Как микропроцессор работает: Как это работает: микропроцессор

Как работает микропроцессор | Техника и Программы

Для того чтобы понять, как работает микропроцессор, зададим себе во­прос — а как он должен работать? Есть теория (в основном созданная пост­фактум: после того, как первые ЭВМ были уже построены и функционирова­ли), которая указывает, как именно строить алгоритмы, и что процессор в соответствии с этим должен делать. Мы, естественно, углубляться в это не будем, просто констатируем, что любой алгоритм есть последовательность неких действий, записанных в виде набора последовательно выполняемых команд (инструкций, операторов). При этом среди таких команд могут встре­чаться команды перехода, которые в некоторых случаях нарушают исходную последовательность выполнения операторов строго друг за другом. Среди прочих должны быть также команды ввода и вывода данных (программа должна как-то общаться с внешним миром?), а также команды выполнения арифметических и логических операций.

Команды должны где-то храниться, поэтому неотъемлемой частью всей сис­темы должно быть устройство памяти программ. Где-то надо складывать и данные, как исходные, так и результаты работы программы, поэтому должно быть устройство памяти данных. Так как команды и данные, в конечном сче­те, все равно есть числа, то память может быть общая, только надо уметь от­личать, где именно у нас команды, а где — данные. Это есть один из прин­ципов фон Неймана, хотя и в микроконтроллерах, о которых мы будем говорить в дальнейшем, традиционно используют не фон-неймановскую, а так называемую гарвардскую архитектуру, когда память данных и программ разделены (это разделение, впрочем, может в определенных пределах нару­шаться). Процессор, построенный по фон Нейману, более универсален, на­пример, он позволяет без особых проблем наращивать память, строить ее ие­рархически и более эффективно ее перераспределять прямо по ходу работы. Например, в системе Windows всегда предполагается, что компьютер имеет практически неограниченный объем памяти (измеряемый в терабайтах), а если ее реально не хватает, к делу подключается своп-файл на жестком дис­ке. В то же время микроконтроллерам подобная гибкость не особенно требу­ется — на их основе, как правило, строятся узлы, выполняющие конкретную задачу и работающие по конкретной программе, так что нужную конфигура­цию системы ничего не стоит предусмотреть заранее.

МП и МК

Кстати, а почему мы все время говорим то микропроцессоры (МП), то микро­контроллеры (МК)? Микроконтроллер отличается от микропроцессора тем, что он предназначен для управления другими устройствами, и поэтому имеет встроенную развитую систему ввода-вывода, но, как правило, относительно более слабое АЛУ. Микроконтроллерам очень хорошо подходит термин, кото­рый в советское время имел, правда, несколько иное значение— «микро-ЭВМ», еще точнее звучит английское «computer-on-chip», однокристальный компьютер. В самом деле, для построения простейшего вычислительного уст­ройства, которое могло бы выполнять что-то полезное, обычный микропроцес­сор, от i4004 до Pentium и Core Duo, приходится дополнять памятью, ПЗУ с за­писанной BIOS, устройствами ввода-вывода, контроллером прерываний, тактовым генератором с таймерами и т. п. — всем тем, что сейчас стало объе­диняться в т. н. «чипсеты». «Голый» МП способен только одно: правильно включиться, ему даже программу загрузки неоткуда взять.

В то же время для МК микропроцессор — это только ядро, даже не самая большая часть кристалла. Для построения законченной системы на типовом МК не требуется вообще ничего, кроме источника питания и периферийных исполняющих устройств, которые позволяли бы человеку определить, что сис­тема работает. Обычный МК может без дополнительных компонентов общать­ся с другими МК, внешней памятью, специальными микросхемами (вроде ча­сов реального времени или флэш-памяти), управлять небольшими (а иногда — и большими) матричными панелями, к нему можно напрямую подключать дат­чики физических величин (в том числе — чисто аналоговые, АЦП тоже часто входят в МК), кнопки, клавиатуры, светодиоды и индикаторы, короче— в микроконтроллерах сделано все, чтобы приходилось как можно меньше паять и задумываться над подбором элементов. За это приходится расплачиваться пониженным быстродействием (которое, впрочем, не так-то уж и важно в ти­повых задачах для МК) и некоторым ограничением в отдельных функциях — по сравнению с универсальными, но в сотни раз более дорогими и фомоздки-ми системами на «настоящих» МП. Вы можете мне не поверить, но процессо­ры для персональных компьютеров (ПК), о которых мы столько слышим, за­нимают в общем количестве выпускаемых процессоров лишь 5—6% — остальные составляют микроконтроллеры различного назначения.

В соответствии со сказанным основной цикл работы процессора должен быть таким: выборка очередной команды (из памяти), если необходимо — выбор­ка исходных данных для нее, выполнение команды, размещение результатов в памяти (опять же если это необходимо). Вся работа в этом цикле должна происходить автоматически па командам некоторого устройства управления, содержащего тактовый генератор — системные часы, по которым все син­хронизируется. Кроме того, где-то это все должно происходить — складиро­вание данных, кода команды, выполнение действий и т. п., так что процессор должен содержать некий набор рабочих регистров (по сути — небольшую по объему сверхбыструю память), определенным образом связанных как между собой, так и с устройством управления и АЛУ, которое неизбежно должно присутствовать.

Решающую роль в работе процессора играет счетчик команд. Он автоматиче­ски устанавливается на нуль в начале работы, что соответствует первой ко­манде, и автоматически же инкрементируется (то есть увеличивается на еди­ницу) с каждой выполненной командой. Если по ходу дела порядок команд нарушается, например, встречается команда перехода (ветвления), то в счет­чик загружается соответствующий адрес команды — ее номер от начала про­граммы. Если это не просто ветвление, а выполнение подпрограммы, которое предполагает в дальнейшем возврат к основной последовательности команд (к следующей команде после вызова подпрограммы), то перед переходом к выполнению подпрограммы текущее значение счётчика команд сохраняется в специально отведенной для этой цели области памяти — стеке. По команде окончания подпрограммы сохраненный адрес извлекается из стека, и выпол­нение основной программы продолжается. К счастью, нам самим не придется иметь дело со счетчиком команд, потому что все указания на этот счет со­держатся в командах, и процессор все делает автоматически.

Рис. 18.2. Блок-схема простейшего микроконтроллера

Блок-схема простейшего МК, содержащего процессорное ядро и минимум компонентов для «общения» с внешней средой, показана на рис. 18.2. Здесь мы включили в состав системы память программ, которая у ПК-процессоров находится всегда отдельно (если не считать относительно небольшого объе­ма быстродействующей кэш-памяти) — сами знаете, какой объем программ бывает в персональных компьютерах. В большинстве современных микро­контроллеров постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для программ входит в состав чипа и обычно составляет от V—2 до 8—32 кбайт. Хотя есть модели и с 256 килобайтами встроенной памяти, но 2—8 кбайт для подав­ляющего большинства применений вполне достаточно. Встроенное опера­тивное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения данных в том или ином объеме также имеется во всех современных микроконтроллерах, ти­пичный размер такого ОЗУ — от 128—256 байт до 1—4 кбайт. В большинст­ве универсальных контроллеров есть и некоторое количество встроенной энергонезависимой памяти для хранения констант— обычно столько же, сколько и ОЗУ данных. Но к памяти мы еще вернемся в этой главе, а пока продолжим про процессоры.

Подробности

в первых моделях микропроцессоров (включая и интеловские процессоры для ПК — от 8086 до 80386) процессор выполнял команды строго последователь­но: загрузить команду, определить, что ей нужны операнды, загрузить эти опе­ранды (по адресу регистров, которые их должны содержать; адреса эти, как правило, хранятся сразу после собственно кода команды или определены за­ранее), потом проделать нужные действия, складировать результаты… До на­шего времени дошла архитектура суперпопулярных еще недавно микрокон­троллеров 8051, выпускающихся и по сей день различными фирмами (Atnnel, Philips), которые выполняли одну команду аж за 12 тактов (в некоторых совре­менных аналогах, впрочем, это число меньше). Для ускорения работы стали делить такты на части (например, срабатывать по переднему и заднему фрон­там), но действительный прорыв произошел с внедрением конвейера. Со вре­мен Генри Форда известно, что производительность конвейера зависит только от времени выполнения самой длинной операции — если поделить команды на этапы и выполнять их одновременно разными аппаратными узлами, то можно добиться существенного ускорения (хотя и не во всех случаях). В рас­сматриваемых далее микроконтроллерах Atmel AVR конвейер двухступенча­тый: когда очередная команда загружается и декодируется, предыдущая уже выполняется и пишет результаты. В AVR это позволило выполнять большин­ство команд за один такт (кроме команд ветвления программы).

