微處理器系統

幾乎所有電子設備都使用微處理器系統是現代社會技術基礎設施的最重要特徵。電力、工業、交通、通訊系統都高度依賴計算機控制系統。微處理器系統嵌入在測量儀器、電氣設備、照明裝置等中。

所有這些都要求電氣工程師至少了解微處理器技術的基礎知識。

微處理器系統旨在自動化信息處理和控制各種過程。

術語“微處理器系統”非常廣泛，包括諸如“電子計算機器(ECM)”、“控制計算機”、“計算機”等概念。

微處理器系統包括硬件或英文—硬件和軟件（Software）—軟件。

數字信息

微處理器系統處理數字信息，即一系列數字代碼。

任何微處理器系統的核心都是一個只能接受二進制數（由 0 和 1 組成）的微處理器。二進制數是使用二進制數字系統編寫的。比如在日常生活中我們使用十進制數制，就是用十個字符或數字來寫數字，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。因此，在二進制系統中只有兩個這樣的符號（或數字）——0 和 1。

需要了解的是，數制只是書寫數字的規則，選擇何種制式將視易用性而定。選擇二進制系統是因為它的簡單性，這意味著數字設備的可靠性和技術實施的便利性。

考慮數字信息的度量單位：

一位（來自英語 «BInary digiT» — 二進制數字）只有兩個值：0 或 1。您可以編碼邏輯值 «yes» 或 «no»、狀態 «on» 或 «off»、狀態 «打開» «或» 關閉 «等等。

一組八位稱為一個字節，例如 10010111。一個字節允許您編碼 256 個值：00000000 — 0、11111111 — 255。

比特是信息的最小單位。

字節——信息處理的最小單位。字節 - 機器字的一部分，通常由 8 位組成，在計算機上存儲、傳輸和處理過程中用作信息量的單位。一個字節用於表示字母、音節和特殊字符（通常佔用所有 8 位）或十進制數字（每個 2 位在 1 個字節中）。

兩個連續的字節稱為一個字，4 個字節為雙字，8 個字節為四字。

我們周圍的幾乎所有信息都是模擬的。因此，在信息進入處理器進行處理之前，會使用ADC（模數轉換器）進行轉換。此外，信息以某種格式編碼，可以是數字的、邏輯的、文本的（符號的）、圖形的、視頻的等。

例如，使用 ASCII 代碼表（來自英美信息交換標準代碼）對文本信息進行編碼。一個字符寫在一個字節中，可以取256個值。圖形信息被劃分為點（像素），每個點的顏色和位置被水平和垂直編碼。

除了二進制和十進制外，MS還使用十六進制，其中符號0 ... 9和A ... F用於寫入數字。它的使用是由於一個字節由一個二位描述-digit 十六進制數，大大減少記錄數字代碼，使其更易讀（11111111 — FF）。

表 1——在不同數制中書寫數字

要確定數字的值（例如，數字 100 的值對於不同的數字系統可以是 42、10010、25616），在數字的末尾添加一個表示數字系統的拉丁字母：對於二進制數字，字母b，對於十六進制數 — h，對於十進制數 — d。沒有附加名稱的數字被認為是小數。

將數字從一種系統轉換為另一種系統以及使用數字進行基本的算術和邏輯運算，您可以製作一個工程計算器（Windows 操作系統的標準應用程序）。

微處理器系統的結構

微處理器系統是基於執行信息處理和控制功能的微處理器（處理器）。構成微處理器系統的其餘設備通過幫助處理器工作來為處理器服務。

用於創建微處理器系統的強制性設備是輸入/輸出端口和部分內存... 輸入-輸出端口通過提供處理信息和輸出處理或控制操作的結果將處理器連接到外部世界。按鍵（鍵盤），各種傳感器連接到輸入端口；到輸出端口——允許電氣控制的設備：指示器、顯示器、接觸器、電磁閥、電動機等。

內存主要用於存儲處理器運行所需的程序（或程序集）。程序是處理器理解的一系列命令，由人（通常是程序員）編寫。

微處理器系統的結構如圖1所示。在簡化形式中，處理器由處理數字信息的算術邏輯單元（ALU）和控制單元（CU）組成。

存儲器通常包括只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM），前者是非易失性的，用於長期存儲信息（例如，程序），後者用於臨時數據存儲。

圖 1——微處理器系統的結構

處理器、端口和內存通過總線相互通信。總線是一組功能統一的電線。一組系統總線稱為系統內總線，其中有：

• DB數據總線（Data Bus），通過它在處理器、內存和端口之間交換數據；

• 地址總線AB（Address Bus），用於尋址處理器的內存單元和端口；

• 控制總線CB（Control Bus），一組線路，將各種控制信號從處理器傳輸到外部設備，反之亦然。

微處理器

微處理器——一種設計用於處理數字信息並控制該處理過程的軟件控制設備，以一個（或多個）電子元件高度集成的集成電路的形式製成。

微處理器的特點是參數很多，因為它既是複雜的軟件控制設備，又是電子設備（微電路）。因此，對於微處理器，處理器的外殼類型和指令集……微處理器的功能由微處理器體系結構的概念定義。

處理器名稱中的前綴 «micro» 表示它是使用微米技術實現的。

圖 2 — Intel Pentium 4 微處理器的外部視圖

在操作期間，微處理器從存儲器或輸入端口讀取程序命令並執行它們。每條命令的含義由處理器的指令集決定，指令集內置於微處理器的體系結構中，命令代碼的執行表現為處理器內部元件執行某些微操作。

微處理器架構——這是它的邏輯組織；它根據構建微處理器系統所需功能的硬件和軟件實現來定義微處理器的功能。

微處理器的主要特點：

1) 時鐘頻率（測量單位 MHz 或 GHz）——1 秒內的時鐘脈衝數。時鐘脈衝由通常位於處理器內部的時鐘發生器生成。因為所有的操作（指令）都是在時鐘週期內執行的，那麼工作性能（單位時間內執行的操作數）就取決於時鐘頻率。處理器頻率可能會在一定範圍內變化。

2) 位處理器（8、16、32、64 位等）——指定在一個時鐘週期內處理的數據字節數。處理器的位寬由其內部寄存器的位寬決定。處理器可以是 8 位、16 位、32 位、64 位等，即。數據以 1、2、4、8 字節的塊進行處理。很明顯，鑽頭深度越大，工作效率越高。

微處理器的內部結構

一個典型的8位微處理器的簡化內部結構如圖3所示。微處理器的結構可以分為三個主要部分：

1）暫存命令、數據和地址的寄存器；

2）算術邏輯單元（ALU），執行算術和邏輯運算；

3）控制和定時電路——提供命令選擇，組織ALU的運行，提供對所有微處理器寄存器的訪問，感知並產生外部控制信號。

圖 3 —​​ 8 位微處理器的簡化內部架構

從圖中可以看出，處理器是基於寄存器的，分為特殊（具有特定用途）和通用寄存器。

程序計數器（計算機）——包含下一個命令字節地址的寄存器。處理器需要知道接下來將執行哪個命令。

Battery——在大多數邏輯和算術處理指令中使用的寄存器；它既是 ALU 運算所需數據字節之一的來源，也是放置 ALU 運算結果的地方。

功能寄存器（或標誌寄存器）包含有關微處理器內部狀態的信息，特別是最後一次 ALU 運算的結果。標誌寄存器不是通常意義上的寄存器，而只是一組觸發器（標誌向上或向下。通常有零，溢出，負和進位標誌）。

堆棧指針 (SP) — 跟踪堆棧的位置，即它包含最後使用的單元格的地址。 Stack——一種組織數據存儲的方式。

命令寄存器包含由命令解碼器解碼的當前命令字節。

外部總線通過緩衝器與內部總線隔離，主要內部元件通過高速內部數據總線連接。

為了提高多處理器系統的性能，可以將中央處理器的功能分配給多個處理器。為了幫助中央處理器，計算機經常引入協處理器，專注於高效執行任何特定功能。廣泛使用的數學和圖形協處理器、輸入和輸出從與外部設備交互的簡單但大量的操​​作中卸載中央處理器。

現階段提高生產力的主要方向是發展多核處理器，即在一種情況下組合兩個或多個處理器以並行（同時）執行多個操作。

英特爾和 AMD 是設計和製造處理器的領先公司。

微處理器系統算法

算法——一種精確的處方，它獨特地設置了將初始信息轉換為一系列操作的過程，這些操作允許解決一組特定類別的任務並獲得所需的結果。

整個微處理器系統的主要控制元件是處理器……除少數特殊情況外，它控制所有其他設備。其餘的設備，如RAM、ROM和I/O端口，都是從屬的。

一旦打開，處理器就開始從為存儲程序而保留的內存區域讀取數字代碼。從第一個單元格開始，逐個單元格地依次讀取。單元包含數據、地址和命令。指令是微處理器可以執行的基本操作之一。微處理器的所有工作都簡化為順序讀取和執行命令。

考慮微處理器在執行程序命令期間的動作順序：

1）在執行下一條指令之前，微處理器將其地址存儲在計算機程序計數器中。

2) MP 訪問計算機中包含的地址處的內存，並從內存中讀取命令寄存器中下一條命令的第一個字節。

3）命令譯碼器對命令碼進行譯碼（解密）。

4) 控制單元根據從譯碼器接收到的信息，生成執行命令指令的時序微操作序列，包括：

— 從寄存器和內存中檢索操作數；

— 按照命令代碼的規定對它們執行算術、邏輯或其他運算；

— 根據命令的長度，更改計算機的內容；

— 將控制轉移到下一個命令，其地址再次出現在計算機程序計數器中。

微處理器的指令集可分為三組：

1）移動數據的命令

傳輸發生在內存、處理器、I/O端口（每個端口都有自己的地址）、處理器寄存器之間。

2）數據轉換命令

所有數據（文本、圖片、視頻等）都是數字，只能對數字進行算術和邏輯運算。因此，本組的命令包括加法、減法、比較、邏輯運算等。

3）控制命令的傳遞

程序很少由單個順序指令組成。大多數算法都需要程序分支。為了使程序根據任何條件改變其工作算法，使用控制轉移命令。這些命令確保程序沿著不同的路徑執行並組織循環。

外部設備

外部設備包括處理器外部的所有設備（RAM 除外），並通過 I/O 端口連接。外部設備可分為三組：

1）人機通訊設備（鍵盤、顯示器、打印機等）；

2）與控制對象（傳感器、執行器、ADC和DAC）通信的設備；

3）大容量外接存儲設備（硬盤、軟盤）。

外部設備通過連接器在物理上連接到微處理器系統，通過端口（控制器）在邏輯上連接到微處理器系統。

中斷系統（機制）用於連接處理器和外部設備。

中斷系統

這是一種特殊的機制，允許在任何時候通過外部信號強制處理器停止主程序的執行，執行與引起中斷的事件相關的操作，然後返回到主程序的執行.

每個微處理器至少有一個中斷請求輸入 INT（來自中斷一詞）。

讓我們考慮一個個人計算機處理器與鍵盤交互的示例（圖 4）。

鍵盤——輸入符號信息和控制命令的設備。為了連接鍵盤，計算機有一個特殊的鍵盤端口（芯片）。

圖 4 — 使用鍵盤的 CPU 操作

工作算法：

1) 當一個鍵被按下時，鍵盤控制器產生一個數字代碼。該信號進入鍵盤端口芯片。

2）鍵盤口向CPU發送中斷信號。每個外部設備都有自己的中斷號，處理器可以通過該中斷號識別它。

3）處理器接收到鍵盤中斷後，中斷程序（如Microsoft Office Word編輯器）的執行，從內存中加載處理鍵盤代碼的程序。這樣的程序稱為驅動程序。

4) 該程序將處理器指向鍵盤端口，並將數字代碼加載到處理器寄存器中。

5) 數字代碼存儲在內存中，處理器繼續執行另一項任務。

由於運行速度快，處理器同時執行大量進程。