Микропроцессор или микроконтроллер — что выбрать?
При конструировании цифровых электронных устройств практически всегда приходится искать оптимальное решение с учетом соблюдения различных требований. И начинать надо с самого главного — с сердца прибора.
Что лучше выполнит функции прибора и будет наиболее оптимальным — микропроцессор или микроконтроллер? Узнаем вместе с компанией «ЗУМ-СМД».
По выполняемым функциям эта микросхема является аналогом центрального процессора (ЦП) компьютера и решает следующие задачи:
- выполнение арифметических и логических операций в соответствии с заданной программой;
- обмен данными с периферийными устройствами.
Однако микропроцессор не может работать без дополнительных устройств, в число которых, например, входят:
- оперативная память (ОЗУ);
- постоянная память (ПЗУ);
- порты ввода/вывода;
- таймер.
С целью обмена информацией между входящими в комплект микросхемами создается еще и интерфейс, или системная шина.
Основные характеристики микропроцессора — это:
- тактовая частота работы;
- разрядность шины адреса/данных;
- объем памяти, к которой он может адресоваться;
- система команд.
В отличие от микропроцессора все необходимые для проведения операций компоненты размещены в самой микросхеме. Не интегрированными остаются источник электропитания, кварцевый резонатор, необходимый для создания тактовой частоты, цепь сброса в исходное состояние — их трудно совместить на одном кристалле. Таким образом пропадает необходимость в создании внешнего интерфейса.
Как и микропроцессор, микроконтроллер работает под управлением программы и обладает следующими преимуществами:
- невысокая цена;
- его применение уменьшает трудоемкость работы разработчика прибора;
- экономия электроэнергии и занимаемого места.
Однако платой за все эти достоинства является низкая производительность, а также неспособность выполнять сложные функции.
К основным характеристикам этого типа чипов можно отнести:
- емкость памяти — регистровой, ОЗУ, ПЗУ;
- тактовую чистоту;
- разрядность регистров, адресной шины, шины данных;
- количество выполняемых команд;
- состав периферийных устройств.
Далее рассмотрим, где применяются эти компоненты.
Современный микроконтроллер обладает высокой вычислительной мощностью, дающей возможность создать на одном чипе самодостаточное и полнофункциональное устройство, обладающее невысоким энергопотреблением и размерами. Поэтому он используется при изготовлении самых различных приборов и входящих в их состав узлов, например, таких как:
- компьютерные платы;
- контроллеры приводов;
- калькуляторы;
- стиральные и посудомоечные машины;
- домашние роботы;
- блоки управления станками.
Практически любое современное устройство, работающее в соответствии с определенным алгоритмом, содержит в себе хотя бы один контроллер.
Сегодня системы, построенные на основе микропроцессоров, являются незаменимым и эффективным средством решения различных проблем, связанных со сбором и преобразованием информации, автоматическим управлением, получением и преобразованием различных видов энергии.
Самыми популярными областями применения устройств этого типа является сложная техника типа смартфонов, ноутбуков или персональных ЭВМ, а также управление техническими процессами в составе микро-ЭВМ, сеть из которых может заменить ЭВМ высокой производительности, повысив при этом гибкость, надежность и эффективность работы.
Таким образом, микроконтроллеру отдается предпочтение в случае использования относительно простых алгоритмов работы, ограниченности места для размещения устройства управления, важности низкого энергопотребления. Микропроцессоры незаменимы при решении сложных задач, которые требуют большого объема памяти и высокой скорости обработки информации.
Основные характеристики микропроцессоров
Характеристики универсальных микропроцессоров:
1. Разрядность (мощность) — определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ). Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.
Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:
1. Разрядность регистров микропроцессора;
2. Разрядность шины данных;
3. Разрядность шины адреса.
Разрядность регистров — это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.
Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина «внешнего машинного слова». Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM PC (Intel 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова — всего 8 бит. В его современнике Intel 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intel применила на микропроцессоре 80386SX, а также на всех процессорах Pentium (исключая последние 64-разрядные).
Разрядность шины адреса — это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2 n , где n- разрядность адресной шины.
Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 2 20 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intel 80386, микропроцессоры Intel длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб.
2. Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.
Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»
3. Производительность — Производительность процессора измеряется во Флопсах. Флопс — это количество элементарных операций (тактов) выполняемых за 1 секунду с плавающей запятой. Флопс бывает: 1 Флопс = 10 (нулевая степень), 1 Килофлопс = 10*** степени, 1 Мегафлопс = 10****** степени, 1 Гигафлопс = 10********* степени, 1 Террафлопс = 10************ степени.
Пусть у нас имеется процессор AMD Athlon Core 2/3,5 HHz, пусть процессор выполняет 4 операции за 1 такт времени в каждом ядре, вычислим его производительность: 4 х 4 х 3,5 ГГц = 56 (Гигафлопс) или 56 миллиардов операций в 1 секунду.
Надо помнить, что количество тактов выполняемых процессором не всегда совпадает с фактическим количеством операций в 1 секунду!
И вот почему:
1) для выполнения многих математических операций процессору требуется несколько тактов,
2) конкретное количество операций зависит от типа процессора (чем выше тип, тем меньше требуется количество тактов на выполнение операций),
3) компоненты физической схемы компьютера влияют на скорость выполнения,
4) быстродействие в основном определяется тактовой частотой процессора, чем она выше, тем больше скорость выполнения операций в 1 секунду!
4. Тактовая частота (быстродействие) — процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).
Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.
5. Объем кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.
6. Архитектура МП. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Микропроцессоры. Структура микропроцессора и его основные характеристики
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Микропроцессор выполняет следующие основные функции:
1) чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2) чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
4) обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления, которое координирует взаимодействие различных частей компьютера и выполняет следующие основные функции:
• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
• получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов.
3. Микропроцессорная память, предназначенная для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:
• внутренний интерфейс микропроцессора;
• буферные запоминающие регистры;
• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.)
К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.
Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1) микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2) микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3) микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4) микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.
Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:
1) тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
2) разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;
3) адресное пространство. Каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ ИЕРАРХИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:
Микропроцессорная память рассмотрена выше.
Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:
• прием информации от других устройств;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Основная память содержит два вида запоминающих устройств:
• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;
• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся:
• программа управления работой процессора;
• программа запуска и останова компьютера;
• программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
• программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
• информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.
ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается
В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти — важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.
Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера — SETUP.
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее более часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.
В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.
Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт.
Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.
Устройства внешней памяти — внешние запоминающие устройства — весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.
Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:
• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
• накопители на оптических дисках (CD-ROM).
Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте — стримеры.
Накопители на дисках — это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.
НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия.
Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра — совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи и чтения накопителя.
Все диски — и магнитные, и оптические — характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5″ (89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.
Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.
В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках — ZIP-диски — переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.
В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках — от 640 Мбайт и выше.
Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.
Кроме основной своей характеристики — информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:
• скоростью считывания подряд расположенных байтов.
ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем составляет около 80-85% стоимости всего комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
• параллельные (обозначаемые LPT1 — LPT4) — обычно используются для подключения принтеров;
• последовательные (обозначаемые СОМ1 — СОМ4) — обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.
К внешним устройствам относятся:
• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• диалоговые средства пользователя;
• средства связи и телекоммуникации.
К устройствам ввода информации относятся:
• клавиатура — устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;
• графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;
• сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
• устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
• сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).
К устройствам вывода информации относятся:
• графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации на бумажный носитель;
• принтеры — печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель. Основные виды принтеров:
• матричные — изображение формируется из точек, печать которых осуществляются тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 иголок. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 и 24 иглы;
• струйные — в печатающей головке имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В настоящее время струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 50 точек на миллиметр и скорость печати до 500 знаков в секунду при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати.
Струйные принтеры выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом уменьшается примерно вдвое;
• лазерные — применяется электрографический способ формирования изображений. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее высококачественную печать с высоким быстродействием. Широко используются цветные лазерные принтеры.
К диалоговым средствам пользователя относятся:
• видеотерминалы (мониторы) — устройства для отображения вводимой и выводимой информации. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока компьютера (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы). Видеомониторы относятся к внешним устройствам компьютера. Основной характеристикой монитора является разрешающая способность, которая определяется максимальным количеством точек, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Современные мониторы имеют стандартные значения разрешающей способности от 640 480 до 16001200, но реально могут быть и другие значения. Могут использоваться как цветные, так и монохромные мониторы;
• устройства речевого ввода-вывода информации. К ним относятся различные микрофонные акустические системы, а также различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
Средства связи и телекоммуникации используются для подключения компьютера к каналам связи, другим компьютерам и компьютерным сетям. К этой группе прежде всего относятся сетевые адаптеры. В качестве сетевого адаптера чаще всего используются модемы (модулятор-демодулятор).
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа.
Средства мультимедиа — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа относятся:
• устройства речевого ввода и вывода информации;
• микрофоны и видеокамеры, акустические и видео-воспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;
• звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в компьютер;
• вешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
Что относится к основным характеристикам микропроцессора
Основные характеристики микропроцессора
Микропроцессор характеризуется:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.
Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:
m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора — это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
Структура типового микропроцессора
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.
Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:
1. Нажать клавишу с буквой «А» на клавиатуре.
2. Поместить букву «А» в память микроЭВМ.
3. Вывести букву «А» на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.
На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.
Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.
В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе — команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть — операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда — в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.
В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока — регистры: аккумулятор и регистр команд.
Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор — это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.
Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду («Ввести данные») по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд «Из порта 1». Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду («Ввести данные из порта 1»).
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы «А» передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды «Запомнить данные» подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения «В ячейке памяти 200». МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда «Запомнить данные в ячейке памяти 200» выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы «А» передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы «А».
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда «В порт 10», который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт 10». С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы «А» (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А» выводится через порт 10 на экран дисплея.
В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.
Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.
Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
— выборку команд программы из основной памяти;
— дешифрацию команд;
— выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
— управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
— отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
— управление и координацию работы основных узлов МП.