Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 27
Але й побудова пристроїв керування на основі універсальних ІМС середнього ступеня інтеграції, хоча це й менше коштує, теж не є вдалим виходом, бо зміни алгоритму при цьому ведуть до зміни електричної схеми пристрою керування (повністю або у деяких її частинах).
до речі, пристрої керування з незмінним алгоритмом називають пристроями з жорсткою логікою.
Усунути протиріччя між ступенем складності ВІМС і можливістю її універсального використання вдалося за рахунок застосування програмування виконуваних функцій (у найпростішому випадку це, наприклад, програмування коефіцієнта перерахунку лічильника імпульсів).
Зараз основним типом програмованих ВІМС, що мають найбільшу інформаційну потужність, є мікропроцесор.
Мікропроцесор (МП) - це програмно керований пристрій опрацювання цифрової інформації, виконаний у вигляді однієї (рідше декількох) ВІС. Функції МП аналогічні до функцій центрального процесора цифрової ЕОМ. Його можна вважати одним з найбільших досягнень сучасної мікроелектроніки.іут слід зазначити, що спроби автоматизувати обчислювальні роботи робились здавна і займалися цим найвидатніші мислителі і дослідники. Але рівень техніки і технології не давав змоги створити відповідні пристрої. Лише з середніх віків починаються зрушення у цій справі.
Так, у 1642 році фізик Б. Паскаль побудував механічну машину, що виконувала операції додавання та віднімання (надалі було застосовано до п'ятдесяти таких машин). Подібні пристрої розробляли німецький математик Г.В. Лейбніц і російський математик П.Л. Чебишев (орієнтовані на розв'язання рівнянь вищої математики), а пізніше російський інженер В.Т. Орднер. "Колесо Орднера" стало основою арифмометрів. Далі були електромеханічні пристрої - на електромагнітних реле - та, нарешті, електронні - спочатку на лампах, а потім на транзисторах та ІМС.
Найбільш близьким прообразом сучасних цифрових ЕОМ є механічна "аналітична машина" англійського математика Ч. Беббіджа, запропонована ним 1833 р. і пізніше реалізована його сином (додавання двох чисел тривало 2 секунди, а множення - хвилини). У цій машині вперше була запропонована і реалізована ідея процесора, що почергово виконує у заданій послідовності наперед задані математичні операції над числами. Структура процесора Ч. Беббіджа, наведена на рис. 8.27, не зазнала суттєвих змін і до сьогодні.
Рис. 8.27 - Структура процесора Арифметико-логічний пристрій (АЛП) тут виконує арифметичні або логічні дії над числами (кодами) у порядку, що задається пристроємкерування (ПК) згідно з програмою, яка вводиться до нього (наприклад, з перфоративної стрічки).
Практичне застосування процесора можливе за наявності пристрою вводу і виводу чисел (ПВВ) і запам'ятовувального пристрою (ЗП), необхідних для вводу вихідних даних, виводу результатів та збереження проміжних результатів.
Повна механічна обчислювальна машина, що мала процесор, ПВВ і ЗП, побудована 1936 р. у Німеччині під керівництвом К. Цузе. Тоді ж з'являється й перша алгоритмічна мова для написання програм для цієї машини. З цього часу розпочинається стрімкий розвиток процесорів як основної ланки обчислювальної машини.
У 1938 р. під керівництвом К. Цузе створено процесор на електромагнітних реле, що збільшило швидкість виконання операцій у десятки разів.
1946 року у США побудовано першу електронну обчислювальну машину ENIAK, що містила 18000 електронних ламп (додавання і віднімання тривало 200 мікросекунд, а множення 2800 мікросекунд).
Одна з перших радянських ЕОМ, призначена для серійного виробництва, "Стрела" була створена у 1953 році. Вона містила 6000 ламп, споживала потужність 150 кВА і розміщувалася у приміщенні площею 300 м2: уніфіковані її комірки (логічні елементи, тригери та ін.) містилися у 6 вертикальних стійках висотою 2,5 метри та у пульті оператора. Вона виконувала 2000 операцій за секунду. її постійно обслуговували 5-7 техніків.
Вже у 1955 році з'являються транзисторні процесори, а з початку 60-х років - виконані на ІМС середнього ступеня інтеграції (процесор виконувався десь на п'ятдесяти ІМС).
Для появи мікропроцесора (процесора у мікровиконанні - у вигляді ІМС) необхідна була не тільки технологічна база, що вже з'явилася на кінець 60-х років, а й усвідомлення, розуміння того, що програмно керована логіка більш ефективна і простіша у виконанні при реалізації складних функцій, ніж схеми з жорсткою логікою.
Так, 1969 р. співробітник фірми INTEL (США) М. Хофф отримав пропозицію від японської фірми BASICOM розробити комплект ІМС для виконання усіх математичних дій і розрахунку усіх стандартних функцій універсальним калькулятором. Передбачалося створення дванадцяти ІМС на 2000 транзисторів кожна, що мали б виконувати відповідні групи з задуманих функцій. Однак М. Хофф запропонувавикористати лише одну універсальну ІМС з програмним керуванням, що виконувала б усі задані функції, а за необхідності - й інші.
Єдиним недоліком було збільшення часу обчислень, що незворотне за програмної реалізації (порівняно з жорсткою логікою). Але для калькулятора це було несуттєво: збільшення тривалості обчислень із десятків мікросекунд до десятків мілісекунд користувачем не помічалось.
Отже, у 1971 році фірма INTEL створила мікропроцесор INTEL 4004, що виконував операції з чотирирозрядними двійковими числами і вміщував 2250 транзисторів.
З'явившись у мікрокалькуляторах, мікропроцесори (програмна логіка) стали застосовуватись у найрізноманітніших обчислювальних і керуючих пристроях, витісняючи схеми з жорсткою логікою.
8.10.2. Особливості роботи і використання мікропроцесорів. Двійкова система числення. Структура мікропроцесорної системи
Особливістю сучасних процесорів є те, що вони працюють із числами, представленими не у десятковій, а у двійковій системі числення: число представляється не як сума ступенів числа 10, помножених на відповідні числа від 0 до 9:
N10 = a1-10° + a2-101 + a3-102 +... + a„+i-10", (8.28) де at ={0;1;2;3;...;9},
а як сума ступенів числа 2, помножених на 0 або 1:
N = ai - 2° + a2 -2і + аз -22 +... + an+i - 2", (8.29)
де at = {0;l}.
У результаті основою такого процесора є двостабільний (такий, що має два стани), а не десятистабільний елемент.
Прикладом двостабільного елемента, призначеного для запам'ятовування інформації, є тригер, а десятистабільного - може бути двійково-десятковий лічильник. Двійково-десятковий лічильник, що має 10 станів, побудовано на чотирьох тригерах. У той самий час на чотирьох тригерах може бути побудовано пристрій (наприклад, також лічильник або регістр), що має 16 станів. Звідси видно, чому за основу взято двійкову систему числення. її застосування при побудові цифрових електронних засобів з опрацювання інформації дає змогу уникнути зниження
їхніх потенційних можливостей більш ніж на третину. Отже, двійкова система при технічній реалізації є більш економною з точки зору апаратних затрат.
У 1946 році ВМС США замовили двом університетам - Гарвардському і Принстонському - розробку цифрової обчислювальної машини для систем керування артилерією лінкорів. Гарвардська структура мала два пристрої пам'яті: програм і даних. Це забезпечувало високу швидкодію, але вимагало використання двох трактів передачі інформації. Оскільки такі машини тоді будували на електронновакуумних лампах, то введення до їхнього складу будь-якого вузла призводило до значного збільшення габаритів і зменшення надійності всієї системи. Отже, перемогла принстонська структура - структура фон Неймана, за якої дані і програма зберігаються в одному й тому ж ЗП і для обміну даними між АЛП й ЗП та між ПК й ЗП використовуються однакові процедури. Після звернення МП до ЗП перший код вважається кодом команди, а наступні - адресами, даними чи командами у контексті виконання першої команди. Структуру фон Неймана застосовують при побудові і сучасних універсальних процесорів. Але зараз, особливо в мікроконтрблерах, про які піде мова дещо пізніше, застосовують і гарвардську структуру, що значно підвищує їхню швидкодію. А надійність систем визначається дуже високою надійністю ВІС - надійність мікросхеми вища за надійність навіть однієї лампи.
На основі МП виконуються мікропроцесорні пристрої (МПП), перш за все мікро-ЕОМ - пристрій, що містить МП, запам'ятовувальні пристрої, органи керування і засоби зв'язку з зовнішніми пристроями -інтерфейс.
