Основы цифровой электроники микропроцессорные устройства реферат

Обновлено: 04.07.2024

Цель лекции: Ознакомление с базовыми элементами цифровой электроники (логическими элементами, триггерами, регистрами, счетчиками), арифметико-логическими устройствами, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, а также микропроцессорами.

11.1 Логические элементы

На предприятиях в целях поддержания режимов работы технологического процесса в зависимости от конкретных условий необходимо своевременно подключать или отключать оборудование. Если наличие или отсутствие каждого условия отождествить с напряжением электрического сигнала различного уровня, то принятие решения можно осуществить с помощью цифровых устройств на основе логических элементов. Такие устройства реализуют логическое преобразование совокупности сигналов об условиях работы в совокупность сигналов управления технологическим процессом.

Логический элемент – электрическая схема, выполняющая логическую операцию над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах, отождествляемые с логическим нулем и единицей. Работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от совокупности логических значений входных сигналов – таблицей истинности.

К числу логических операций, выполняемых элементами относятся: конъюнкция (логическое умножение, И), дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), отрицание (НЕ) и сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Рассмотрим основные типы логических элементов.

Элемент И. Логический элемент И выполняет операцию логического умножения над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рисунке 11.1 представлено графическое обозначение логического элемента И с двумя входами. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (2И, 3И, 8И).

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

Цифровые устройства и микропроцессоры — это управляемое программно-электронное цифровое оборудование, которое предназначено для обработки информации в цифровом формате и управления этой обработкой.

Введение

Все технические устройства можно разделить на две группы, а именно аналоговые устройства и цифровые. Каждая группа обладает своими достоинствами и недостатками. Устройства, выполненные на аналоговых элементах, обладают очень хорошим быстродействием, потребляют не очень много энергии, у них низкая стабильность параметров. Устройства на цифровой основе имеют отличную стабильность своих характеристик, что и предопределило их явное преимущество. Развитие цифровых технологий, к тому же, привело к значительному сокращению потребляемой энергии цифровыми устройствами, и они по этому параметру сравнялись, а кое-где и обогнали аналоговые приборы.

Микропроцессоры в цифровых устройствах

На рисунке один приведена схема классификации электронных устройств на основе микропроцессоров.

Рисунок 1. Классификация микропроцессоров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

С развитием цифровых технологий очень сильно увеличилось быстродействие цифровых микросхем. Лучшие экземпляры могут выполнять переключение за время примерно четыре наносекунды. Такой уровень быстродействия имею программируемые логические микросхемы, в которые уже заложен алгоритм решения поставленной задачи.

Но следует заметить, что увеличение быстродействия имеет и отрицательные стороны:

У быстродействующих микросхем возрастает энергопотребление.
Для реализации больших алгоритмов необходимо задействовать большое количество микросхем, что увеличивает габариты и стоимость.

Готовые работы на аналогичную тему

Первая проблема может быть решена использованием КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологии в цифровых микросхемах. Ток потребления у них находится в прямой зависимости от быстродействия вентилей логики.

Вторая проблема имеет несколько решений, в частности это проектирование больших интегральных схем (БИС) со специализированным назначением. Вторым направлением считается использование программируемых логических схем. И, наконец, третий вариант заключается в методе, когда имеется один быстродействующий модуль, предназначение которого заключается в поочерёдном решении всех разнообразных задач путём изменения своей организации с течением времени. То есть имеется ввиду, микропроцессор. Говоря иносказательно, в микропроцессоре можно обменять предельное быстродействие на усложнение проектируемого модуля. Это и является главной причиной стремления конструкторов предельно увеличить допустимую максимальную скорость работы микропроцессоров, что даёт возможность выполнять усложнённое оборудование при неизменном объёме. Кроме того, один процессор позволяет осуществить реализацию целого набора устройств единовременно.

В сегодняшней действительности практически невозможно найти техническую сферу, где бы не использовались микропроцессоры. Их используют для математических вычислений, для управления оборудованием, для обработки звуковых и видео файлов. Сфера использования микропроцессора определяет и комплекс требований к его параметрам. Это отражается и на внутренней структуре микропроцессора. Сегодня можно выделить следующие основные тенденции в развитии микропроцессоров:

Микропроцессоры универсального назначения.
Специализированные микроконтроллеры.
Микропроцессоры сигнального назначения.

Областью использования универсальных микропроцессоров является реализация вычислительных устройств. Здесь применяются наиболее передовые достижения по уровню быстродействия, при этом габаритные размеры, цена и энергопотребление отходят на второй план и учитываются в последнюю очередь. В устройствах, предназначенных для обеспечения связи, компьютеры применяются, чтобы управлять такими системами, имеющими значительные размеры и себестоимость. Эти компьютеры принято именовать контроллерами.

Микроконтроллеры применяются в системах управления мелкими и недорогими модулями связи, которые в своё время имели название однокристальные микро-ЭВМ. Для микроконтроллеров главной проблемой является именно уменьшение размеров, снижение цены и энергопотребления, что отличает их от универсальных микропроцессоров.

Сигнальные процессоры применяются в тех областях, где всегда применялось аналоговое оборудование. К сигнальному типу процессоров предъявляются особый набор требований. Они должны иметь предельно большую скорость работы, небольшие размеры, простую стыковку с модулями цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей, многоразрядное представление данных и не очень много операций математики, но с обязательным наличием возможности умножения и организации циклов на аппаратном уровне.

Внутренняя структура микропроцессора

Главным модулем операционного микропроцессорного блока считается арифметико-логическое устройство. У него имеется пара входов и один выходной информационный сигнал. Структурная организация операционного блока микропроцессора с тремя шинами показана на рисунке два.

Рисунок 2. Структурная организация операционного блока микропроцессора с тремя шинами. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Из рисунка два видно, что данные информационного источника и итог осуществления операции должны храниться в модуле сверхоперативного запоминающего устройства, представляющего собой несколько регистров с обеспечением возможности параллельной выборки данных из двух регистров и записи данных в следующий регистр. Поскольку для трансляции информации необходимы три канала (шины), то эта структурная организация операционного микропроцессорного блока получила название трёх шинная.

Следует отметить, что поскольку в данном вычислительном цифровом устройстве имеются регистры, то значит, чтобы запомнить итоги деятельности арифметико-логического устройства на входы, предназначенные для синхронизации работы данных регистров, нужно подать синхронизирующий сигнал CLK.

Читайте также: