Sistemas microprocessados

O uso de sistemas microprocessados ​​em quase todos os dispositivos elétricos é a característica mais importante da infraestrutura técnica da sociedade moderna. Eletricidade, indústria, transporte, sistemas de comunicação são altamente dependentes de sistemas de controle de computador. Os sistemas microprocessados ​​são incorporados em instrumentos de medição, dispositivos elétricos, instalações de iluminação, etc.

Tudo isso obriga o engenheiro eletricista a conhecer pelo menos o básico da tecnologia de microprocessadores.

Os sistemas microprocessados ​​são projetados para automatizar o processamento de informações e controlar vários processos.

O termo "sistema microprocessador" é muito amplo e inclui conceitos como "máquina de computação eletrônica (ECM)", "computador de controle", "computador" e outros.

O sistema microprocessador inclui Hardware ou em inglês — hardware e software (Software) — software.

informações digitais

O sistema microprocessado trabalha com informação digital, que é uma série de códigos numéricos.

No centro de qualquer sistema de microprocessador está um microprocessador que só pode aceitar números binários (compostos de 0s e 1s).Os números binários são escritos usando o sistema de numeração binário. Por exemplo, na vida cotidiana usamos um sistema numérico decimal que usa dez caracteres ou dígitos para escrever números, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Conseqüentemente, no sistema binário existem apenas dois desses símbolos (ou dígitos) - 0 e 1.

É necessário entender que o sistema numérico é apenas as regras para escrever números, e a escolha do tipo de sistema será determinada pela facilidade de uso. A escolha de um sistema binário deve-se à sua simplicidade, o que significa a confiabilidade dos dispositivos digitais e a facilidade de sua implementação técnica.

Considere as unidades de medida da informação digital:

Um bit (do inglês «BInary digiT» — dígito binário) leva apenas dois valores: 0 ou 1. Você pode codificar o valor lógico «yes» ou «no», o estado «on» ou «off», o estado « aberto» «ou» fechado «etc.

Um grupo de oito bits é chamado de byte, por exemplo 10010111. Um byte permite codificar 256 valores: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Um bit é a menor unidade de informação.

Byte — a menor unidade de processamento de informações. Byte - parte de uma palavra de máquina, geralmente composta por 8 bits e usada como unidade para a quantidade de informações durante seu armazenamento, transmissão e processamento em um computador. Um byte serve para representar letras, sílabas e caracteres especiais (geralmente ocupando todos os 8 bits) ou dígitos decimais (cada 2 dígitos em 1 byte).

Dois bytes contíguos são chamados de palavra, 4 bytes de palavra dupla e 8 bytes de palavra quádrupla.

Quase todas as informações que nos cercam são analógicas. Portanto, antes de a informação entrar no processador para processamento, ela é convertida por meio de um ADC (conversor analógico-digital).Além disso, a informação é codificada em um determinado formato e pode ser digital, lógico, textual (simbólico), gráfico, vídeo, etc.

Por exemplo, uma tabela de códigos ASCII (do Inglês American Standard Code for Information Interchange) é usada para codificar informações de texto. Um caractere é escrito em um byte, que pode ter 256 valores. As informações gráficas são divididas em pontos (pixels) e a cor e a posição de cada ponto são codificadas horizontal e verticalmente.

Além dos sistemas binário e decimal, o MS utiliza um sistema hexadecimal no qual os símbolos 0 ... 9 e A ... F são usados ​​para escrever números. Seu uso se deve ao fato de um byte ser descrito por dois -digit número hexadecimal, o que reduz muito o registro do código numérico e o torna mais legível (11111111 — FF).

Tabela 1 — Escrita de números em diferentes sistemas de numeração

Para determinar o valor do número (por exemplo, o valor do número 100 para diferentes sistemas numéricos pode ser 42, 10010, 25616), no final do número adicione uma letra latina indicando o sistema numérico: para números binários a letra b, para números hexadecimais — h , para números decimais — d. Um número sem uma designação adicional é considerado um decimal.