Главное устройство в МП, которое связывает все узлы в единую систему — внутренняя шина данных. По ней все устройства обмениваются сигналами. Например, если МП требуется обратиться к внешней, дополнительной памя­ти, то при исполнении соответствующей команды на шину данных выставля­ется нужный адрес, от устройства управления поступает через нее же запрос на обращение к нужным портам ввода/вывода. Если порты готовы, адрес по­ступает на выходы портов (то есть на соответствующие выводы контролле­ра), затем по готовности принимающий порт выставляет на шину принятые из внешней памяти данные, которые загружаются в нужный регистр, после чего шина данных свободна. Для того чтобы все устройства не мешали друг другу, все это строго синхронизировано, при этом каждое устройство имеет, во-первых, собственный адрес, во-вторых, может находиться в трех состоя­ниях — работать на ввод, на вывод или находиться в третьем состоянии, не мешая другим работать.

Под разрядностью МП обычно понимают разрядность чисел, с которыми ра­ботает АЛУ, соответственно, такую же разрядность имеют и рабочие регист­ры. Например, все ПК-процессоры от 1386 до последних инкарнаций Pentkim были 32-разрядными, некоторые последние модели от Intel и AMD стали 64-разрядными. Большинство микроконтроллеров общего назначения— 8-раз­рядные, но есть и 16-, и 32-разрядные. При этом внутренняя шина данных может иметь и больше разрядов — например, чтобы одновременно переда­вать и адреса и данные.

Распределение рынка МК в первые годы тысячелетия было таким: немного меньше половины выпускаемых изделий составляют 8-разрядные кристаллы, а вторую половину поделили между собой 16- и 32-разрядные, причем доля последних неуклонно растет за счет 16-разрядных. Выпускаются даже 4-разрядные, потомки первого 14004, которые занимают не более 10% рынка, но, что любопытно, эта доля снижается очень медленно.

Заметки на полях

Обычно тактовая частота универсальных МК невелика (хотя инженеру 1980-х, когда ПК работали* на частотах не выше 6 МГц, она показалась бы огром­ной) — порядка 8—16 МГц, иногда до 20 МГц или несколько более. И это всех устраивает — дело в том, что обычные МК и не предназначены для разработ­ки быстродействующих схем. Если требуется быстродействие, то использует­ся другой класс интегральных схем — ПЛИС, «профаммируемые логические интефальные схемы». Простейшая ПЛИС представляет собой набор никак не связанных ме>кду собой логических элементов (наиболее сложные из них мо­гут включать в себя и некоторые законченные узлы, вроде триггеров и генера­торов), которые в процессе программирования такого чипа соединяются в нуж1|1ую схему. Комбинационная логика работает гораздо быстрее тактируемых контроллеров, и для построения различных логических схем в настоящее вре­мя применяют только ПЛИС, от использования дискретных элементов («рас-сыпухи») в массовых масштабах уже давно отказались. Еще одно преимуще­ство ПЛИС— статическое потребление энергии для некоторых серий составляет единицы микроватт, в отличие от МК, которые во включенном со­стоянии потребляют достаточно много (если не находятся в режиме энерго­сбережения). В совокупности с более универсальными и значительно более простыми в обращении, но менее быстрыми и экономичными микроконтролле­рами, ПЛИС составляют основу большин9твд массовых электронных изделий, которые вы видите на прилавках. В этой книге мы, конечно, рассматривать ПЛИС не будем — в любительской практике, в основном из-за дороговизны соответствующего инструментария и высо1кого порога его освоения, они не ис­пользуются, и для конструирования oди^|oчныx экземпляров приборов даже для профессиональных применений их ис111ользовать нецелесообразно.

Если подробности внутреннего функционирования МП нас волнуют не очень (центральный узел — АЛУ мы уже «изобретали» в главе 15, и этого доста­точно, чтобы понимать, что именно происходит внутри процессорного ядра), то обмен с внешней средой нас как раз интересует во всех деталях. Для этого служат порты ввода/вывода (I/0-port, от input/output). В этом термине имеет­ся некоторая неопределенность, так как те, кто программировал для ПК на ассемблере, помнят, что в ПК портами ввода/вывода (ПВВ) назывались реги­стры для управления всеми устройствами, кроме непосредственно процес­сорного ядра. В микроконтроллерах то же самое называют «регистрами вво­да/вывода» (РВВ) — это регистры для доступа ко встроенным компонентам контроллера, внешним по отношению к вычислительному ядру. А это все узлы, которыми непосредственно управляет пользователь — от таймеров и последовательных портов до регистра флагов и управления прерываниями. Кроме ОЗУ, доступ к которому обеспечивается специальными командами, все остальное в контроллере управляется через РВВ, и путать с портами вво­да-вывода их не следует.

ПВВ в МК служат для обмена с «окружающей средой» (управляются они, естественно, тоже внутренними регистрами ввода-вывода). На схеме рис. 18.2 показано 3 ПВВ — А, В и С; в реальных МК их может быть и боль­ше, и меньше. Еще важнее число выводов этих портов, которое чаще всего совпадает с разрядностью процессора (но не всегда, как это было у 8086, ко­торый имел внутреннюю 16-разрядную структуру, а внешне выглядел 8-разрядным). Если мы заставим 8-разрядные порты «общаться», например, с внешней памятью, то на двух из них можно выставить 16-разрядный адрес, а на оставшемся — принимать данные. А как быть, если портов два или вооб­ще один? (К примеру, в микроконтроллере АТхххх2313 портов формально два, но один усеченный, так что общее число линий составляет 15). Для того чтобы даже в такой ситуации это было возможно, все внешние порты в МП всегда двунаправленные. Скажем, если портов два, то можно сначала выста­вить адрес, а затем переключить порты на вход и принимать данные. Естест­венно, для этого порты должны позволять работу на общую шину — то есть либо иметь третье состояние, либо выход с общим коллектором для объеди­нения в «монтажное ИЛИ».

Варианты для обоих случаев организации выходной линии порта показаны на рис. 18.3, где приведены упрощенные схемы выходных линий микрокон­троллеров семейства 8048 — когда-то широко использовавшегося предшест­венника популярного МК 80S1 (например, 8048 был выбран в качестве кон­троллера клавиатуры в IBM PC). В современных МК построение портов несколько сложнее (в частности, вместо резистора там полевой транзистор), но для уяснения принципов работы это несущественно.

По первому варианту (рис. 18.3, а) в МК 8048 построены порты 1 и 2. Когда в порт производится запись, то логический уровень поступает с прямого выхо­да защелки на статическом D-триггере на вход схемы «И», а с инверсного — на затвор транзистора VT2. Если этот уровень равен логическому нулю, то транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт, на выходе также логический ноль. Ес­ли уровень равен логической единице, то на время действия импульса «За­пись» транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 запирается (они одина­ковой полярности). Если на выходе присутствует емкость (а она всегда имеется в виде распределенной емкости проводников и емкости входов дру­гих компонентов), то через открытый VT1 протекает достаточно большой ток заряда этой емкости, позволяющий сформировать хороший фронт перехода из О в 1. Как только импульс «Запись» заканчивается, оба транзистора от­ключаются, и логическая единица на выходе поддерживается резистором R1. Выходное сопротивление открытого транзистора VT1 примерно 5 кОм, а ре­зистора — 50 кОм. Любое другое устройство, подключенное к этой шине, при работе на выход может лишь либо поддержать логическую единицу, включив свой подобный резистор параллельно R1, либо занять линию своим логическим нулем — это, как видите, и есть схема «монтажное ИЛИ». При работе на вход состояние линии просто считывается во время действия им­пульса «Запись» со входного буфера (элемент «В» на рис. 18.3, а).

Второй вариант (рис. 18.3, б), по которому устроен порт О, есть обычный вы­ходной каскад КМОП с третьим состоянием, то есть такой порт может рабо­тать на выход, только полностью занимай линию, остальные подключенные к линии устройства при этом должны смиренно внимать монополисту, воспри­нимая сигналы. Это обычно не создает особых трудностей и схемотехниче­ски даже предпочтительно ввиду симметрии выходных сигналов и высокого сопротивления для входных. Единственная сложность возникает при сопря­жении такого порта с линией, работающей по первому варианту, так как при логической единице на выходе могут возникнуть электрические конфликты, если кто-то попытается выдать в линию логический ноль (ток от источника пойдет через два распахнутых транзистора).

Рис. 18.3. Упрощенные схемы портов ввода/вывода МК 8048: а — портов 1 и 2; б — порта О

Для обеспечения работы трехстабильного порта по схеме «монтажное ИЛИ» применяют хитрый прием: всю линию «подтягивают» к напряжению питания с помощью внешнего резистора (во многих МК существует встроенный от­ключаемый резистор, установленный аналогично R1 в схеме рис. 18.3, а), и нормальное состояние всех участвующих трехстабильных портов — работа на вход в третьем состоянии. В этом режиме на линии всегда будет логиче­ская единица. На выход же линию переключают только, когда надо выдать логический ноль. В этом случае, даже при одновременной активности не­скольких портов, конфликтов не возникнет.

Принцип работы микропроцессора. — КиберПедия

В состав МП (рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке (2) приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменятся от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.

Регистр – аккумулятор («накопитель»), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяется разрядностью регистра.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.

Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды.

Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.

Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата, перевыполнения и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.

Рассмотрим более подробно основные части микропроцессора (рис. 2).

Внутренняя шина данных соединяет собой основные части МП.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схеме используется три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности слов, которыми оперирует МП. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядов указаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).

Шина данных МП работает в режиме двунаправленной передачи, т. е. по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно. В этом случае требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП и внешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple – многократный, множественный), иногда называемый многоточечным, — режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.

Мультиплексор – устройство, которое выбирает данные от одного, двух (или более) входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход. Схема мультиплексора состоит из двухвходовых логических элементов И – ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Промышленностью выпускаются мультиплексоры, которые могут входить в состав , а также в виде отдельных БИС (например, восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.).

Демультиплексор – устройство, выполняющее противоположную мультиплексору функцию, — подает данные, подводимые к его входу, на один (или более) выходной информационный канал.

Мультиплексоры и демультиплексоры позволяют компоновать из микропроцессорных элементов микроЭВМ для любой длины машинного слова. Предположим, что задача обработки данных заключается в сложении двух операндов, каждый из которых представляет собой восьмиразрядное двоичное число – байт.

Восьмиразрядное арифметически – логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции. На первый вход АЛУ поступает байт из восьмиразрядного аккумулятора, а на второй вход – из восьмиразрядного промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор. Такая организация удовлетворяет одноадресной организации микропроцессора. Для нее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе, адрес которого задан неявно. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда, содержащегося, например в одном из восьми регистров общего назначения (РОН). К АЛУ подключены регистр признаков, предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции (на рис. 2 не показана), позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.

В состав микропроцессора входят также указатель стек, счетчик команд, буферный регистр адреса, ОЗУ. Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту), остальные шесть РОН – регистры B, C, D, E, H и L – cлужат ячейками внутренней памяти, называемой сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ). В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ, результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарное расположение регистров B и C, D и E, H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, называемую обработкой “удвоенной точности”. Обмен данными с РОН (считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор, причем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров по сигналу УУ.

В левой части рис. 2 расположены регистр команд, дешифратор кода операции и УУ (хотя дешифратор относится к УУ, он нарисован отдельно для большей наглядности). Стековый регистр адреса на рисунке отсутствует, так как стек представляет собой определенную зону ОЗУ.

Обмен информацией между регистрами и другими блоками микропроцессора производится через внутреннюю шину данных, причем передачи команд и данных разделены во времени. Связь с внешней шиной данных осуществляется через буферный регистр данных.

Микропроцессор – это программно-управляемое устройство. Процедура выполняемой им обработки данных определяется программой, т. е. совокупностью команд. Команда делится на две части: код операции и адрес. В коде операции заключена информация о том, какая операция должна быть выполнена над данными, подлежащими обработке. Адрес указывает место, где расположены эти данные (в регистрах общего назначения микропроцессора, т. е. во внутренней или внешней памяти). Слово данных, подвергаемое обработке, представляет один байт. Команда может состоять из одного, двух или трех байтов, последовательно расположенных в памяти.

Первый байт команды содержит код операции. Считанный в начале интервала выполнения команды, называемого циклом команды, ее первый байт поступает по внутренней шине данных в регистр команд, где хранится в течение всего цикла. Дешифратор кода операции дешифрует содержимое регистра команд – определяет характер операции и адреса операндов. Эта информация подается в УУ, которое вырабатывает управляющие сигналы, направляемые в блоки микропроцессора, участвующие в выполнении данной команды.

В том случае, когда код операции непосредственно указывает адрес данных – объекта обработки, операция начинается сразу после считывания первого байта команды. Если же в команде содержится более одного байта, то остальные байты, несущие информацию об адресе ячейки памяти, где хранятся данные, передаются либо в буферный регистр адреса, либо в один из РОН только после завершения всей процедуры считывания команды или, иначе говоря, после получения полной информации о местонахождении операндов и о том, какая операция должна выполнятся, начинается операция.

Рассмотрим пример выполнения операции сложения двух операндов. Первый операнд хранится в аккумуляторе, второй в одном из РОН (его адрес указан в команде), откуда он передается в промежуточный регистр. Согласно коду операции АЛУ суммирует поступающие на его вход байты и выдает результат, который фиксируется в аккумуляторе. Этот результат можно использовать при дальнейших этапах обработки.

Наряду с многокристальными и однокристальными МП используются секционированные или разрядно-модульные МП. Основной их отличительной особенностью является то, что каждый модуль предназначен для обработки нескольких разрядов машинного слова, а слово в целом обрабатывается группой модулей или секций, соединенных между собой.

Архитектура микропроцессора (Architecture) – принцип его внутренней организации, общая структура, конкретная логическая структура отдельных устройств.

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 микропроцессора — 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.

1. В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

· Микропроцессоры с CISC архитектурой.

CISC (Complex Instruction Set Computer) — Компьютер со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпораций Intel (Integrated Electronics) и AMD (Advanced Micro Devices) относятся к категории CISC.

· Микропроцессоры с RISC архитектурой.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) — Компьютер с сокращенной системой команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждая инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие.

Пример микропроцессора с RISC-аpхитектуpой — Power PC. Микропроцессор Power PC начал разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM, Motorola, Apple.

· Микропроцессоры с MISC архитектурой.

MISC (Minimum Instruction Set Computer) — Компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, таким образом, программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.

2. Разрядность–максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit), но совсем скоро произойдет переход на более совершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактически переход уже начался, этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессор примечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.

Разрядность микропроцессора 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, микропроцессор i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20)

3. Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти, который может обслужить микропроцессор.

32-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х10⁹ байт) памяти, а 64-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х10¹² байт) памяти.

4. Набор дополнительных инструкций (Instruction Set) — применяются в современных CISC-микропроцессорах и способны значительно ускорить их работу. Естественно только при условии поддержки данных наборов со стороны приложения. Все традиционные современные процессоры поддерживают набор инструкций MMX, который был самым первым (разработан корпорацией Intel еще в 1997 году). MMX расшифровывается как MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Он представил дополнительные возможности, ориентированные на обработку цифрового изображения и звука. В основе технологии лежит концепция (микроархитектура) SIMD (Single Instruction Many Data – «одна команда, много данных»), когда при помощи одной инструкции одновременно обрабатывается несколько элементов данных. SSE, SSE2, 3DNow! — дальнейшее развитие этой идеи. Микропроцессоры Intel Pentium 3 поддерживают SSE, а Pentium 4 и AMD Athlon 64 еще и SSE2 (это относится и к соответствующим микропроцессорам Intel Celeron). Процессоры AMD Athlon и Duron поддерживают наборы инструкций 3DNow!Professional и MMX, в Athlon XP была добавлена поддержка SSE (на уровне микрокода ядра).

Технологический процесс производства (Process Technology) – техпроцесс определяет размеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме. Измеряется в микрометрах (0,35 μm; 0,25 μm;…). Чем меньше число, тем меньше сам кристалл, следовательно, меньше потребляемая мощность и тепловыделение. А ведь тепловыделение сильно препятствует увеличению частоты, на которой работает микропроцессор. Где-то в 1997 году произошел переход с 0,25 μm на 0,18 μm технологию производства. А уже в 2001 году произошел переход на 0,13 μm технологию, что позволило намного увеличить частоту. Вот-вот произойдет переход на 0,09 μm.

Производительность микропроцессора определяется параметрами:

1. Тактовая частота (Частота ядра) (Internal clock) – это количество электрических импульсов в секунду. Каждый импульс несет в себе некую информацию — это могут быть команды процессору или данные памяти. Тактовая частота задается кварцевым генератором — одним из блоков, расположенных на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностью и лежит в мега или гигагерцовом диапазоне. Один герц — один импульс, один мегагерц — один миллион импульсов, один гигагерц — тысяча мегагерц. Микропроцессор, работающий на тактовой частоте 800 МГц, выполняет 800 миллионов рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактовая частота ядра, тем выше скорость обработки данных. Современные микропроцессоры работают на частотах от 300 МГц до 4,7 ГГц.

2. Частота системной шины (System clock или Front Side Bus) – системная шина служит для связи микропроцессора с остальными устройствами. Микропроцессор имеет две частоты: тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем выше частота системной шины, тем выше скорость передачи данных между микропроцессором и остальными устройствами. Частота системной шины современных микропроцессоров от 66 МГц до 266МГц.

3. Объем Кэш-памяти (Cache) – Кэш-память быстрая память малой емкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения к памяти. Кеш – промежуточное звено между микропроцессором и опретивной памятью. Различают несколько уровней кэша: кэш первого уровня (L1) — кэш команд (инструкций) которые предстоит исполнить, кэш первого уровня размещается на одном кристалле с процессором. Кэш второго уровня (L2) — кэш данных — используется для ускорения операций с данными (в первую очередь чтения). На общую производительность влияет размер кэша L2. Чем больше L2, тем дороже процессор, т.к. память для кэша еще очень дорога. Поэтому эффективнее увеличивать частоту кэша, а для этого он должен находиться как можно ближе к ядру процессора. Кэш-память может работать на частоте 1/4, 1/3, 1/2, 1/1 от частоты ядра. Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8 Кб до 5Мб.

Предельно эксплуатационные параметры микропроцессоров:

1. Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения микропроцессоров зависит от технологического процесса и от частоты ядра. Чем меньше кристалл и ниже частота, тем меньше напряжение питания. Напряжение питания современных микропроцессоров от 0,5 В до 3,5 В, чаще всего от 1,2 В до 1,75 В.

2. Ток ядра – у современных микропроцессоров ток, протекающий через ядро от 1 А до 90 А.

3. Потребляемая мощность – зависит от величины питающего напряжения и от частоты ядра. Чем меньше напряжение питания и частота, тем меньше потребляемая мощность. Мощность современных микропроцессоров от 1Вт до 120 Вт. Чаще всего в пределах 40-70 Вт.

4. Максимальная температура нагрева кристалла – максимальная температура кристалла, при которой возможна стабильная работа микропроцессора. У современных микропроцессоров она колеблется в пределах от 60˚С до 95˚С.

Физические параметры микропроцессорв (Форм-фактор):

1. Тип, размеры корпуса

2. Размеры кристалла

3. Количество выводов

4. Форма расположения выводов

Как работает Микропроцессор? — Мои статьи — Каталог статей

  Прежде чем начать с создания собственного проекта на МК сначала поговорим о том как же работает любой процессор.
  Хотя этот вопрос рассматривался в курсе лекций по микропроцессорной технике в институте, мы попробуем освежить память по данному вопросу, так как очень важно представлять, что происходит внутри микросхемы микроконтроллера (МК) при ее программировании или ее работе.
  Для того чтобы понять, как работает микропроцессор (МП), зададим себе вопрос: а как он должен работать?
Любой алгоритм является последовательность действий, записанных в виде наборов последовательно выполняемых команд (инструкций, операторов). При этом среди таких команд могут встречаться переходы, которые в некоторых случаях нарушают исходную последовательность выполнения операторов строго друг за другом. Среди прочих команд должны быть команды ввода и вывода данных (программа же должна как-то общаться с внешним миром?), а также команды выполнения арифметических и логических операций.
  Эти команды необходимо где-то хранить, поэтому неотъемлемой частью всей системы должно быть устройство память программ (ПП). Где-то надо складывать и данные, как исходные, так и результаты работы программы, поэтому должно быть и устройство памяти данных (ПД). Так как команды и данные в конечном итоге это числа в двоичном коде, то память может быть общая, только нужно уметь отличать, где у нас данные, а где команды. Это и есть один из принципов фон Неймана, хотя в МК, которые мы будем рассматривать далее используется не фон-немоновская, а так называемую гарвородскую архитектуру, когда память программ и данных разделены. То есть на каждую память отдельна своя шина данных и отдельна своя шина адреса. Поэтому при засылки данного по адресу 0х00 памяти программ, мы никогда не пересечемся с ячейкой 0х00 памяти данных. И обращения к обоим видам памяти может происходить одновременно, не зависимо друг от друга. В этом и есть преимущество гарвардской архитектуры.
  Конечно же Вы знаете и понимаете отличие микроконтроллера от микропроцессора!
Напомним. Чем же отличается МП от МК? Что МК, что МП — это обязательно микросхема и внешене они могут не отличаться. Например так
Ну МК служит для управления различными устройствами, поэтому имеет в своем составе огромное количества периферийных устройств, в том числе и систему ввода-вывода. Но как правила у МК более слабое арифметико-логическое устройство (АЛУ). МК еще можно назвать микро ЭВМ, а еще точнее «computer-on-chip». Сам МП это не законченное устройство в отличии от МК. В состав МК входит свой МП. Другими словами МК это МП плюс периферийные устройства, которыми МП управляет (устройства ввода-вывода, стек, компаратор, АЦП, ЦАП, ШИМ, устройства прерывания, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, различные интерфейсы, модуляторы и тд).
  Перейдем непосредственно к принципу работы микропроцессорных устройств. В первом приближении любое микропроцессорное устройство работает следующим образом. После того как программист, написал программу, она должно попасть в МП. В пустую память программ записывают код программы (алгоритм работы, последовательность операций), при помощи устройства, которое называется программатор, речь о котором пойдет позже в соответствующих разделах. Эта последовательность операции вносится в память МП в двоичном коде. Обычно этот процесс называют «прошивка» микросхемы или прошивка процессора. После записи программы в память программ (ПП), МП сразу же начинает работу. Счетчик команд, после запуска, каждый такт тактового генератора, инвертирует свое состояние (0,1,2,3,4,….),то есть прибавляет 1. Таким образом, он как бы указывает процессору адрес следующей команды в памяти программ, которую нужно считать (Рисунок 1). Сначала считывает первую команду, затем вторую, третью, четвертую и тд. Когда программа закончится (по команде перехода), счетчик сброситься (возвращает свое значения в «0») и счет начнется заново, следовательно, программа тоже. Если процессор не встретит по пути считывания команды перехода на начало программы, то процессор продолжит считывания программы и после ее окончания. То есть продолжит считывания пустой памяти до последней ее ячейки и только потом перейдет на начала программы. Таким образом, операции в процессоре считываются и выполняются последовательно команда за командой. Сразу стоит заметить, что чем выше частота тактового генератора, тем быстрее буду считываться последовательно команды и выполняться эти команды.
  Детально принцип работы МП микроконтроллеров семейства AVR фирмы ATMEL мы увидим на примерах наших проектов. При этом не сложно пронаблюдать работу МК в целом в программном симуляторе AVR studio (о нем позже).

Рисунок 1 Принцип работы микропроцессора после первого машинного такта
1 – загрузка программного кода в память программ микропроцессора.
2 – после запуска МП, счетчик команд, указывая МП на очередную команду, последовательно пробегает по всем ячейкам памяти МП.
3- После чего процессор выполняет команду указанную счетчиком

  Не сложно догадаться, что по приходу следующего тактового импульса, счетчик укажет МП на следующий адрес ячейки памяти, а процессор считает следующую команду (рисунок 2).

Рисунок 2 Принцип работы микропроцессора после второго машинного такта

Структурная схема микропроцессора. :: Электроника для всех

26.08.2011 19:51

Понятие о микропроцессоре.

Управляющим блоком цифровых систем управления подвижными объектами является специализированный вычислитель, построенный на основе микропроцессорных интегральных схем.

Микропроцессор — функциональный блок микросхемотехники, выполненный, как правило, на одной СБИС и предназначенный для цифровой обработки информации и управления ходом этой обработки на основе кодов команд программы, считываемых из запоминающих устройств.

Номенклатура современных микропроцессорных средств отличается огромным разнообразием функциональных возможностей и сфер использования. Однако в этом разнообразии можно выделить несколько функциональных групп и некоторые общие принципы логического построения и функционирования.

Функциональная классификация микропроцессоров.

Общая функциональная классификация микропроцессорных средств показана на рис. 1

Рис. 1. Функциональная классификация микропроцессорных средств

Микропроцессоры с аппаратным принципом управления характеризуются фиксированной разрядностью шин адреса и данных и неизменяемой системой команд. Последняя характеристика подразумевает, что набор возможных элементарных действий процессора образует конечное фиксированное множество, причем каждому действию соответствует конкретный управляющий код — код команды. Указанное свойство определяется тем, что в состав процессора входит блокдешифрации команд, функционирующий по жесткой аппаратной логике.

Микропроцессорный комплект (МПК) — набор СБИС и БИС с общими конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения функционально полнофункциональной микропроцессорной системы (МПС) для задач вычислений или управления. В состав МПК входят собственно центральный процессор (ЦП), или микропроцессор, арифметический сопроцессор — средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП, а также контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры — средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти.Микросхемы ПЗУ и ОЗУ не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы.

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО, габаритным размерам и энергопотреблению. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы. Для таких устройств обычно реализуется архитектура Фон Неймана, и реже Гарвардская архитектура. Типовая структура универсального микропроцессора показана на рис.2.

Рис. 2. Типовая структура универсального микропроцессора.

Универсальные микропроцессоры не являются самодостаточными устройствами, и для построения вычислительной системы требуют подключения ряда дополнительных микросхем (память, контроллеры, порты). Поэтому обычно для конкретного универсального МП разработан т.н. микропроцессорный комплект, содержащий различные буферные элементы и контроллеры, функционально и электрически совместимые с данной моделью МП (chipset).

Однокристальный микроконтроллер (МК)представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле СБИС. Типичная архитектура МК включает в себя собственно процессор, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блоки памяти (ОЗУ и ПЗУ), порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний. Функциональные возможности этих блоков ниже, чем у соответствующих специализированных БИС из МПК. Основными достоинствами МК являются конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки режимов работы всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем. Сами однокристальные микроконтроллеры и вычислительно-управляющие системы на их основе реализованы в соответствии с Гарвардской архитектурой.

МК для задач логического управления — логические процессоры— имеют специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд логической обработки данных. В современных разработках широкое применение нашли МК серии К1816 (аналог Intel MCS-51), а также AVR — и PIC-контроллеры. Существуют также многочисленные расширения стандартного MCS-51 – с повышенным быстродействием, увеличенными объемами памяти и набором функций. Типовая структура МК для задач логического управления показана на рис. 3.

Рис. 1.3. Типовая структура микроконтроллера для логического управления.

Аналоговые процессоры для обработки сигналов –включают в себя, кроме типовых блоков МК, включают в себя многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов (например, ШИМ-импульсов). Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде.

Еще одна разновидность МК – конвейерные сигнальные процессоры, содержащие конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения-суммирования, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результат выполнения операции в одном блоке автоматически является входными данными для следующего блока. Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений. Примером подобных устройств являются микроконтроллеры Intel MCS-196/296. Пример структуры такого микропроцессорного устройства показан на рис. 4.

Рис. 4. Типовая структура процессора обработки сигналов (без АЦП и ЦАП)

Особенность микропроцессора данного типа состоит в том, что в его состав входит блок аппаратного умножения (MUL), который совместно с арифметико-логическим устройством (ALU) и сдвигающими регистрами (SHIFTER) образует блок для эффективной реализации вычислений по алгоритмам цифровой фильтрации данных.

МП с микропрограммным принципом управления конструктивно выполняют в виде секций БИС малой разрядности, имеющих средства для наращивания разрядности обрабатываемых данных. Для подобных МП в принципе отсутствует понятие системы команд. Действия процессора на тот или иной управляющий код (считанный из памяти код команды) определяются программистом путем настройки специального блока или БИС — блока микропрограммного управления. Таким образом, разработчики системы могут сформировать систему команд, ориентированную на эффективное решение определенного круга задач. Существенным недостатком подобных систем является громоздкость аппаратных модулей на их основе, а также необходимость написания программного обеспечения буквально в машинных кодах, что затрудняет разработку. В настоящее время такие секционированные МП практически вытеснены однокристальными МП и микроконтроллерами.

Современная реализация идеи микропрограммного управления представлена программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Основу ПЛИС составляет матрица элементарных логических блоков. За счет изменения связей между блоками можно построить вычислительное устройство произвольной структуры, которое идеально соответствует конкретной задаче. Проектирование структуры ПЛИС выполняется на специальном языке описания аппаратуры (VHDL) или с помощью графических средств с последующей генерацией программы формирования структуры. Как правило, на ПЛИС реализуют нетривиальные алгоритмы (нечеткая логика, эмуляция аппаратуры, адаптивное управление).

Составляющие микропроцессора.

Основные составляющие микропроцессора: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры данных и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Регистры данных, обычно их шесть, являются  внутренней памятью, каждый способен хранить одно слово. Для передачи данных между блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных.

1. Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для обработки данных. В зависимости от вида выполняемой опера­ции АЛУ оперирует одним или двумя словами и в своем составе имеет:

— четырехразрядные сумматоры – вычитатели;

— логические элементы для выполнения операций: логического умножения, логического сложения, инверсии, исключающее ИЛИ и т.д.;

— два входных порта, один выходной порт, которые являются буферными реги­страми, способным хранить одно слово данных.

Два входных порта позволяют АЛУ при­нимать данные с внутренней шины данных микропроцессора, или из аккумулятора (специального регистра). Выходной порт служит для пересылки данных в аккумулятор.

Основные операции АЛУ: сложение, вычитание, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверсия, сдвиг вправо, сдвиг влево, приращение положительное, приращение отрицательное.

АЛУ производятся в виде микросхем с числом разрядов: 4, 6, 8, 16. Чаще всего используются восьмиразрядные АЛУ, которые имеют 8 входов для первого слова, 8 входов для второго слова и 8 выходов, подключенных к восьми проводной шине.

2. Аккумулятор

Аккумулятор служит для хранения слова данных, посланного в него из выходно­го порта АЛУ или извлеченного из памяти.

Пример. Если АЛУ складывает два слова данных, одно находится в аккумуля­торе. После выполнения сложения резуль­тат посылается  в аккумуля­тор на хранение.

Аккумулятор  главный регистр микро­процессора. Большинство арифметических и логических операций выполняется с использованием АЛУ и аккумулятора. Операции над двумя сло­вами данных предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или еще каком-либо регистре. Так, при сложении двух слов, на­зываемых условно А и В и расположенных в аккумуляторе и памяти соответственно, результирующая сумма С загружается в аккумулятор, замещая слово А. Резуль­тат операции АЛУ тоже обычно разме­щается в аккумуляторе. Следует помнить, что исходное содержимое последнего при этом теряется.

Операцией другого типа, использующей аккумулятор, является программируемая передача данных из одной части микро­процессора в другую. Речь идет о пересыл­ке данных между портом ввода-вывода и областью памяти, между двумя областя­ми памяти и т.п. Выполнение операции «программируемая передача данных» осу­ществляется в два этапа: сначала выпол­няется пересылка данных из источника в аккумулятор, а затем из аккумулятора — в пункт назначения.