Інтерфейс (англ. interface - засіб спряження, сполучення) є сукупністю уніфікованих технічних і програмних засобів, необхідних для підключення зовнішніх пристроїв. Він забезпечує перетворення сигналів МП у сигнали, що сприймаються зовнішніми пристроями і навпаки, підсилення сигналів та становить собою апаратні засоби і набір програм передачі даних (уніфікований протокол обміну інформацією).
Якщо мікро-ЕОМ призначена для керування деяким об'єктом, то вона доповнюється засобами сполучення (узгодження) з об'єктом (датчики, аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі, виконавчі пристрої і т.п.). Сукупність мікро-ЕОМ і засобів сполучення називаютьмікропроцесорною системою. Структура такої системи наведена на рис. 8.28.
МП
ША
< шд
л
А
Л
/ \
шк
пзп
S5
І
До об'єкта керування
Рис. 0.20 - Мікропроцесорна система
МП є мозком МПП, у якому відбувається опрацювання інформації (команд і даних), що представляються у двійковому коді.
МП може виконувати дуже складні завдання з обчислень і керування, уміючи виконувати лише елементарні логічні й арифметичні операції, операції пересилання даних, порівняння двох чисел і деякі інші, за рахунок багаторазового їхнього повторення відповідно до заданої користувачем програми (визначеної послідовності команд).
Для забезпечення виконання операцій МП містить пристрої вибірки інформації з пам'яті і її дешифрування, арифметико-логічний пристрій, що є сукупністю схем, що реалізують арифметичні і логічні операції над даними, пристрій керування, який забезпечує виконання операцій МП, різні регістри для тимчасового зберігання (надоперативний ЗП) і перетворення даних і команд, тактовий генератор, що задає темп роботи МП.
21В
ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА
Для зберігання інформації є два види ЗП: постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП) та оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП).
ПЗП призначений для зберігання інформації, що заноситься в нього при виготовленні МПП і зберігається при відключенні живлення. Завдяки цьому МПП після вмикання знає, як підготувати себе до роботи і що потрібно робити при одержанні тих чи інших зовнішніх команд і дій. ПЗП може працювати тільки у режимі видачі інформації. Вміст ПЗП можна змінити заміною його ІМС на інші з новим набором програм або перепрограмуванням ІМС, якщо вони це допускають.
ОЗП призначений для тимчасового зберігання даних і програм користувача, проміжних результатів роботи і працює як у режимі запису, так і у режимі видачі інформації. Якщо інформацію, що міститься у ОЗП, необхідно зберегти довгостроково, то її треба записати у зовнішній пристрій пам'яті.
ПВВ забезпечує зв'язок МП із зовнішніми пристроями - дисплеєм, клавіатурою (засоби сполучення з оператором) та засобами сполучення з керованим об'єктом (ЗС) - датчики, виконавчі пристрої, АЦП, ЦАП і т.п.
Зв'язок між розглянутими модулями МПП здійснюється на основі магістральної схеми. Відповідно до неї модулі підключені до системної магістралі, що складається із шини адреси ША, шини даних ШД і шини керування ШК. Кожна із шин являє собою набір з деякого числа провідників - ліній.
По ША МП повідомляє, з яким з модулів чи з якою коміркою пам'яті (вказується їхній код - адреса) він буде працювати у даний момент часу.
Розрядність ША (число провідників) визначає число модулів, з яким може взаємодіяти МП. Зазвичай вона складає 16 (кількість модулів до 216 - комірок пам'яті ПЗП чи ОЗП, модулів вводу, виводу і т. ін.).
По ШК повідомляється характер взаємодії: введення даних чи їхній вивід (запис чи читання).
По ШД дані надходять у процесор і виводяться із нього, тобто ШД двонаправлена. У кожний конкретний момент часу ШД використовується тільки для вводу або тільки для виводу.
Оскільки до ШД приєднано всі модулі одночасно, то, щоб виключити їхній взаємний вплив, підмикання до провідників шини виконується за допомогою елементів, що мають три стани: два - 1; 0 (логічні) і третій -стан відключення від шини (нелогічний). МП вибирає один модульдля виводу даних на ШД, задаючи його адресу на ША. виходи інших модулів при цьому знаходяться у третьому стані - відімкнені від ШД.
Розрядність ШД визначає розрядність двійкових даних (розрядність слова даних), з якими може оперувати МП. Зазвичай ШД має 4, 8, 16 або 32 розряди: МП опрацьовує двійкові числа (слова) з 4, 8, 16 або 32 розрядів - біт (8 біт складають байт, 210 = 1024 біт - кілобайт).
Похожие статьи
Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка