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