Количество разрядов аккумулятора со­ответствует длине слова микропроцессора, т. е. 8 бит. Однако некоторые микропроцес­соры имеют аккумуляторы двойной длины. Такой аккумулятор можно рассматривать или как одно устройство, или как два от­дельных аккумулятора. В первом случае второй аккумулятор пары используется для записи дополнительных битов, по­являющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Например, при умножении двух 8-битовых слов резуль­тат-16-битовое слово размещается в ак­кумуляторе двойной длины.

У некоторых микропроцессоров имеется группа аккумуляторов. Если их, например, два: аккумуляторы А и В, то микропроцес­сор должен располагать двумя различны­ми командами для загрузки в них данных с выхода АЛУ: одной командой для запи­си данных в аккумулятор А, другой для записи данных в аккумулятор В. Кроме то­го, должны быть две соответствующие ко­манды очистки этих аккумуляторов.

Преимущество «много аккумуляторных» микропроцессоров по сравнению с «одно аккумуляторными» в том, что первые предоставляют возможность выполнения операций с передачей данных от аккумуля­тора к аккумулятору. Данные могут вре­менно храниться в одном аккумуляторе, пока другой используется для выполнения каких-либо иных действий. Когда вновь возникает необходимость в данных, содер­жащихся в первом аккумуляторе, пересы­лать их не нужно, поскольку они уже нахо­дятся там.

3.Счетчик команд

Счетчик команд это один из наиболее важных регистров микропроцессора. Как известно, программа-это последовательность команд, хранимых в памяти микро-ЭВМ и предназначенных для того, чтобы инструктировать машину, как решать по­ставленную задачу. Для корректного вы­полнения последней команды должны по­ступать в строго определенном порядке. На счетчике команд лежит ответственность следить за тем, какая команда выполняет­ся, а какая подлежит выполнению следую­щей. Часто счетчик команд имеет намного больше разрядов, чем длина слова данных микропроцессора. Так, в большинстве 8-разрядных микропроцессоров, адресую­щихся к памяти объемом 65К, число раз­рядов счетчика команд равно 16. И на это имеются достаточно веские основания. В любой из 65 536 областей памяти микро-ЭВМ общего назначения может находить­ся информация о том или ином шаге про­граммы, т.е. в пределах диапазона значе­ний адресов от 0 до 65 535 программа может начаться и закончиться в любом месте. Чтобы обратиться по любому из этих адресов, счетчик команд должен рас­полагать 16 двоичными разрядами.

Счетчик команд соеди­нен с внутренней шиной данных микропро­цессора. Теоретически этот счетчик может получать данные об адресах программы из любого блока микропроцессора, подклю­ченного к внутренней шине. Однако на практике данные обычно поступают в счет­чик команд из памяти микро-ЭВМ.

Когда микропроцессор начинает рабо­тать, по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из области памяти, заданной проектировщи­ком микропроцессора. Перед пуском про­граммы необходимо поместить начальный адрес для программы в область памяти, указанную проектировщиком. Когда про­грамма начинает выполняться, первым значением содержимого счетчика команд является этот, заранее определенный адрес.

Адрес области памяти, содер­жащей первую команду программы, посы­лается из счетчика команд в регистр адреса памяти, после чего содержимое обоих регистров становится одинаковым.

Адрес местоположения первой команды программы посылается по адресной шине к схемам управления памятью, в результа­те чего считывается содержимое области с указанным адресом. Этим содержимым должна быть команда. Память пересылает эту команду в специальный ре­гистр блока микропроцессора, называемый регистром команд.

После извле­чения команды из памяти микропроцессор автоматически дает  приращение содержи­мому счетчика команд. Это приращение счетчик команд получает как раз в тот мо­мент, когда микропроцессор начинает вы­полнять команду, только что извлеченную из памяти. Начиная с этого момента, счетчик команд «указывает», ка­кой будет следующая команда.

Счетчик команд может быть загружен иным содержимым при выполнении осо­бой группы команд. Может возникнуть не­обходимость выполнить часть программы, которая «выпадает» из последовательности команд основной, или главной, программы. Например, такую часть программы, которую следует многократно повторять в про­цессе выполнения всей программы. Вместо того чтобы писать эту часть программы каждый раз, когда в ней возникает необхо­димость, такую запись можно сделать лишь один раз и возвращаться к ее по­вторному выполнению, отступая от ука­занной последовательности. Часть про­граммы, выполняемая путем отступления от строгой последовательности команд главной программы, называется подпро­граммой. После того как в счетчик команд записан начальный адрес подпрограммы, счетчик получает приращения по мере вы­полнения команд этой подпрограммы. Так продолжается до тех пор, пока не встре­тится команда возврата в главную про­грамму.

4.Регистр адреса памяти

При каждом обращении к памяти микро-ЭВМ регистр адреса памяти указывает адрес области памяти, которая подлежит ис­пользованию микропроцессором. Регистр адреса памяти содержит двоичное число -адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или в некоторых случаях для выбора порта ввода-вывода.

В течение подцикла выборки команды из памяти регистры адреса памя­ти и счетчика команд имеют одинаковое со­держимое, т. е. регистр адреса памяти указы­вает местоположение команды, извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение. Что же касается регистра адреса памяти, то он приращения не получает.

В течение подцикла выполнения команды содержимое регистра адреса памяти зависит от выполняемой команды. Если в соответ­ствии с командой микропроцессор должен произвести еще одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторично­му использованию в процессе обработки этой команды. Для некоторых команд адре­сация к памяти не требуется. Такова, напри­мер, команда очистки аккумулятора. При обработке таких команд регистр адреса па­мяти используется лишь один раз — в течение подцикла выборки команды из памяти.

В большинстве микропроцессоров ре­гистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое число разрядов. Как и счетчик команд, регистр адреса памяти должен располагать количеством разрядов, достаточным для адресации любой области памяти микро-ЭВМ. У большинства 8-раз­рядных микропроцессоров количество раз­рядов регистра адреса памяти равно 16. Та­кой регистр можно разделить на два отдельных регистра, каждый из которых имеет независимое подключение к шине данных микропроцессора. Один из этих ре­гистров называют регистром старшего бай­та (СБ), другой – регистром младшего бай­та (МБ).

Поскольку регистр адреса памяти под­ключен к внутренней шине данных микро­процессора, он может загружаться от различных источников. Большинство микро­процессоров располагают командами, по­зволяющими загружать этот регистр содер­жимым счетчика команд, регистра общего назначения или какой-либо области памяти. Некоторые команды предоставляют воз­можность изменять содержимое регистра адреса памяти путем выполнения вычисле­ний: новое значение содержимого этого ре­гистра получается путем сложения или вычи­тания содержимого счетчика команд с числом, указанным в самой команде. Адре­сация такого типа получила название адреса­ции с использованием смещения.

5.Регистр команд

Регистр команд предназначен исключи­тельно для хранения текущей выполняемой команды, причем эта функция реализуется микропроцессором автоматически с нача­лом цикла выборка-выполнение, называемо­го также машинным циклом.

Как отмечалось выше, машинный цикл со­стоит из двух подциклов — выборки и выпол­нения. За исключением загрузки команды, в период подцикла выборки программист не может по-другому использовать регистр ко­манд. Этот ре­гистр соединен с внутренней шиной данных, однако он только принимает данные, посы­лать данные на шину он не может.

Хотя функции регистра команд ограни­ченны, роль его в работе микропроцессора велика, поскольку выход этого регистра является частью дешифратора команд.

Последовательность реализации цикла выборка-выполнение:

 Сначала команда извлекается из памяти, за­тем счетчик команд настраивается на указа­ние следующей команды, подлежащей вы­полнению. При извлечении команды из соответствующей области памяти копия ко­манды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. После этого начинается подцикл выполне­ния команды, в течение которого дешифра­тор команд «читает» содержимое регистра команд, сообщая микропроцессору, что де­лать для реализации операций команды. Число разрядов регистра команд зависит от типа микропроцессора: иногда оно совпа­дает с числом разрядов слова данных, в дру­гих случаях равно лишь 3 или 4.

