Микропроцессорные управляющие устройства реферат

Обновлено: 05.07.2024

Объекты управления (ОУ) бытовой техники по своему назначению делятся на два класса. К первому классу относятся хорошо известные объекты, предназначенные для использования в домашних условиях: телевизоры, видеомагнитофоны и другие устройства бытовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), а также холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны и др. Ко второму классу относятся объекты, предназначенные для оказания услуг населению в производственных условиях: промышленные стиральные машины, машины химической чистки одежды, станочное оборудование предприятий по ремонту и изготовлению мебели по заказам населения.

Системы управления объектами первого класса строятся на базе одного управляющего устройства, соединенного с объектом управления несколькими каналами связи. В качестве управляющего устройства системы может использоваться микропроцессорный контроллер (МК), построенный на базе микропроцессора определенного типа. Информация о состоянии объекта управления передается в микропроцессорный контроллер через блок нормирующих преобразователей (БН), коммутатор (К) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Нормирующие преобразователи используются в системе для согласования уровней информационных сигналов на выходе объекта управления с уровнями входных сигналов коммутатора. Аналого-цифровой преобразователь служит для преобразования аналоговых сигналов с выхода объекта в цифровой код. После преобразования цифровой информации о состоянии объекта управления по определенному алгоритму, обычно содержащемуся в памяти МК, вырабатываются управляющие воздействия, которые поступают на вход объекта управления через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и исполнительное устройство (ИУ). Заметим что если мультиплексирование входных сигналов ОУ на входе АЦП возможно практически всегда, то мультиплексирование управляющих сигналов на входе МК часто недопустимо. Такая структура управляющей системы объясняется необходимостью запоминания каждого

Следует заметить, что среди выходных сигналов бытовых объектов управления аналогового типа могут быть и дискретные сигналы. Ввод таких сигналов в микропроцессорный контроллер осуществляется через блок формирования сигнала (БФС), назначение которого - согласовать их уровни и мощности с входными цепями микропроцессорного контроллера. При наличии нескольких дискретных сигналов для их ввода в МК можно использовать мультиплексирование. При наличии на входе объекта управления исполнительного устройства дискретного типа (ИУД) (усилители мощности, тиристорные преобразователи, работающие в ключевом режиме), управляющее воздействие формируется в микропроцессорный контроллер и подается в ИУД без использования ЦАП. Система управления может решать различные задачи: поддержание на определенном уровне или изменение по определенному закону выходных параметров объекта управления; программное изменение выходных параметров объекта и отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами; отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами; дискретных сигналов для их ввода в микропроцессорный контроллер можно использовать мультиплексирование. При наличии на входе объекта управления исполнительного устройства дискретного типа (ИУД) (усилители мощности, тиристорные преобразователи, работающие в ключевом режиме), управляющее воздействие формируется в микропроцессорном контроллере и подается в ИУД без использования ЦАП. включение или выключение потока энергии в объекты управления по времени или по заданному амплитудному значению контролируемого параметра; сбор информации о состоянии объекта управления и ее обработка с сохранением результатов обработки в устройствах памяти.

Центральное место в рассматриваемой системе занимает микропроцессорный контроллер, а остальные элементы - БН, К, АЦП, ЦАП и ИУ - обеспечивают связь микропроцессорного контроллера с объектом управления. Часто их объединяют одним общим названием - устройство связи с объектом (УСО). Конструктивно все элементы системы могут располагаться на одной плате, которая размещается в конструктиве объекта управления. Контроллер может быть выполнен на базе определенного типа микропроцессора и нескольких микросхем подкрепления. При использовании МК как встроенного средства управления в отдельно взятые объекты технические параметры микропроцессорного контроллера и УСО могут быть неунифицированными, и, следовательно, системы управления различных объектов не взаимозаменяемы. Общая стоимость автоматизированной бытовой техники при этом становится значительной.

Для снижения затрат на систему управления объектами бытового назначения возможно использование одного универсального комплекта МК и УСО, которые при необходимости могут быть подключены к любому из объектов. Такой подход к автоматизации бытовой техники особенно целесообразен, когда потребитель является обладателем бытовой ПЭВМ. Небольшим набором средств сопряжения с объектом можно обеспечить в этом случае решение многих бытовых задач, поручив управляющей ПЭВМ контроль и управление различными бытовыми процессами человека. Объекты управления второго класса обычно объединяются в группы, которые составляют технологическую линию. Системы управления объектами этого класса могут строиться по тому же принципу, составляя совокупность одноконтурных систем управления данного уровня (рис. 1.2). В этом случае каждая локальная система управления одним из объектов работает независимо от других систем. При необходимости информация о состоянии объектов может быть передана в центральное вычислительное устройство для решения некоторых общих для группы объектов управляющих задач.

Те же задачи управления можно решить и с использованием центрального МК, управляющего всей группой объектов. В каждой из этих систем есть свои достоинства и недостатки. В распределенной системе управления используются несколько контроллеров (по числу каналов управления). Очевидно, что стоимость такой системы будет больше, но ее надежность гораздо выше, ибо выход из строя одного микропроцессорного контроллера мало отразится на технологическом процессе в целом

Затраты на систему управления с центральным микропроцессорным контроллером меньше, но ее надежность тоже ниже, так как в основном она определяется надежностью центрального микропроцессорного контроллера. Конечный выбор принципа управления проектируемых микропроцессорных систем зависит от многих взаимосвязанных факторов, важнейшими из которых являются стоимость, надежность, гибкость, способность работать в реальном масштабе времени. Для бытовой техники первые два показателя - стоимость и надежность - часто оказываются определяющими.

Микропроцессорные системы переработки информации

а) системы переработки текстовой информации

Основными элементами системы переработки текстовой информации с применением микропроцессоров являются персональная микроЭВМ и лазерный принтер.

Ввод текстовой информации в ЭВМ осуществляется с помощью клавиатуры.

Схема контроллера клавиатуры приведена на рис.1. Важнейшие задачи, возникающие при разработке контроллера клавиатуры, - это обеспечение защиты от одновременного нажатия нескольких клавишей и исключение влияния переходных процессов при нажатии клавиша ("Дребезг" контактов).

"Дребезг" контактов состоит в том, что при нажатии клавиша возникает переходной процесс, поэтому вместо одной цифры 0 или 1 на вход микропроцессора может быть подана совокупность нулей и единиц. Подавление помех от "дребезга" контактов осуществляется обычно путем повторного считывания данных с клавиатуры через некоторую временную задержку.

Идентификация нажатой клавиши осуществляется с использованием матрицы двоичных переключателей, установленных на пересечении горизонтальных (выходных) и вертикальных (входных) линии связи. Нахождение нажатой клавиши выполняется методом сканирования. При этом координаты клавиши в матрице определяются по номеру вертикальной линии, на которую подан нулевой сигнал, и по номеру горизонтальной линии, с которой снимается нулевой сигнал, а номер линии связи матрицы - с помощью счетчика сканирования.

Взаимодействие контроллера с микропроцессором осуществляется в режиме прерывании.

В состав контроллера входит также устройство вывода информации на линейный дисплей. Оно необходимо для контроля выводимой информации.

Рис. 1Схема контроллера клавиатуры

Для отображения алфавитно-цифровой и графической информации служит видеотерминал. Контроллер видеотерминала (рис.2) обеспечивает связь микропроцессора ЭЛТ. Он позволяет изменять формат растра, число строк развертки, производить манипуляции с маркером и световым пером.

Основной задачей при создании видеотерминала является обеспечение быстрой передачи данных из ОЗУ в контроллер видеотерминала. Решение этой задачи возможно при использовании контроллера прямого доступа к памяти.

В составе контроллера ЭЛТ имеется двухтактное буферное ОЗУ. Во время вывода данных первой строки из одной зоны ОЗУ во вторую зону загружается информация о второй строке из ОЗУ микропроцессора. Блок генерации знаков построен на постоянном ЗУ.

Основными задачами решаемыми контроллером накопителей на гибких дисках НГМД (рис.28), являются: выбор накопителя дорожки, нахождение требуемого сектора, поиск знака в записи и проверка кода на четность.

Рис. 2 Схема контроллера терминала

В системах переработки текстовой информации требуется большой объем внешней памяти. В этом случае контроллер выполняет ряд дополнительных задач: распределяет память между отдельными этапами процесса переработки текста (при многоэтапной его переработке), осуществлять контроль знаков с использованием помехозащищенных кодов.

На рис. 2 приведена схема соединения микроЭВМ с лазерным принтером. Все задачи по обработке текста (формирование строк, переносы слогов, формирование страниц) осуществляются микроЭВМ.

