Место в структуре вычислительной техники микропроцессоров и микро-ЭВМ

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Рисунок 1 – Внешний вид микропроцессоров

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

1 апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 МГц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.

Микропроцессор кроме обрабатывающего блока, содержит блок управления и память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя микропроцессоры.

На рис.2 представлена структура персонального компьютера (ПК). Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены: микропроцессор (МП), блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), долговременной памяти на жёстком магнитном диске, устройства для запуска дисков. Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.

Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств.

Рисунок 2 – Структурная схема персонального компьютера

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем. Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш-памятью или сверхоперативной памятью.

В компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод-вывод) между оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Системная магистраль (шина) – это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.

Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.

Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты устанавливаются на задней стенке системного блока.

2.Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ для комплексной автоматизации управления производством, в информационно-измерительных системах, в технологическом оборудовании.

Современные промышленные объекты представляют собой совокупность взаимосвязанных многорежимных управляемых подсистем, объединенных общей системой управления с центральной ЭВМ. Производственные процессы осуществляются на автоматических линиях гибкими производственными модулями на базе минимизированных вариантов ЭВМ — микропроцессоров и микро-ЭВМ. Гибкими их называют потому, что они способны быстро перестраиваться с производства одних изделий на производство других, что позволяет постоянно модифицировать производство, расширять ассортимент и повышать качество продукции. Вспомогательные операции и часть основных операций выполняются промышленными роботами. Все это оборудование совместно с автоматическими системами транспортирования, проектирования и подготовки производства образует гибкое автоматизированное производство.

К элементам автоматизации производства относятся: станки с ЧПУ, промышленные роботы, роботизированные технологические комплексы, комплексные шкафы управления, гибкие производственные системы, автоматизированные складские системы, системы контроля качества на базе ЭВМ. Система автоматического проектирования (англ. Computer-aided Design, CAD) используется проектировщиками при разработке новых изделий и технико-экономической документации.

Автоматизация измерений способствует более быстрой обработке большого числа измеряемых параметров, повышению требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений. Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров.

Таким образом, микропроцессор и средства вычислительной техники и автоматики на их основе применяются в системах автоматического управления, технологического и контрольно-испытательного оборудования, транспортных средств, бытовых приборов и др. Например, управление современным двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. - немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника - применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.

Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.

3.Архитектура и функции микропроцессоров.

В настоящее время микропроцессорные средства широко применяются во всех областях деятельности человека.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

- чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

- прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

- обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

- выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

Микропроцессор характеризуется:

- тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

- разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов;

- архитектурой.

Понятие архитектуры микропроцессора определяет его составные части, а также связи и взаимодействие между ними. Архитектура включает:

- структурную схему МП;

- программную модель МП (описание функций регистров);

- информацию об организации памяти (емкость и способы адресации памяти);

- описание организации процедур ввода/вывода.

Существуют два основных типа архитектуры — фоннеймановская и гарвардская.

Фоннеймановскую архитектуру (рис.3.а) предложил в 1945 году американский математик Джо фон Нейман. Особенностью этой архитектуры является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.

Гарвардская архитектура впервые была реализована в 1944 году в релейной вычислительной машине Гарвардского университета (США). Особенностью этой архитектуры является то, что память данных и память программ разделены и имеют отдельные шину данных и шину команд (рисунок 3.б), что позволяет повысить быстродействие МП системы.

Структурные схемы обоих типов архитектур содержат: процессорный элемент, память, интерфейсы ввода/вывода (ИВВ) и УВВ.

Память и ИВВ для разных типов МП могут быть как внутренними, т. е. размещаться на том же кристалле, что и процессорный элемент, так и внешними. Процессорный элемент содержит регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления и выполняет функции обработки данных и управления процессами обмена информацией. Память обеспечивает хранение данных и кодов команд программы. Интерфейсы ввода/вывода предназначены для связи с УВВ, например, с клавиатурой, дисплеем, печатающими устройствами, датчиками. Все элементы структурной схемы соединены с помощью шин.

	а)		б)

Рисунок 3- Основные типы архитектуры процессора

Арифметико-логическое устройство представляет собой комбинационную схему на основе сумматора, которая сигналами с выходов устройства управления настраивается на выполнение определенной арифметической или логической операции: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, логическое НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, сдвиг, сравнение, десятичная коррекция. Таким образом, АЛУ выполняет арифметические или логические операции над операндами, которые пересылаются из памяти и/или регистров МП. Операнд — это объект в виде значения данных, содержимого регистров или содержимого ячейки памяти, с которым оперирует команда. Например, в команде сложения операндами являются слагаемые. Операнд может задаваться в команде в виде числа либо находиться в регистре или ячейке памяти. Полученный после выполнения команды в АЛУ результат пересылается в регистр или ячейку памяти.

Регистры предназначены для хранения n-разрядного двоичного числа. Они представляют собой n триггеров со схемами управления чтением/записью и выборки. Регистры создают внутреннюю память МП и используются для хранения промежуточных результатов вычислений.

Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для всех блоков структурной схемы МП в соответствии с кодами команд, внешними управляющими сигналами и сигналами синхронизации, а также управляет обменом информацией между МП, памятью и УВВ. Устройство управления реализует такие функции: начальная установка МП, синхронизация, прерывания, согласование быстродействия модулей МПС.

Вопросы

1. Назначение микропроцессора.

2. Какие виды микропроцессоров Вы знаете?

3. Из каких элементов состоит микропроцессор?

4. Для чего предназначено АЛУ?

5. Какую роль выполняют регистры?

6. Какую роль выполняет устройство управления?

Список литературы

1. Гальперин, М.В. Электротехника и электроника: Учебник / М.В. Гальперин. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2018. - 480 c

2.Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 368 c.