A conversão de números de um sistema para outro e operações aritméticas e lógicas básicas com números permitem que você faça uma calculadora de engenharia (aplicativo padrão do sistema operacional Windows).

Estrutura de um sistema microprocessado

O sistema de microprocessador é baseado em um microprocessador (processador) que executa funções de processamento e controle de informações. O resto dos dispositivos que compõem o sistema microprocessador servem ao processador ajudando-o a funcionar.

Os dispositivos obrigatórios para criar um sistema de microprocessador são portas de entrada / saída e parte da memória. As portas de entrada - saída conectam o processador ao mundo externo, fornecendo informações para processamento e saída dos resultados do processamento ou ações de controle. Botões (teclado), vários sensores são conectados às portas de entrada; às portas de saída — dispositivos que permitem o controle elétrico: indicadores, displays, contatores, válvulas solenóides, motores elétricos, etc.

A memória é necessária principalmente para armazenar um programa (ou conjunto de programas) necessário para a operação do processador. Um programa é uma sequência de comandos que o processador entende, escritos por um ser humano (geralmente um programador).

A estrutura de um sistema microprocessado é mostrada na Figura 1. De forma simplificada, o processador consiste em uma unidade lógica aritmética (ULA) que processa informações digitais e uma unidade de controle (UC).

A memória normalmente inclui memória somente leitura (ROM), que é não volátil e destinada ao armazenamento de informações de longo prazo (por exemplo, programas) e memória de acesso aleatório (RAM), destinada ao armazenamento temporário de dados.

Figura 1 — A estrutura do sistema microprocessado

O processador, as portas e a memória se comunicam por meio de barramentos. Um barramento é um conjunto de fios funcionalmente unidos. Um único conjunto de barramentos do sistema é denominado barramento intrassistema, no qual existem:

• Barramento de dados do banco de dados (Data Bus), por meio do qual os dados são trocados entre o processador, a memória e as portas;

• barramento de endereços AB (Address Bus), usado para endereçar as células de memória e portas do processador;

• barramento de controle CB (Control Bus), um conjunto de linhas que transmitem vários sinais de controle do processador para dispositivos externos e vice-versa.

Microprocessadores

Microprocessador — um dispositivo controlado por software projetado para processar informações digitais e controlar o processo desse processamento, feito na forma de um (ou vários) circuitos integrados com alto grau de integração de elementos eletrônicos.

Um microprocessador é caracterizado por um grande número de parâmetros, pois é um dispositivo complexo controlado por software e um dispositivo eletrônico (microcircuito). Portanto, para um microprocessador, tanto o tipo de caso quanto o conjunto de instruções para o processador... As capacidades de um microprocessador são definidas pelo conceito de arquitetura do microprocessador.

O prefixo «micro» no nome do processador significa que ele é implementado usando a tecnologia micron.

Figura 2 — Visão externa do microprocessador Intel Pentium 4

Durante a operação, o microprocessador lê os comandos do programa da memória ou de uma porta de entrada e os executa. O significado de cada comando é determinado pelo conjunto de instruções do processador.O conjunto de instruções é incorporado à arquitetura do microprocessador e a execução do código de comando é expressa na execução de certas microoperações pelos elementos internos do processador.

Arquitetura do microprocessador — esta é sua organização lógica; ele define as capacidades do microprocessador em termos de implementação de hardware e software das funções necessárias para construir um sistema de microprocessador.

Principais características dos microprocessadores:

1) Frequência do clock (unidade de medida MHz ou GHz) — o número de pulsos do clock em 1 segundo.Os pulsos de clock são gerados por um gerador de clock, que geralmente está localizado dentro do processador. Como todas as operações (instruções) são executadas em ciclos de clock, o desempenho do trabalho (o número de operações executadas por unidade de tempo) depende da frequência do clock. A frequência do processador pode variar dentro de certos limites.

2) Processador de bits (8, 16, 32, 64 bits, etc.) — especifica o número de bytes de dados processados ​​em um ciclo de clock. A largura de bits de um processador é determinada pela largura de bits de seus registradores internos. Um processador pode ser de 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc. os dados são processados ​​em blocos de 1, 2, 4, 8 bytes. É claro que quanto maior a profundidade de bits, maior a produtividade do trabalho.

Arquitetura interna do microprocessador

Uma arquitetura interna simplificada de um típico microprocessador de 8 bits é mostrada na Figura 3. A estrutura do microprocessador pode ser dividida em três partes principais:

1) Registros para armazenamento temporário de comandos, dados e endereços;

2) Unidade lógica aritmética (ULA) que realiza operações aritméticas e lógicas;

3) Circuito de controle e temporização — fornece seleção de comando, organiza a operação da ALU, fornece acesso a todos os registradores do microprocessador, percebe e gera sinais de controle externos.

Figura 3 — Arquitetura interna simplificada de um microprocessador de 8 bits

Como você pode ver no diagrama, o processador é baseado em registradores, que são divididos em registradores especiais (com uma finalidade específica) e registradores de uso geral.

Contador de programa (computador) — um registrador contendo o endereço do próximo byte de comando. O processador precisa saber qual comando será executado a seguir.

Bateria — um registrador usado na maioria das instruções para processamento lógico e aritmético; é tanto a fonte de um dos bytes de dados necessários para a operação da ALU quanto o local onde o resultado da operação da ALU é colocado.

Um registrador de função (ou registrador de sinalizador) contém informações sobre o estado interno do microprocessador, especificamente o resultado da última operação da ALU. Um registrador de flag não é um registrador no sentido usual, mas simplesmente um conjunto de flip-flops (flag up ou down. Normalmente existem flags zero, overflow, negativo e carry).

Stack Pointer (SP) — rastreia a posição da pilha, ou seja, contém o endereço de sua última célula utilizada. Pilha — uma forma de organizar o armazenamento de dados.

Um registro de comando contém o byte de comando atual sendo decodificado pelo decodificador de comando.

As linhas de barramento externas são isoladas das linhas de barramento internas por buffers, e os principais elementos internos são conectados por um barramento de dados interno de alta velocidade.

Para melhorar o desempenho de um sistema multiprocessador, as funções do processador central podem ser distribuídas entre vários processadores. Para ajudar o processador central, o computador geralmente introduz coprocessadores, focados na execução eficiente de quaisquer funções específicas. Co-processadores matemáticos e gráficos amplamente difundidos, entrada e saída descarregando o processador central de operações simples, mas numerosas, de interação com dispositivos externos.

No estágio atual, a principal direção para aumentar a produtividade é o desenvolvimento de processadores multi-core, ou seja, combinar dois ou mais processadores em um caso para executar várias operações em paralelo (simultaneamente).

Intel e AMD são as empresas líderes em design e fabricação de processadores.

Algoritmo do sistema de microprocessador

Algoritmo — uma prescrição precisa que define de forma única o processo de transformação da informação inicial em uma sequência de operações que permite resolver um conjunto de tarefas de uma determinada classe e obter o resultado desejado.

O principal elemento de controle de todo o sistema microprocessador é um processador... Ele, com exceção de alguns casos especiais, controla todos os outros dispositivos. Os demais dispositivos, como RAM, ROM e portas de E/S, são subordinados.

Assim que é ligado, o processador começa a ler códigos digitais da área de memória reservada para armazenar programas. A leitura é feita sequencialmente célula a célula, começando pela primeira. Uma célula contém dados, endereços e comandos. Uma instrução é uma das ações elementares que um microprocessador pode realizar. Todo o trabalho do microprocessador é reduzido à leitura sequencial e execução de comandos.

Considere a sequência de ações do microprocessador durante a execução dos comandos do programa:

1) Antes que a próxima instrução seja executada, o microprocessador armazena seu endereço no contador de programa do computador.

2) O MP acessa a memória no endereço contido no computador e lê da memória o primeiro byte do próximo comando no registrador de comandos.

3) O decodificador de comando decodifica (decifra) o código de comando.

4) De acordo com as informações recebidas do decodificador, a unidade de controle gera uma sequência ordenada no tempo de microoperações que executam as instruções de comando, incluindo:

— recupera operandos de registradores e memória;

— executa operações aritméticas, lógicas ou outras sobre eles, conforme prescrito pelo código de comando;

— dependendo do comprimento do comando, altera o conteúdo do computador;

— transfere o controle para o próximo comando cujo endereço está novamente no contador de programas de computador.

O conjunto de instruções para um microprocessador pode ser dividido em três grupos:

1) Comandos para mover dados

A transferência ocorre entre memória, processador, portas de E/S (cada porta tem seu próprio endereço), entre registradores do processador.

2) Comandos de transformação de dados

Todos os dados (texto, imagem, vídeo, etc.) são números e somente operações aritméticas e lógicas podem ser realizadas com números. Portanto, os comandos deste grupo incluem adição, subtração, comparação, operações lógicas, etc.

3) Transferência de comando de controle

É muito raro um programa consistir em uma única instrução sequencial. A maioria dos algoritmos requer ramificação do programa. Para que o programa altere o algoritmo de seu trabalho, dependendo de qualquer condição, são utilizados comandos de transferência de controle. Esses comandos garantem o fluxo de execução do programa em diferentes caminhos e organizam loops.

Dispositivos externos

Dispositivos externos incluem todos os dispositivos externos ao processador (exceto RAM) e conectados por meio de portas de E/S. Os dispositivos externos podem ser classificados em três grupos:

1) dispositivos de comunicação humano-computador (teclado, monitor, impressora, etc.);

2) dispositivos para comunicação com objetos de controle (sensores, atuadores, ADC e DAC);

3) dispositivos de armazenamento externo de grande capacidade (disco rígido, disquetes).

Dispositivos externos são conectados ao sistema microprocessador fisicamente — por meio de conectores e logicamente — por meio de portas (controladores).

Um sistema de interrupção (mecanismo) é usado para fazer a interface entre o processador e os dispositivos externos.

sistema de interrupção

Este é um mecanismo especial que permite a qualquer momento, através de um sinal externo, forçar o processador a interromper a execução do programa principal, realizar operações relacionadas ao evento que causou a interrupção e, em seguida, retornar à execução do programa principal .

Cada microprocessador tem pelo menos uma entrada de solicitação de interrupção INT (da palavra Interrupção).

Vamos considerar um exemplo da interação de um processador de computador pessoal com um teclado (Figura 4).

Teclado — um dispositivo para inserir informações simbólicas e comandos de controle. Para conectar o teclado, o computador possui uma porta de teclado especial (chip).

Figura 4 — Operação da CPU com o teclado

Algoritmo de trabalho:

1) Quando uma tecla é pressionada, o controlador do teclado gera um código numérico. Este sinal vai para o chip da porta do teclado.

2) A porta do teclado envia um sinal de interrupção para a CPU. Cada dispositivo externo tem seu próprio número de interrupção pelo qual o processador o reconhece.

3) Após receber uma interrupção do teclado, o processador interrompe a execução do programa (por exemplo, o editor do Microsoft Office Word) e carrega o programa para processamento de códigos de teclado da memória. Esse programa é chamado de driver.

4) Este programa direciona o processador para a porta do teclado e o código numérico é carregado no registrador do processador.

5) O código digital é armazenado na memória e o processador continua realizando outra tarefa.

Devido à alta velocidade de operação, o processador executa um grande número de processos simultaneamente.