22973

Мікропрцесори та малі електронно-обчислювальнні машини (ЕОМ)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Будова і принцип дії центральної частини малої ЕОМ Кожна мала електронно обчислювальна машина ЕОМ містить два блоки процесор і основну пам’ять рис. У блоці основної пам’яті зберігається оброблювана інформація і програми за якими вона обробляється. Процес розв’язання будь якої задачі на ЕОМ складається з послідовності елементарних дій котрі може виконувати процесор а саме операції вибірки інформації з пам’яті або запису до неї арифметичні та логічні операції операції порівняння тощо. На кожному кроці обробки інформації процесор...

Украинкский

2013-08-04

1.85 MB

7 чел.

Лекція  №2

Мікропрцесори  та малі  електронно-обчислювальнні машини (ЕОМ)

(загальніі принципи) 

Розглянуті у курсах радіоелектроніки і схемотехніки ІМС утворюють елементну базу пристроїв для обробки цифрової інформації. Їх поступовим ускладненням можна, у принципі, розв’язувати практично всі задачі такого роду. При цьому структура пристрою має відповідати алгоритму розв’язуваної нами конкретної задачі, яка таким чином, реалізується апаратним способом. Подібні системи працюють за так званої жорсткою логікою, коли їх конструкція однозначно відповідає алгоритму розв’язуваної задачі. Зрозуміло, що такі пристрої мають вельми вузьку спеціалізацію - вони здатні розв’язувати ті задачі, для яких були розроблені. Їх позитивною рисою є велика швидкодія.

Коли ж виникає потреба у розв’язанні широкого класу різноманітних задач, від вузькоспеціалізованої апаратної обробки за жорсткою логікою доводиться відмовлятися. Тут потрібні універсальні обчислювальні пристрої з гнучкою логікою, здатні виконувати різноманітні обчислювальні операції за певними програмами без  необхідності  перебудови їх фізичної структури при зміні задач. До таких програмно-керованих цифрових пристроїв належать мікропроцесори та побудовані на їх основі малі електронно-обчислювальні машини. Принципи їх будови і функціонування будуть розглянуті в даному розділі.

Будова і принцип дії центральної частини малої ЕОМ

Кожна мала електронно - обчислювальна машина (ЕОМ) містить два блоки -  процесор і основну пам’ять (рис.2.1), котрі складають центральну частину машини. У блоці основної пам’яті зберігається оброблювана інформація і програми за якими вона обробляється. А процесор проводить обробку інформації у відповідності з програмою і керує роботою інших пристроїв машини.

Процес розв’язання будь- якої задачі на ЕОМ складається з послідовності елементарних дій, котрі може виконувати процесор, а саме - операції вибірки інформації з пам’яті або запису до неї, арифметичні та логічні операції, операції порівняння, тощо.

Кожна така дія процесора визначається відповідною командою програми. На кожному кроці обробки інформації процесор вибирає з пам’яті чергову команду і дані, необхідні для її виконання, виконує задану командою дію і повертає результат у пам’ять. Далі процесор переходить до виконання наступної команди. Так крок за кроком продовжується доти, доки з пам’яті не надійде спеціальна команда, яка наказує процесорові припинити виконання програми.

Принципи фон-Неймана.

Незважаючи на велику різноманітність існуючих ЕОМ, в основі їх дії закладені деякі єдині принципи, сформульовані більш як 50 років тому видатним американським математиком і творцем кібернетики фон-Нейманом. Ось деякі з цих принципів:

Принцип подання інформації.

Уся інформація у електронно-обчислювальних машинах подається у вигляді двійкових чисел і поділяється на фрагменти що мають назву слів.

2) Принцип довільного доступу до основної пам’яті.

Основна пам’ять ЕОМ складається з дискретних елементів - комірок пам’яті (регістрів), кожний з яких може містити і зберігати одне багаторозрядне двійкове число - слово.

Принцип довільного доступу полягає в тому, що процесору в рівній мірі доступна будь-яка комірка пам’яті, причому час доступу (тобто час, потрібний для читання інформації з комірки або запису до неї) однаковий для усіх комірок.

Тут можна навести певну аналогію з книжною шафою, з якої можна взяти будь-яку книгу, або ж з книгою, яку можна розкрити на бажаній сторінці. У цьому відношенні книга краща і зручніша від сувоїв, якими користувалися в давнину. Для знаходження потрібного місця на сувої, його треба було довго перемотувати.

Для адресного звернення до будь-якої комірки пам’яті кожній з них привласнюється особистий порядковий номер, який подалі стає її адресою. Загальна кількість N пронумерованих таким способом комірок має назву об’єму основної пам’яті.

3). Принцип зберігаємої програми.

Програма зберігається в основній пам’яті машини. Саме це робить ЕОМ універсальним інструментом для обробки інформації: для переходу до іншої задачі досить замінити в основній пам’яті програму та дані.

Різнотипні слова інформації, а саме дані та команди, розрізняються способами їх використання, а не способами їх подання. Слова команд і слова даних, записані в комірки пам’яті за формою нічим не відрізняються одні від одних - це ті ж багаторозрядні двійкові числа. Розрізнити їх можна лише у контексті, за змістом, що машина і робить.

Слова команд, так само як і слова даних, можна обробляти та перекодувати, тобто, так би мовити, перекладати команди на іншу машинну мову. Саме у цьому полягає процес транслювання програм. Таке перетворення команд здійснюється спеціальними досить складними програмами - трансляторами.

Загальна блок - схема малої ЕОМ

Блок-схема малої ЕОМ зображена на рис.2.2.Вона складається з вже знайомої нам центральної частини і периферії. В центральній частині знаходиться процесор і приєднаний до нього генератор тактових імпульсів (ГТІ)1. Цей генератор задає темп роботи процесора і всієї ЕОМ. Від частоти тактових імпульсів залежить швидкодія машини.

Основна пам’ять складається з оперативної пам’яті і постійної пам’яті. Оперативна пам’ять являє собою ОЗП до якого можна записувати або з якого можна зчитувати інформацію. Постійна пам’ять - це ПЗП з якого можна лише зчитувати записану в ньому інформацію.

Периферійна частина ЕОМ складається з багатьох зовнішніх пристроїв, за допомогою яких центральна частина ЕОМ здійснює інформаційний контакт з зовнішнім світом. Це можуть бути :

клавіатура,

принтер,

дисплей,

графопобудовувач,

сканер,

АЦП, ЦАП і інше.

Від розвиненості периферії і її якості залежить зручність користування машиною.

До зовнішніх пристроїв відносять також пристрої що розширюють об’єм пам’яті машини (так звана зовнішня пам’ять):

накопичувач на жорсткому диску (вінчестер),

накопичувачі на змінних дисках (дискетах),

  накопичувачі на магнітних стрічках.2

Об’єм цієї зовнішньої пам’яті може набагато перевищувати об’єм основної пам’яті, з якою безпосередньо взаємодіє процесор. При потребі можна завжди “скинути” у зовнішню пам’ять непотрібну в даний час інформацію з основної пам’яті або переписати в основну пам’ять програми і дані, що зберігаються у зовнішній пам’яті.

Для узгодження з центральною частиною кожний зовнішній пристрій має свій контролер, який перекодовує команди, що надходять від процесора у сигнали, якими безпосередньо керується той чи інший зовнішній пристрій.

Усі зображені на рис.2.2 блоки пов’язні між собою багаторозрядними шинами - шиною даних, шиною адреси та шиною керування. Всі ці шини разом мають назву системної (або загальної, магістральної ) шини.Конструктивно основна пам’ять складається з кількох ІМС ОЗП та ПЗП.

Процесор виготовлений за мікроелектронною технологією  має назву мікропроцесора. Він може складатися з однієї високоінтегрованої мікросхеми (однокристальний мікропроцесор), або з декількох ІМС (секціонований мікропроцесор). Мікропроцесор разом з ІМС основної пам’яті монтується на системній (материнській) платі. Звичайно на тій же платі монтуються всілякі допоміжні мікросхеми, що підтримують роботу мікропроцесора: генератор тактових імпульсів, підсилювачі (шинні формувачі), регістри, логічні схеми та тригери.

Структурна схема та дія мікропроцесора

Спрощена структурна схема типового мікропроцесора зображена на рис.2.3. Розглянемо призначення та дію його окремих блоків.

ЛК - лічильник команд. Він являє собою регістр, в якому міститься адреса команди, котра має бути виконаною. Лічильник команд виставляє цю адресу на шину адреси ША і активує цим відповідну комірку пам’яті. Вміст цієї комірки, тобто код команди, виставляється на шину даних ШД і сприймається керуючим пристроєм (КП) мікропроцесора. Керуючий пристій дешифровує код команди і визначає блоки які мають цю команду виконувати. Для цього КП розсилає до всіх цих блоків по внутрішній шині керування ШК відповідні керуючі сигнали, якими він активізує ці блоки і визначає характер їх дій. Такі сигнали являють собою багаторозрядні двійкові слова і мають назву мікрокоманд. За своїм принципом дії КП являє собою складний ПЗП, який перетворює коди команд у коди мікрокоманд. Після читання коду команди наступною дією мікропроцесора може бути знову ж таки звернення до основної пам’яті на видачу даних, необхідних для виконання задіяної команди.

Основним виконавцем команд є арифметико-логічний пристрій АЛП. Він обробляє дані, що надходять до нього з основної пам’яті по шині даних, а обробивши їх, знову повертає по шині даних в основну пам’ять. Але АЛП являє собою комбінаційний пристрій, і результат його дії з’являється на його виході майже одразу з подачею до нього вхідних даних. Тому щоб уникнути можливої конфліктної ситуації, результати дій АЛП не виводяться одразу на ШД, а записуються у спеціальний буферний регістр А, який має назву акумулятора. Там вони зберігаються деякий час і виводяться на ШД лише після того, як з неї будуть зняті вхідні дані.

У деяких випадках, коли у послідовності команд результат від попередньої команди є вхідним операндом для наступної команди (наприклад, у послідовності операцій підсумовування) дані з виходу акумулятора повертаються на вхід АЛП. Таким чином акумулятор може накопичувати в собі результати послідовності дій, звідки і походить його назва (акумулятор, тобто накопичувач).

Для зберігання проміжних результатів, які можуть бути незабаром використані, незручно щоразу звертатися до основної пам’яті. Для цього служить невеличка за об’ємом внутрішня швидкодійна пам’ять мікропроцесора, що складається з кількох робочих регістрів РР. Звернення до них відбувається у кілька разів швидше, аніж до основної пам’яті.

Параметри, що характеризують можливості мікропроцесора або ЕОМ

Мікропроцесори та ЕОМ характеризуються такими основними параметрами:

1) Розрядністю слова даних і відповідною розрядністю ШД, АЛП та регістрів пам’яті. Від розрядності залежить, в першу чергу, точність обчислень. У сучасних мікропроцесорів розрядність буває 8, 16, 32 і навіть 64. Точність обчислень можна підвищити шляхом послідовної обробки операндів “по частинах”, наприклад, спочатку молодших розрядів, а потім старших. Так може бути досягнута подвійна, потрійна і більша точність. Але це призводить до істотного ускладнення програми і зниженню швидкодії машини.

2) Можливий об’єм основної пам’яті. Він визначається , у принципі, розрядністю шини адрес. Так, наприклад, при розрядності ША у 16 розрядів можна здійснювати адресацію 216=65536 комірок основної пам’яті. При розрядності у 20 розрядів кількість адресованих комірок може перевищувати 1 млн.