6 Регистр состояния

Наличием регистра состояния подлинная вычислительная машина отличается от про­стого калькулятора. Указанный регистр предназначен для хранения результатов не­которых проверок, осуществляемых в про­цессе выполнения программы. Разряды ре­гистра состояния принимают то или иное значение при выполнении операций, исполь­зующих АЛУ и некоторые регистры.

Запоминание результатов упомянутых проверок позволяет использовать про­граммы, содержащие переходы (нарушения естественной последовательности выполне­ния команд).

При наличии в программе перехода вы­полнение команд начинается с некоторой но­вой области памяти, т. е. счетчик команд за­гружается новым числом. В случае условно­го перехода такое действие имеет место, если результаты определенных проверок совпа­дают с ожидаемыми значениями. Указанные результаты находятся в регистре состояния.

Возможности программирования с пере­дачей управления (переходами) это отличи­тельная характеристика вычислительной ма­шины по сравнению с калькулятором. Регистр состояния предоставляет програм­мисту возможность организовать работу микропроцессора так, чтобы при опреде­ленных условиях менялся порядок выполне­ния команд. Можно сказать, что микропро­цессор принимает решение о том или ином продолжении хода вычислений в зависимо­сти от указанных условий.

Эти ко­манды предназначены для изменения хода выполнения программы в соответствии со значением, принимаемым тем или иным разрядом состояния. Традиционный способ использования этих специальных команд предполагает загрузку счетчика команд но­вым содержимым, если значение определен­ного разряда состояния становится равным 1.

Если при сложении двух 8-битовых чисел получается результат больше, чем 11111111, то по­является единичный бит переноса, который в свою очередь устанавливает в 1 одно­именный разряд регистра состояния.

Если по окончании выполнения операции все разряды аккумулятора содержат биты, равные 0, то в регистре состояния бит нуле­вого результата становится равным 1. В рас­сматриваемом нами микропроцессоре этот бит может быть установлен в единичное со­стояние и некоторыми операциями. Например, часто требуется запи­сать определенную величину в некоторый регистр (назовем его регистром В), а затем уменьшать ее на значение некоторой кон­станты при каждом «проходе» через опреде­ленную точку программы. После каждого изменения содержимого этого регистра про­веряется значение разряда нулевого резуль­тата в регистре состояния. Если содержимое регистра оказывается равным 0, разряд ну­левого результата устанавливается в 1. Про­грамма (или ее часть), проверяющая наличие нуля в регистре, продолжает повторяться до тех пор, пока в регистре состояния не бу­дет обнаружено единичное значение разряда нулевого результата.

Примером использования регистра состояния для про­верки содержимого некоторого регистра, по­лучающего отрицательные приращения. Словесное описание соответствующей про­граммы может иметь следующий вид:

Загрузить в регистр число 11002.

Уменьшить содержимое регистра на 12.

Проверить, равно ли единице значение разряда нулевого результата в регистре состояния. Если нет, возвратиться к выполнению шага 2.

Если да, прекратить действия. Кратко охарактеризуем некоторые наибо­лее обще используемые разряды регистра состояния.

Перенос/заем. Данный разряд указы­вает, что последняя выполненная операция
сопровождалась переносом или займом (от­рицательным переносом). Значение разряда переноса устанавливается равным 1, если в результате сложения двух двоичных чисел имеет место перенос из 8-го разряда резуль­тата. Отрицательный перенос (заем) фикси­руется в регистре состояния при вычитании большего числа из меньшего.

Нулевой результат. Принимает единич­ное значение, если после окончания операции во всех разрядах регистра результата обна­ружены двоичные нули. Установка этого разряда в 1 происходит не только при отри­цательном приращении содержимого реги­стра, но и при любой другой операции, ре­зультат которой число из двоичных нулей.

Знаковый. Принимает единичное значение, когда старший значащий бит содержи­мого регистра, предназначенного для записи результата операции, становится равным 1. При выполнении арифметических операций с числами в дополнительном коде единичное значение старшего значащего бита показы­вает, что в регистре находится отрицатель­ное число.

7.Буферные регистры АЛУ

На рис.2 показаны два буферных реги­стра, каждый из которых предназначен для временного хранения одного слова данных. Один из этих регистров называется буфером аккумулятора АЛУ. Что касается другого буферного регистра, то в него на временное хранение поступают данные с внутренней шины микропроцессо­ра. Необходимость в таком регистре вызва­на отсутствием в АЛУ своего запоминающего устройства. В состав АЛУ включены только комбинационные схемы, и поэтому при поступлении исходных данных на входе АЛУ немедленно появляются результирую­щие данные на его выходе как следствие вы­полнения операций данной программы.

Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоеди­нены к одной и той же точке схемы.

8.Регистры общего назначения

Все микропроцессоры имеют шесть опи­санных выше основных регистров. В допол­нение к ним некоторые микропроцессоры располагают другими регистрами, пре­доставляемыми в распоряжение пользовате­лей. Эти регистры получили название реги­стров общего назначения, В некоторых микропроцессорах они служат в качестве за­поминающих устройств, в других функцио­нальные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора, По­следнее достигается в том случае, если АЛУ может помещать в них данные.

9.Схемы управления

Роль схем управления в микропроцессоре чрезвычайно важна и заключается в поддер­жании требуемой последовательности функ­ционирования всех остальных его звеньев. По «распоряжению» схем управления очередная команда извлекается из регистра ко­манд, определяется, что необходимо делать с данными, а затем генерируется последова­тельность действий по выполнению постав­ленной задачи,

Обычно работа схем управления микро программируется. Это свидетельствует о сходстве архитектуры системы управления микропроцессора с архитектурой некоторо­го микропроцессора специального назначе­ния. Можно сказать, что схемы управле­ния это маленький микропроцессор внутри микропроцессора. Одна из главных функций схем управления – декодирование команды, находящейся в регистре команд, посред­ством дешифратора команд, который в ре­зультате выдает сигналы, необходимые для выполнения команды.

Схемы управления выполняют некоторые другие специальные функции, такие, как управление последовательностью включения питания, управление процессами прерываний. Преры­вание — это своего рода запрос, поступаю­щий на схемы управления от других устройств (памяти, ввода-вывода). Прерыва­ние связано с использованием внутренней шины данных микропроцессора. Схемы управления принимают решение, когда и в какой последовательности другие устрой­ства могут пользоваться внутренней шиной данных.

10.Внутренняя шина данных микропроцессора

Структурная схема микропроцессора показывает, что 8-разрядная вну­тренняя шина данных соединяет между собой АЛУ и регистры, осуществляя передачу данных внутри микропроцессора. Хотя сиг­налы управления и играют жизненно важ­ную роль в процессе передачи данных по вну­тренней шине, тракт их передачи не принад­лежит шине данных.

Каждый функциональный блок микропро­цессора всегда подключен к внутренней ши­не данных, однако воспользоваться ею мо­жет только после получения соответствую­щего сигнала от схем управления. 

Почти все функциональные узлы микро­процессора имеют двустороннюю связь с внутренней шиной данных, т. е. они могут и посылать данные на шину, и принимать с нее данные. Внутренняя шина данных пред­ставляет собой линию двусторонней связи.

Как работает микропроцессор?

ПРИМЕЧАНИЕ. Поскольку я технарь и инженер, мне часто задают вопросы о том, как все работает. Эти типы вопросов являются лучшими, потому что, как вы можете себе представить, инженеры обычно одержимы тем, как все работает. Итак, я создал новую категорию на своем сайте под названием «Как это работает?»

Первый пост в этой новой категории — это ответ на вопрос, который мне недавно задал друг: как на самом деле работает микропроцессор?

Сегодня все знакомы с микропроцессорами.Теперь все использует какой-то процессор: компьютеры, MP3-плееры, сотовые телефоны, стиральные машины, кухонные комбайны и даже некоторые электрические зубные щетки!

Мне часто задают один вопрос: как на самом деле работают эти процессоры? Всем известно, что существует такая штука, которая называется микрочипом, и что в ней есть транзисторы. Но как перейти от кучи единиц и нулей к видео, воспроизводимому в веб-браузере на вашем мобильном телефоне? Я надеюсь объяснить здесь очень просто, как работает микропроцессор, не вдаваясь в технические подробности — а значит, и слишком скучно!