Лазерный принтер, присоединенный к магистралям микроЭВМ с помощью контроллера, выдает сформированный текст на бумагу. В контроллер текстовая информация подается из ЭВМ через буферное ЗУ, которое обладает небольшой емкостью и позволяет записать в нем обычно только одну строку текста.

Управление работой лазерного принтера осуществляется также с помощью ЭВМ. Важнейшим управляющим элементом является регистр состояния, в котором фиксируется состояние микропроцессора, буферного и внешнего запоминающего устройства лазерного принтера.

С появлением микропроцессоров (МП) началась новая эпоха в автоматизации производственных процессов. Благодаря способности устройств на базе МП практически мгновенно реагировать на любые события в технологическом процессе, воспринимать за короткое время информацию, поступающую с большого количества различных датчиков, и формировать большое количество управляющих сигналов микропроцессоры получили широкое распространение на всех уровнях — от сбора и обработки данных до полного ведения технологического процесса. Изменилась и форма представления информации оператору и ее регистрации.

Микропроцессор — информационное устройство; он работает с информацией, представленной в виде двоичных чисел. Огромная эффективность МП как ключевого элемента средств управления базируется на двух принципах:

• любое значение любой физической величины можно записать в виде двоичного числа;

• любое действие любого исполнительного механизма можно закодировать в виде двоичного числа.

Следовательно, организовать причинно-следственную связь между значением технологического параметра (причиной) и требуемым воздействием на исполнительный механизм (следствием) можно путем перехода от одного двоичного числа к другому, выполненного по определенным правилам.

Такой переход и осуществляет микропроцессор, преобразуя с помощью арифметических и логических операций одни двоичные числа в другие. Какие именно операции нужно произвести, указывает программа управления работой МП, составленная на основе анализа зависимости между значением данного параметра и результатом воздействия данного ИМ на технологический процесс.

Микропроцессор — это программно-управляемое устройство, производящее преобразование двоичных чисел и выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.

Все другие функции микропроцессора, такие как обработка информации и формирование управляющих воздействий, относятся не к МП, а к управляющей программе.

Общая схема микропроцессора приведена на рис. 7.3, а.

Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и внутренней памяти — регистров общего назначения (РОН). Устройства связаны тремя шинами. Каждая шина — это группа проводников, по которым передаются двоичные коды в виде сигналов 0 или 1.

Современные микропроцессоры состоят из миллионов транзисторов и выполняют сотни миллионов операций в секунду. Если снабдить МП более мощной памятью, устройствами ввода-вывода информации, а при необходимости и пультом управления, позволяющим вводить и отлаживать новые программы, то он превратится в микроЭВМ.

Структурная схема микроЭВМ на базе МП приведена на рис. 7.3, б.

МикроЭВМ имеет два вида памяти: постоянное (ПЗУ) и оперативное (ОЗУ) запоминающие устройства. Содержимое ПЗУ записывается изготовителем микроЭВМ и не может быть стерто. В ПЗУ хранят программы начальной загрузки микроЭВМ, константы, табличные данные и т.д. В ОЗУ информацию можно записывать и стирать многократно, поэтому оно используется для оперативного хранения данных, подлежащих обработке, промежуточных результатов, отладки программ и т.д. При выключении микроЭВМ информация в ОЗУ пропадает.

Устройства ввода и вывода обеспечивают прием и выдачу двоичных кодов обмена информацией с внешними устройствами.

Шины адресов, данных и управления используются для обмена информацией между всеми подключенными к ним устройствами в режиме разделения времени. Микропроцессор управляет подключением к шинам в каждый момент времени тех или иных устройств; для остальных устройств шины в это время недоступны.

Обычно микроЭВМ представляет собой набор унифицированных микросхем: микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ и др. Все они согласованы между собой по уровням сигналов, входному и выходному сопротивлению, допустимым нагрузкам и иным параметрам.

Совершенствование технологии производства интегральных микросхем позволило создать микроЭВМ, которые вместе с жестким магнитным диском (долговременная память) размещаются в унифицированном герметичном корпусе, легко встраиваемом в каркас аппаратуры систем управления.

Варианты использования микропроцессоров и микроЭВМ в системах управления многообразны. До появления микроЭВМ системы управления были централизованными и одна мощная и быстродействующая ЭВМ обслуживала поочередно десятки и сотни датчиков и исполнительных механизмов. В современных децентрализованных системах управления центральная ЭВМ может отсутствовать вообще или использоваться только для учета и координации работ, а множество автономных микроЭВМ выполняют функции управления различными единицами оборудования и участками технологического процесса, вплоть до управления отдельными параметрами процесса.

На рис. 7.4 представлена укрупненная схема одноконтурной системы управления, обеспечивающей поддержание заданного значения регулируемого параметра объекта управления. Она иллюстрирует возможности устройства с ЭВМ в выборе оптимального варианта управления. МикроЭВМ не просто сравнивает значение регулируемого параметра с заданным, а учитывает результаты проведенного ею анализа поведения параметра в предшествующий период и выбирает наилучший в этой ситуации закон регулирования.

Наряду с микроЭВМ в промышленности применяются программируемые контроллеры (ПК). Их используют в случаях, когда управление производится по результатам логической обработки входных сигналов без проведения вычислительных работ. Такой контроллер обычно не имеет средств для работы со стандартными языками программирования, применяемыми в микроЭВМ.

Программа, вводимая в ПК, содержит набор команд управления, представленных на языке релейно-контактных схем или на аналогичном языке. Фактически программируемые контроллеры заменяют широко использовавшиеся ранее релейно-контактные системы управления, существенно превосходя их по надежности, удобству перепрограммирования и возможностям связи с системой управления производством предприятия.

Программируемые контроллеры содержат кроме микропроцессора и источника питания большее или меньшее (в зависимости от объекта управления) количество устройств преобразования информации, предназначенных для связи с технологическим оборудованием. Это устройства ввода данных, соединяемые с датчиками и преобразующие их аналоговые и дискретные сигналы в двоичные коды, принимаемые микропроцессором, и устройства вывода управляющих сигналов, соединяемые с исполнительными механизмами. При необходимости количество этих устройств может изменяться.

Микропроцессор, источник питания и устройства преобразования информации выполняют единообразными по конструкции и размещают в общем каркасе, соединяя их общими шинами и кабелями в единый контроллерный блок (рис. 7.6). Программа загружается в ПК с подключаемого к нему пульта программирования.

Программируемые контроллеры могут работать совместно с ЭВМ, выполняющей функции обработки данных и координации работы ПК. Дальнейшее развитие и удешевление микроэлектронных устройств ведет к тому, что происходит сближение различных видов локальных подсистем управления по их функциям и возможностям. В специальных промышленных компьютерах на базе микроЭВМ, как и в ПК, предусмотрено до 20 мест для установки устройств преобразования информации. Аналогично построены и ремиконты. Общая тенденция развития современных систем уп-

равления — распределение всего комплекса задач по управлению технологическим процессом по множеству подсистем, каждая из которых обладает интеллектуальным ядром в виде мощной мик-роЭВМ со своим набором устройств ввода и вывода информации, обслуживающих свой участок технологического процесса и соединенных в единую сеть с главной ЭВМ.

1.Теоретическая часть. Микропроцессоры и их характеристика.

1.1.Основные понятия 6

1.2.Классификация микропроцессоров 10

1.3 Структура и основные характеристики микропроцессоров 12

2. Практическая часть 19

2.1 Общая характеристика задачи 19

2.2 Описание алгоритма решения задачи 22

Список литературы 27

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры.

Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом.

В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Известны различные применения микропроцессоров. Важнейшими из них являются: автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, физическое и математическое моделирование, обработка результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и т.д.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть основные понятия темы;

- дать общую схему классификации микропроцессоров;

- рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Данная курсовая работа выполнена на компьютере Intel Pentium IV c программным обеспечением Windows XP и Microsoft Office 2003.

1.Теоретическая часть. Микропроцессоры и их характеристика.

Введение

Актуальность темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться и в обыденной жизни, например при приобретении персонального компьютера.

Для раскрытия выбранной темы необходимо рассмотреть ряд таких вопросов, как: структура микропроцессор, его характеристики, а так же классификацию микропроцессоров персонального компьютера.

1.1 Основные понятия

Процессор - это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -транзисторов.

Кэш-память первого уровня - небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня - эта память чуть помедленнее, зато больше - от 128 килобайт до 2 Мб.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4-6 квадратных сантиметров.

Арифметико-логическое устройство - часть процессора, которая выполняет команды.

Устройство управления - часть процессора, выполняющая функции управления устройствами.

Тактовая частота. 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).

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз - к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая - кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб - в последних моделях AMD).

Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

1.2 Классификация микропроцессоров

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ.

1.3 Структура и основные характеристики микропроцессоров

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления [3, с.80]. Собственно говоря, процессор в компьютере не один — их может быть целый десяток! Собственным процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить с главным, Центральным Процессором. Но в отличие от него, все они являются узкими специалистами — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основное и главное отличие центрального процессора — это его универсальность. При желании центральный процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеоплаты при всем желании не сможет раскодировать, скажем, музыкальный файл.

Однако процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств [4, с.38]. В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. 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 обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена 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 [5]. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах [3, с.80].

4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб [4, с.38].

5. Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

1. Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

2. Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

3. Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера [3, с.80].

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессоров более подробно.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;компьютеpы класса AT;компьютеpы класса 386;компьютеpы класса 486;компьютеpы класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

3. Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу вpемени (опеpации/секунда).

4. Разpядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, котоpые могут обpабатываться или пеpедаваться одновpеменно.

5. Аpхитектуpа микpопpоцессоpа.

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.

В соответствии с аpхитектуpными особенностями, опpеделяющими свойства системы команд, pазличают:

- 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.

Заключение

Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления, и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.

Микропроцессоры незаменимы в современной технике. 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.

Вскоре на рынке появится новый микропроцессор, который в перспективе способен расширить выбор элементной базы для недорогих ПК. Микросхема называется IDT-C6 и представляет собой микропроцессор класса Pentium, изготовление которого компания Integrated Device Technology Inc. планирует начать осенью этого года. Компания, расположенная в Санта-Кларе (шт. Калифорния), намеревается выпускать микропроцессоры с внутренней тактовой частотой 150, 180 и 200 МГц и средствами MMX, сообщил Гленн Хенри, президент компании IDT, разработавшего эту микросхему.

Это все говорит о том, что производство и усовершенствование микропроцессоров не стоит на месте. Современные технологии с каждым днем упрощают работу человека с компьютером, давая ему больше возможностей для работы.

2. Практическая часть

2.1 Общая характеристика задачи

Наименование экономической задачи: составление реестра договоров по филиалам страховой компании. Цель решения задачи – определение отчислений для их уплаты.

Компания имеет свои филиалы в нескольких городах (рисунок 2) и поощряет развитие каждого филиала, предоставляя определенный дисконт. Дисконт пересматривается ежемесячно по итогам общих сумм договоров по филиалам.

В конце каждого месяца составляется общий реестр договоров по всем филиалам (рисунок 3).

ГОСТ

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой систему, включающую в себя хотя бы 1 микропроцессор (МП), запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ), устройства сопряжения системной шины с устройствами ввода/вывода (контроллеры), системную шину.

Данную систему можно рассматривать как пример электронной системы, которая предназначена для обрабатывания входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В роли входных и выходных сигналов возможно использование аналоговых сигналов, одиночных цифровых сигналов, цифровых кодов, последовательности цифровых кодов. В данной системе, как в любой цифровой системе, входные аналоговые сигналы преобразуют в последовательности кодов с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), а выходные аналоговые сигналы формируют из последовательности кодов с помощью цифровых аналоговых преобразователей (ЦАП). Обрабатывается и хранится информация в цифровом виде.

Общие сведения о микропроцессорных системах

В связи с множеством областей применения МП и микроЭВМ можно классифицировать МПС на системном уровне. Они могут быть представлены:

встроенными системами контроля и управления;
локальными системами накопления и обработки информации;
распределенными системами управления сложными объектами;
распределенными высокопроизводительными системами параллельных вычислений.

Исходя из вышесказанного, в наше время определились следующие приоритетные области, в которых применяются МПС:

техника связи;
системы управления;
бытовая и торговая аппаратура;
контрольно-измерительная аппаратура;
военная техника;
вычислительные машины, системы, комплексы и сети;
транспорт.

Процесс внедрения МПС в область контрольно-измерительной аппаратуры позволил значительно повысить точность измерений и надежность, а также расширил функциональные возможности приборов и обеспечил выполнение следующих функций: калибровки, коррекции и температурной компенсации, контроля и управления измерительным комплексом, принятия решений и обработки данных, диагностики неисправностей, индикации, испытания и проверки приборов.