Необов’язково, звичайно, щоб кожній адресі відповідала реальна комірка пам’яті (можуть бути і “порожні”, незадіяні адреси). Але тоді можна при бажанні розширяти об’єм пам’яті шляхом підключення до основної пам’яті додаткових ІМС ОЗП або ПЗП.

3) Найвища можлива тактова частота. Вона визначає швидкодію мікропроцесора. Тактова частота задається генератором тактових імпульсів, але її максимально можливе значення визначається зрештою інерційністю мікропроцесора і основної пам’яті. З максимальною тактовою частотою пов’язаний такий важливий параметр як продуктивність мікропроцесора. Остання визначається у кількості операцій, яку мікропроцесор може виконати за 1 секунду  (MIPS - мільйонів операцій за секунду).

Сукупність всіх цих параметрів визначає “потужність” мікропроцесора.

Дані про деякі найбільш поширені мікропроцесори, що їх виготовляє всесвітньо відома фірма Intel наведені в табл.2.1.

Примітки:

Процесор 8085 є версією від 8080, а 8088 - від 8086.

КР580ИК80 є вітчизняним аналогом 8080; КР1810ВМ86 - аналог 8086

1 В деяких типах процесорів ГТІ входить конструктивно у склад самого процесора.

2 Тепер застосовуються зрідка.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80593. ФИЗИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ МАТЕРИКОВ И ОКЕАНОВ 204.22 KB
  Сложен метаморфическими породами докембрия и нижнего палеозоя. Восточная часть архипелага - платформа, покрытая чехлом осадочных пород палеозоя и мезозоя; западная сформировалась в эпоху каледонского орогенеза.
80596. Колебания уровня и волны в Мировом океане 637 KB
  Колебания уровня вследствие неравномерности в процессе поступления (осадки, речной сток) или расхода воды (испарение) также могут быть весьма значительными. Так, сильные ливневые осадки могут вызвать кратковременные резкие подъемы уровня.
80597. Письменное сложение и вычитание трёхзначных чисел без перехода через десяток 54 KB
  Цель: учить детей пользоваться письменным приёмом сложения и вычитания трёхзначных чисел без перехода через разрядную единицу способом вычисления в столбик; развивать математические способности, речь, логическое мышление, зрительную память, познавательный интерес и самостоятельность...
80598. Дикі та свійські тварини 73.5 KB
  Мета: ознайомлювати учнів з істотними ознаками диких і свійських тварин; учити визначати яку користь приносить свійські тварини людині;формувати уміння їх розпізнавати за істотними зовнішніми ознаками місцем мешкання способом харчування; розвити логічне мислення через завдання на порівняння...
80599. Пригадайте, поміркуйте. Підсумковий урок по темі «Шевченкове слово» 36 KB
  Мета: систематизувати і узагальнити знання учнів з теми; розширити знання з теми Шевченко-художник; ознайомити із творчістю землячки народної художниці Катерини Білокур; вчити учнів порівнювати; виховувати любов до рідної землі до прекрасного. Знайомство з творчістю народної художниці Катерини Білокур.
80600. Интегрированный урок по математике и природоведению в 3 классе «Путешествие с Капитошкой» 75.5 KB
  Иллюстрации с изображением моря реки озера круговорота аквариума; карточки с заданиями; рисунки облаков со словами; Капитошка магнитофон с записью шума воды. Вы согласны Как вы думаете почему ее так зовут Откуда она к нам пришла Из морей океанов А на планете Земля чего больше воды или суши...
80601. Урок позакласного читання «Поетичні акварелі». Навчаємось писати вірші 53.5 KB
  Мета. Ввести учнів у світ поезії відомих українських поетів Тараса Шевченка, Лесі Українки, Анатолія Костецького; дати можливість самим учням спробувати себе у віршотворенні, навчити підбирати найвдалішу риму до слова, вчити дітей виразно читати поетичні твори, зв’язано висловлювати...