Микропроцессор — это центральный процессор, состоящий из одной или нескольких больших интегральных схем. Эти схемы выполняют функции компонентов управления и арифметико-логических компонентов.
Микропроцессор может выполнять такие операции, как выборка инструкций, выполнение инструкций и обмен информацией с внешней памятью и логическими компонентами.Это часть микрокомпьютера, управляющая вычислениями. Его можно объединить с микросхемами памяти и периферийных схем, чтобы сформировать микрокомпьютер.
По сравнению с традиционными центральными процессорами микропроцессоры обладают преимуществами небольшого размера, легкого веса и простой модульности. Основными компонентами микропроцессора являются: регистровый файл, арифметический блок, схема управления синхронизацией, а также шина данных и адреса.
С тех пор, как люди изобрели транзистор в 1947 году, полупроводниковая технология за более чем 50 лет сменила несколько поколений, таких как кремниевые транзисторы, интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы. Скорость развития беспрецедентна в других отраслях промышленности. . Полупроводниковые технологии оказали широкое влияние на все общество, поэтому их называют «семенем индустрии». Центральный процессор относится к компоненту внутри компьютера, который обрабатывает данные и контролирует процесс обработки.С быстрым развитием технологии крупномасштабных интегральных схем плотность интеграции чипов становится все выше и выше.ЦП может быть интегрирован в полупроводниковый чип. Этот вид крупномасштабных интегральных схем с функциями центрального процессора вместе называется «микропроцессорами». Следует отметить, что сам микропроцессор — это не то же самое, что микрокомпьютер, а лишь центральный процессор микрокомпьютера.
Микропроцессоры есть повсюду, будь то видеорегистраторы, умные стиральные машины, мобильные телефоны и другая бытовая техника, системы управления двигателем автомобиля, станки с ЧПУ, системы точного наведения ракет и т. д. — все они имеют встроенные микропроцессоры разных типов. Микропроцессоры являются не только основными компонентами микрокомпьютеров, но и ключевыми компонентами различных цифровых интеллектуальных устройств. Международные высокопроизводительные вычислительные системы, такие как сверхвысокоскоростные суперкомпьютеры и мэйнфреймы, также создаются с использованием большого количества высокопроизводительных микропроцессоров общего назначения.
В зависимости от области применения микропроцессоров микропроцессоры можно условно разделить на три категории: высокопроизводительные микропроцессоры общего назначения, встроенные микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов и микроконтроллеры. Вообще говоря, процессоры общего назначения стремятся к высокой производительности, используются для запуска программного обеспечения общего назначения и оснащены полными и сложными операционными системами;
Встроенные микропроцессоры подчеркивают высокую производительность при решении конкретных прикладных задач.Они в основном используются для запуска специальных программ для конкретных областей.Они оснащены облегченными операционными системами и в основном используются в бытовой технике, такой как сотовые телефоны и проигрыватели компакт-дисков.Цена микроконтроллеров относительно высок.Он пользуется низким спросом и имеет самый большой спрос на рынке микропроцессоров.Он в основном используется в оборудовании автоматического управления в автомобилях, кондиционерах, автоматике и других областях.
ЦП — это аббревиатура центрального процессора (центрального микропроцессора).Это самая важная часть компьютера, состоящая из арифметических блоков и контроллеров. Если компьютер сравнивать с человеком, то процессор — это человеческий мозг. Процессоры развивались очень быстро: персональным компьютерам потребовался всего двадцать один год, чтобы развиться от 8088 (XT) до эпохи Pentium 4.
Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ, арифметико-логическое устройство); аккумулятора и группы регистров общего назначения; счетчика программ (также называемого индикатором команд); компонентов логики синхронизации и управления; защелок/буферов данных и адресов; внутреннего состава шины. Оператор и контроллер являются его основными компонентами.
Арифметико-логическое устройство Арифметико-логическое устройство АЛУ в основном выполняет арифметические операции (+, -, ×, ÷, сравнение) и различные логические операции (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ, сдвиг) и другие операции. АЛУ является комбинационной схемой и не имеет функции регистрации операндов. Поэтому для хранения операндов оно должно иметь два регистра: временный регистр ТМП и аккумулятор АС. Аккумулятор не только передает операнды АЛУ, но и принимает результаты работы АЛУ.
Массив регистров фактически эквивалентен оперативной памяти внутри микропроцессора. Он включает в себя группу регистров общего назначения и группу регистров специального назначения. Регистры общего назначения (A, B, C, D) используются для хранения данных, промежуточных результатов или адресов, участвующих в операциях. . Обычно их можно использовать как два 8-битных регистра.
Благодаря использованию этих регистров внутри процессора можно избежать частого доступа к памяти, сократить длину и время выполнения инструкций, повысить скорость работы машины и облегчить программирование. К специальным регистрам относятся программный счетчик PC, указатель стека SP и регистр флагов FR. Их функции фиксированы и используются для хранения адресов или базовых значений адресов. в:
А) Счетчик программ PC используется для хранения адреса следующей выполняемой команды, поэтому он контролирует последовательность выполнения программы. При условии последовательного выполнения инструкций каждый раз при выборке байта инструкции содержимое PC автоматически увеличивается на 1. Когда происходит передача программы, новый адрес инструкции (целевой адрес) должен быть загружен в ПК, что обычно реализуется с помощью инструкции передачи.
Б) Указатель стека SP используется для хранения верхнего адреса стека. Стек — это определенная область памяти. Он работает по методу «последним пришел — первым вышел». Когда в стек помещаются новые данные, исходная информация в стеке остается неизменной, меняется только верхняя позиция стека. При извлечении данных из стека данные в верхней части стека извлекаются. Автоматически корректируется верхняя позиция стека. Другими словами, когда данные помещаются или извлекаются из стека, это всегда выполняется на вершине стека. После инициализации стека (то есть определения положения нижней части стека в памяти) содержимое SP (то есть положение вершины стека) автоматически управляется ЦП.
C) Регистр флага также называется регистром слова состояния программы (PSW), который используется для хранения характеристик результата после выполнения инструкций арифметических и логических операций. Например, когда результат равен 0, устанавливается флаг переноса или переполнения. генерируется и т. д.
Логика синхронизации и управления являются основными компонентами управления микропроцессора.Они отвечают за управление всем компьютером, включая выборку инструкций из памяти, анализ инструкций (т. е. декодирование инструкций) для определения операций команд и адресов операндов, выборку операндов и выполнение команд. операции, отправка результатов операций в память или порты ввода-вывода и т. д. Он также отправляет соответствующие управляющие сигналы другим компонентам микрокомпьютера для координации внутренних и внешних компонентов ЦП.
Внутренняя шина используется для соединения функциональных компонентов микропроцессора и передачи данных и сигналов управления внутри микропроцессора.
Следует отметить, что микропроцессор сам по себе не может составлять самостоятельную рабочую систему и самостоятельно выполнять программы. Прежде чем он сможет работать независимо, он должен быть оснащен памятью и устройствами ввода и вывода, чтобы сформировать полноценный микрокомпьютер.
Память
Память микрокомпьютера используется для хранения программ и данных, которые используются в данный момент или часто используются. Память делится на оперативную память (ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ) в зависимости от методов чтения и записи. Оперативная память также называется памятью чтения/записи.Во время работы ЦП может читать или записывать ее содержимое в любое время по мере необходимости. ОЗУ является энергозависимой памятью, то есть ее содержимое будет потеряно при отключении питания, поэтому в ней можно хранить только временные программы и данные. Содержимое ПЗУ можно только читать, но не записывать.Информация, хранящаяся в ПЗУ, остается неизменной после выключения питания.Это энергонезависимая память. Поэтому ПЗУ часто используется для хранения постоянных программ и данных. Например, программа начальной загрузки, программа мониторинга, базовая программа управления вводом и выводом BIOS в операционной системе и т. д.
Схема интерфейса ввода/вывода является важным компонентом микрокомпьютера. Это логическая схема управления, которая соединяет микрокомпьютер с внешними устройствами ввода и вывода и различными объектами управления и осуществляет обмен информацией с внешним миром. Поскольку периферийные устройства имеют различную структуру, скорость работы, формы сигналов и форматы данных, они не могут быть напрямую подключены к системной шине. Интерфейс ввода-вывода также называется адаптером ввода-вывода, и разные периферийные устройства должны быть оснащены разными адаптерами ввода-вывода. Схема интерфейса ввода-вывода является незаменимой и важной частью прикладной системы микрокомпьютера. Разработка и проектирование любой прикладной микрокомпьютерной системы на самом деле представляет собой главным образом разработку и проектирование интерфейсов ввода-вывода. Таким образом, технология интерфейсов ввода-вывода является одним из важных тем, обсуждаемых в этом курсе, и мы подробно представим ее в главе 8.
автобус
Шина представляет собой общий канал передачи информации между компонентами компьютерной системы и является важным компонентом микрокомпьютера. Он состоит из нескольких линий связи и различных воротных устройств с тремя состояниями для вождения и изоляции. Структура микрокомпьютеров всегда имеет шинную структуру, то есть функциональные компоненты, составляющие микрокомпьютер (микропроцессор, память, схема интерфейса ввода-вывода и т. д.), соединяются через шину. Это уникальная структура микрокомпьютерных систем. . После принятия структуры шины взаимная связь между функциональными компонентами в системе преобразуется в единую связь между каждым компонентом, обращенным к шине.Пока компонент (функциональная плата/карта) соответствует стандарту шины, его можно подключить к системе с использованием этого стандарта шины, что позволяет легко расширять или обновлять функции системы, упрощает структуру и значительно повышает надежность. В микрокомпьютерах шины можно разделить на следующие четыре уровня в зависимости от их расположения и применения.