Готовые работы на аналогичную тему

Внедрение МПС в системах связи обусловило все большее вытеснение цифровыми методами аналоговых, что привело к их широкому использованию в преобразователях кодов, мультиплексорах, устройствах контроля ошибок, блоках управления приемной и передающей аппаратуры.

Все более широко стали использоваться МПС в таких устройствах, как терминалы и кассовые аппараты банков, контрольно-расчетные терминалы торговых центров и т.п. Использование МП и МПС в бытовой технике позволяет открыть ее широкие возможности в области эффективности, повышения надежности и разнообразного применения.

Применение МПС в разных областях военной техники растет ежегодно - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Основные типы микропроцессорных систем

Различают следующие основные типы МПС:

микроконтроллеры представляют собой наиболее простой тип, в котором все или большинство узлов системы представлены в виде одной микросхемы;
контроллеры являются управляющими МПС, выполненными в виде отдельных модулей;
микрокомпьютеры — более мощные МПС, имеющие развитые средства сопряжения с внешними устройствами;
компьютеры любого типа представляют собой самые мощные и наиболее универсальные МПС.

Четкую границу между названными типами иногда провести достаточно сложно, поскольку быстродействие всех типов МП постоянно растет, и бывает, что новый микроконтроллер может оказаться быстрее, к примеру, устаревшего компьютера. Но принципиальные отличия между ними все же существуют.

Микроконтроллеры являются универсальными устройствами, практически всегда использующимися в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера находится внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства, построенные на микроконтроллерах, как правило, используются для выполнения одной задачи.

Контроллеры обычно создают для решения отдельной задачи или группы близких задач. Они не имеют возможности подключения дополнительных узлов и устройств (большой памяти, средств ввода/вывода). Их системная шина, как правило, недоступна для пользователя. По структуре контроллер прост и оптимизирован под максимальное быстродействие. В основном выполняемые им программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в виде одной платы.

Микрокомпьютеры отличает от контроллеров более открытая структура, поскольку в них допускается подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Выпускаются микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, которые доступны для пользователя. Микрокомпьютеры имеют средства хранения информации на магнитных носителях (магнитные диски) и развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатуру). Микрокомпьютеры предназначены для решения более широкого круга задач, чем контроллеры, однако к каждой новой задаче их нужно приспосабливать заново. Программы, выполняемые микрокомпьютером, можно легко заменять.

Компьютеры, в том числе и персональные, представляют собой самые универсальные из МПС. В них предусмотрена возможность усовершенствования, а также широкие возможности подключения новых устройств. Системная шина компьютеров является доступной для пользователя. Помимо этого внешние устройства (ВУ) имеют возможность подключения к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов может доходить до 10). Компьютер обладает высоко развитыми средствами связи с пользователем, средствами длительного хранения информации большого объема, средствами связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров самые разнообразные: от математических расчетов и обслуживания доступа к БД до управления работой сложных электронных систем, компьютерных игр и т.д.

Рисунок 1. Логическая схема МПС

где Д – датчики, ОУ – объект управления, ИМ – исполнительные механизмы, БСД – блок сопряжения с датчиками, ИК – информационные контроллеры, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная память В зависимости от области применения МПС бывают специализированные и универсальные, встроенные и автономные.

Архитектура Фон-Неймана

В соответствии с организацией процессов выборки и исполнения команды в современных МПС применяют одну из двух архитектур: фон-неймановскую (принстонскую) или гарвардскую.

Основная особенность архитектуры Фон-Неймана заключается в использовании общей памяти для хранения программ и данных.

Рисунок 2. Структура МПС архитектуры Фон-Неймана

Основным преимуществом данной архитектуры является упрощение устройства МПС, поскольку реализовано обращение только к одной общей памяти. Помимо этого использование единой области памяти позволило оперативно перераспределить ресурсы между областями программ и данных, что существенно повысило гибкость МПС со стороны программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчило доступ к его содержимому. Поэтому данный тип архитектуры стал основным для универсальных компьютеров, в том числе и персональных.

Гарвардская архитектура

Основная особенность гарвардской архитектуры заключается в использовании раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как изображено на рис. 3.

Рисунок 3. Структура МПС с гарвардской архитектурой

Гарвардской архитектурой обеспечивается потенциально более высокая скорость выполнения программ в сравнении с фон-неймановской за счет возможности реализовывать параллельные операции. Процесс выборки следующей команды может проходить параллельно выполнению предыдущей. Данный метод реализации операций дает возможность обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Читайте также: