר. שילוב של שני מעבדים או יותר במקרה אחד לביצוע מספר פעולות במקביל (בו זמנית).

אינטל ו-AMD הן החברות המובילות לתכנון וייצור מעבדים.

אלגוריתם מערכת מיקרו-מעבד

אלגוריתם - מרשם מדויק הקובע באופן ייחודי את תהליך הפיכת המידע הראשוני לרצף של פעולות המאפשרות לפתור סט משימות של מחלקה מסוימת ולהשיג את התוצאה הרצויה.

אלמנט הבקרה העיקרי של כל מערכת המיקרו-מעבד הוא מעבד... הוא, למעט כמה מקרים מיוחדים, שולט בכל שאר המכשירים. ההתקנים הנותרים, כגון RAM, ROM ויציאות I/O, כפופים.

ברגע שהוא מופעל, המעבד מתחיל לקרוא קודים דיגיטליים מאזור הזיכרון השמור לאחסון תוכניות. הקריאה מתבצעת ברצף תא אחר תא, החל מהראשון. תא מכיל נתונים, כתובות ופקודות. הוראה היא אחת הפעולות היסודיות שמיקרו-מעבד יכול לבצע. כל העבודה של המיקרו-מעבד מצטמצמת לקריאה רציפה וביצוע פקודות.

שקול את רצף הפעולות של המיקרו-מעבד במהלך ביצוע פקודות התוכנית:

1) לפני ביצוע ההוראה הבאה, המיקרו-מעבד מאחסן את כתובתו במונה תוכניות המחשב.

2) ה-MP ניגש לזיכרון בכתובת הכלולה במחשב וקורא מהזיכרון את הביט הראשון של הפקודה הבאה באוגר הפקודות.

3) מפענח הפקודה מפענח (מפענח) את קוד הפקודה.

4) בהתאם למידע המתקבל מהמפענח, יחידת הבקרה מייצרת רצף של מיקרו פעולות לפי זמן, המבצעות את הוראות הפקודה, לרבות:

- שולף אופרנדים מרגיסטרים וזיכרון;

- מבצע בהם פעולות אריתמטיות, לוגיות או אחרות כפי שנקבע בקוד הפקודה;

- בהתאם לאורך הפקודה, משנה את תוכן המחשב;

- מעביר את השליטה לפקודה הבאה שכתובתה נמצאת שוב במונה תוכניות המחשב.

ניתן לחלק את ערכת ההוראות למיקרו-מעבד לשלוש קבוצות:

1) פקודות להעברת נתונים

ההעברה מתבצעת בין יציאות זיכרון, מעבד, I/O (לכל יציאה כתובת משלה), בין אוגרי מעבד.

2) פקודות שינוי נתונים

כל הנתונים (טקסט, תמונה, וידאו וכו') הם מספרים, וניתן לבצע רק פעולות אריתמטיות והגיוניות עם מספרים. לכן, הפקודות של קבוצה זו כוללות חיבור, חיסור, השוואה, פעולות לוגיות וכו'.

3) העברת פיקוד שליטה

נדיר מאוד שתוכנית מורכבת מהוראה רציפה אחת. רוב האלגוריתמים דורשים הסתעפות תוכנית. על מנת שהתוכנית תשנה את האלגוריתם של עבודתה, בהתאם לכל מצב, נעשה שימוש בפקודות העברת בקרה. פקודות אלו מבטיחות את זרימת ביצוע התוכנית לאורך נתיבים שונים ומארגנת לולאות.

מכשירים חיצוניים

התקנים חיצוניים כוללים את כל ההתקנים שהם חיצוניים למעבד (למעט RAM) ומחוברים דרך יציאות I/O. ניתן לסווג מכשירים חיצוניים לשלוש קבוצות:

1) התקני תקשורת בין אדם למחשב (מקלדת, צג, מדפסת וכו');

2) מכשירים לתקשורת עם אובייקטי בקרה (חיישנים, מפעילים, ADC ו-DAC);

3) התקני אחסון חיצוניים בעלי קיבולת גדולה (דיסק קשיח, תקליטונים).

התקנים חיצוניים מחוברים למערכת המיקרו-מעבד באופן פיזי - דרך מחברים ובאופן לוגי - דרך יציאות (בקרים).

מערכת פסיקה (מנגנון) משמשת לממשק בין המעבד להתקנים חיצוניים.

מערכת פסיקה

מדובר במנגנון מיוחד המאפשר בכל עת באמצעות אות חיצוני לאלץ את המעבד להפסיק את ביצוע התוכנית הראשית, לבצע פעולות הקשורות לאירוע שגרם להפרעה ולאחר מכן לחזור לביצוע התוכנית הראשית. .

לכל מיקרו-מעבד יש לפחות קלט בקשת פסיקה אחת INT (מהמילה Interrupt).

הבה נשקול דוגמה לאינטראקציה של מעבד מחשב אישי עם מקלדת (איור 4).

מקלדת - מכשיר להזנת מידע סמלי ופקודות שליטה. לחיבור המקלדת יש למחשב יציאת מקלדת מיוחדת (שבב).

איור 4 - פעולת CPU עם המקלדת

אלגוריתם עבודה:

1) כאשר מקש נלחץ, בקר המקלדת יוצר קוד מספרי. אות זה עובר לשבב יציאת המקלדת.

2) יציאת המקלדת שולחת אות פסיקה למעבד. לכל מכשיר חיצוני יש מספר פסיקה משלו לפיו המעבד מזהה אותו.

3) לאחר קבלת פסיקה מהמקלדת, המעבד קוטע את הפעלת התוכנה (לדוגמה, עורך Microsoft Office Word) וטוען את התוכנה לעיבוד קודי מקלדת מהזיכרון. תוכנית כזו נקראת דרייבר.

4) תוכנית זו מכוונת את המעבד ליציאת המקלדת והקוד המספרי נטען לאוגר המעבד.

5) הקוד הדיגיטלי נשמר בזיכרון והמעבד ממשיך לבצע משימה נוספת.

בשל מהירות הפעולה הגבוהה, המעבד מבצע מספר רב של תהליכים בו זמנית.