(1) Внутрикристальная шина: она расположена внутри микропроцессора, поэтому ее называют внутренней шиной чипа. Он используется для соединения и передачи информации между такими компонентами, как внутреннее АЛУ и различные регистры микропроцессора. Из-за ограничений площади чипа и количества внешних контактов большинство встроенных шин имеют структуру с одной шиной, что способствует улучшению интеграции чипа и увеличению производительности.Если требуется ускорить внутреннюю передачу данных, используйте двойную шину или Также можно использовать структуру с тремя шинами.
(2) Шина чипа: шину чипа также называют шиной уровня компонентов (уровня чипа) или локальной шиной. Материнские платы микрокомпьютеров, одиночные триггеры и другие сменные платы и карты (например, различные платы/карты интерфейсов ввода-вывода) сами по себе являются полноценной подсистемой. Плата/карта содержит процессор, ОЗУ, ПЗУ и интерфейсы ввода-вывода. такие чипы также подключаются через шины, поскольку это помогает упростить структуру, уменьшить количество соединений, повысить надежность и облегчить передачу информации и управление. Шина, соединяющая микросхемы на различных платах и картах, обычно называется шиной чипа или шиной компонентного уровня.
По сравнению с полным микрокомпьютером различные платы/карты являются лишь подсистемой и частью, поэтому шину чипа также называют локальной шиной, а шину, используемую для соединения функциональных компонентов микрокомпьютера и сменной карты, называют системная шина. Местный автобус — важная концепция, которую мы обсудим в главе 7.
(3) Внутренняя шина. Внутреннюю шину также называют системной шиной или шиной уровня платы. Поскольку шина используется для соединения функциональных компонентов микрокомпьютера в единую микрокомпьютерную систему, ее называют системной шиной. Системная шина является самой важной шиной в микрокомпьютерной системе.То, что люди обычно называют шиной микрокомпьютера, относится к системной шине, такой как шина ПК, шина AT (шина ISA), шина PCI и т. д. Системная шина — один из ключевых моментов, которые мы обсудим.
Шина данных DB используется для передачи данных. Шина данных представляет собой двунаправленную шину с тремя состояниями, то есть она может передавать данные от ЦП к другим компонентам, таким как память или интерфейсы ввода-вывода, а также может передавать данные от других компонентов к ЦП. Число битов в шине данных является важным показателем микрокомпьютера и обычно соответствует длине слова микропроцессора. Например, длина слова микропроцессора Intel 8086 составляет 16 бит, ширина его шины данных также равна 16 бит. Следует отметить, что значение данных широкое. Это могут быть реальные данные, код инструкции или информация о состоянии, а иногда даже управляющая информация. Поэтому в реальной работе то, что передается по шине данных, не обязательно просто. данные в истинном смысле.
Адресная шина AB специально используется для передачи адресов.Поскольку адрес может передаваться только от ЦП к внешней памяти или порту ввода-вывода, адресная шина всегда однонаправленная и имеет три состояния, что отличается от шины данных.
Шина управления CB используется для передачи сигналов управления и сигналов синхронизации. Среди сигналов управления некоторые отправляются микропроцессором в память и схемы интерфейса ввода-вывода, например, сигналы чтения/записи, сигналы выбора микросхемы, сигналы ответа на прерывание и т. д.; некоторые передаются обратно в ЦП другими компонентами. такие как: сигналы приложения прерывания, сигнал сброса, сигнал запроса шины, ограниченный сигнал готовности и т. д. Таким образом, направление передачи по шине управления определяется конкретным сигналом управления, который обычно является двунаправленным.Количество битов в шине управления определяется в соответствии с фактическими потребностями управления системой. Фактически, конкретная ситуация с шиной управления в основном зависит от ЦП.
(4) Внешняя шина: также называется коммуникационной шиной. Он используется для соединения и связи между двумя системами, например, для связи между двумя микрокомпьютерными системами или между микрокомпьютерной системой и другими электронными приборами или электронным оборудованием. Обычно используемые коммуникационные шины включают шину IEEE-488, шину VXI и последовательную шину RS-232. Внешняя шина не является неотъемлемой частью самой микрокомпьютерной системы, а встречается только в прикладных микрокомпьютерных системах.