Начнем с самого нижнего уровня архитектуры процессора: транзистора.Существует много типов транзисторов, но в современных микропроцессорах используются полевые транзисторы или полевые транзисторы. Существуют также различные типы полевых транзисторов, но для наших целей нужно понимать только одно: транзистор похож на выключатель света. Когда переключатель включен (on = 1), электричество проходит через него. При выключении (off = 0) электричество не течет. Следующая диаграмма может помочь:

Разве не все было просто?

Теперь следующий шаг в понимании того, как работают процессоры, — это концепция логических вентилей.Все операции, которые выполняет процессор (математические или другие), могут выполняться с помощью этих вещей, называемых логическими вентилями. Когда вы соединяете несколько транзисторов (переключателей) вместе разными способами, вы получаете интересные результаты. Например, вы можете создать логический элемент И. Логический элемент И имеет 2 входа и 1 выход. Выход всегда равен 0 (выключен), если оба входа не равны 1 (включен). Также есть ворота OR. С вентилем ИЛИ — как следует из названия — выход равен 0, если один ИЛИ оба входа равны 1. См. Следующее изображение, чтобы лучше понять, что это на самом деле означает.

Щелкните, чтобы увидеть полную версию в Википедии

. Вам не нужно действительно разбираться в логических вентилях или даже в том, как вы соединяете транзисторы вместе, чтобы сделать логические вентили. Также существует намного больше типов логических вентилей, таких как NOT, XOR, NAND, NOR и так далее. Все, что вам действительно нужно понять, это то, что умное объединение нескольких переключателей позволяет нам создавать функциональные блоки, называемые логическими вентилями, которые позволяют нам выполнять различные операции с единицами и нулями.

Okeydokey — следующий уровень станет еще сложнее.Во-первых, мы объединили транзисторы вместе, чтобы создать логические вентили. Теперь, умно комбинируя множество логических вентилей, мы можем создавать сложные схемы, которые выполняют такие действия, как сложение двух чисел, умножение двух чисел вместе, перемещение данных из одного места в другое и так далее. То, как именно это достигается, является предметом университетских курсов по компьютерной инженерии, поэтому я избавлю вас от подробностей.

Как вы могли заметить, все в микропроцессоре интерпретируется в двоичном формате, т.е.е. в единицах 1 или 0. Проще говоря, 1 означает, что электричество течет, а 0 означает, что электричество НЕ течет. Числа, изображения, видео и все остальное, что действительно обрабатывает микропроцессор, можно разбить на огромные строки из единиц и нулей. Например, число 1354 856 в двоичном формате равно 101001010110001101000. Изображение может быть преобразовано в огромную строку двоичных чисел, состоящую из трех различных двоичных чисел, представляющих интенсивность красного, зеленого и синего, которые составляют фактический цвет каждого пикселя, в последовательность.Как видите, переработчикам нужно обработать тонн единиц и нулей.

Кроме того, у компьютера, мобильного телефона или другого устройства есть различные компоненты, которые заставляют его работать — процессор ничего не может сделать в одиночку! Таким образом, каждый компонент в компьютере или другом устройстве имеет свой собственный «адрес», который, как вы уже догадались, также состоит из набора единиц и нулей. Например, в вашем компьютере графическая карта имеет собственное «адресное пространство», как и ваша карта Ethernet или чип, установленные модули RAM, ваш жесткий диск и так далее.Адресное пространство во многом похоже на двоичную версию адреса улицы. Поскольку каждый компонент имеет свой собственный адрес, запущенное программное обеспечение может сказать процессору такие вещи, как: «Принесите мне PDF-документ, хранящийся в Apt 321 на жестком диске, который находится по адресу 1702 W. 57th Street!» Конечно, на микропроцессоре работают разные уровни программного обеспечения, поэтому весь процесс не так прост, как я только что представил, но все будет!

В любом случае, все делается с помощью единиц и нулей, которые являются «языком», который понимают процессоры.Как вы можете себе представить, с таким количеством единиц и нулей требуется МНОГО логических вентилей, чтобы все это произошло. А поскольку каждый логический вентиль состоит из нескольких отдельных транзисторов, вы легко можете понять, почему современные процессоры содержат сотни миллионов транзисторов!

Наконец, я решил коснуться того, как производятся микропроцессоры. Микрочип обычно состоит из слоев разных материалов, а также из других полезных вещей, таких как крошечные булавки, которые вводят единицы и нули в микросхему и из нее.Транзисторы на микрочипах создаются с помощью процесса, известного как литография. В конце концов, вы получите многослойный сэндвич из материалов с различными электрическими свойствами, которые образуют миллионы транзисторов, соединенных между собой разумным образом, для создания микропроцессора. Процесс литографии до смешного сложен и выходит далеко за рамки этого, надеюсь, приземленного объяснения! Если вы действительно хотите увидеть, как все это работает, вы можете проверить великолепное литографическое объяснение Криса Мака.

Ну вот и все. Даже если вы раньше не представляли, как работают процессоры, надеюсь, теперь знаете. Если есть что-нибудь, о чем вы хотели бы узнать больше, напишите мне!

Дополнительная литература:

.

Как работают микропроцессоры? (с иллюстрациями)

Микропроцессоры используют ряд различных процессов для работы. Их основная цель — обработать ряд чисел, помещенных в последовательности, составляющие программу. Каждая из этих последовательностей дает микропроцессору своего рода инструкцию, которая, в свою очередь, связывает информацию с другими частями компьютера. Это облегчает действия, необходимые для работы программы. Микропроцессоры — это типы центральных процессоров (ЦП), которые по сути являются центральным мозгом компьютера.Микропроцессор представляет собой компьютерную микросхему, которая размещается на материнской плате, которая работает как центр реле для всех высших функций, обрабатываемых центральным процессором.

Микропроцессор выполняет серию инструкций.

Когда микропроцессор активирован, он выполняет ряд действий, каждое из которых определяет точную точку связи.Это сообщение дает инструкции в виде двоичного кода, состоящего из единиц и нулей. Затем ЦП отвечает на инструкции, обрабатывая код, предпринимая необходимые действия, запрошенные кодом, и передает ответственной секции ввода, что действие успешно выполнено.

Микропроцессоры работают с жестким диском компьютера.

Первый шаг в этом процессе известен как — действие выборки . Программа вызовет серию единиц и нулей, которые определяют точное действие. Часть последовательности отвечает за информирование микропроцессоров о местонахождении необходимого кода в программе. Это та часть, в которой используется оперативная память (RAM).ОЗУ предоставляет ЦП память, позволяющую удерживать инструкции достаточно долго для их использования. Когда в компьютере недостаточно оперативной памяти, компьютер тормозит.

Следующий шаг, связанный с нагрузкой на микропроцессор, известен как — действие декодирования. Каждый набор чисел в последовательности отвечает за определенное действие. Чтобы ЦП приказал правильным компонентам выполнять свою работу, каждая часть последовательности чисел должна быть идентифицирована и иметь правильные рабочие параметры. Например, если пользователь записывает DVD, ЦП необходимо передать определенные числовые значения устройству DVD, которое записывает диск, жесткому диску, который предоставляет информацию, и видеокарте для отображения статуса для пользователя.

Execution — это следующий шаг в функции микропроцессоров.По сути, ЦП приказывает компонентам компьютера выполнять свою работу. Во время фазы выполнения микропроцессор находится в постоянном контакте с компонентами, обеспечивая успешное завершение каждой части операции в соответствии с инструкциями, собранными и отправленными на предыдущих двух этапах.

Последним действием для микропроцессоров является функция обратной записи.Это просто ЦП, копирующий действия и их результаты в основную память компьютера, обычно находящуюся на жестком диске. Этап обратной записи важен для определения проблемных ситуаций, когда что-то идет не так. Например, если DVD не записался правильно, пользователь может получить доступ к файлам обратной записи и узнать, какой шаг произошел безуспешно. Эти файлы помещаются в раздел памяти, известный как реестра , который часто страдает повышенным уровнем коррупции, поскольку повторяющиеся действия выполняются регулярно.

.

Как работают ПК | HowStuffWorks

Чтобы увидеть, как работает ПК, давайте начнем с частей, которые составляют машину. Ниже перечислены общие для ПК компоненты в том порядке, в котором они обычно собираются:

Корпус — Если вы используете ноутбук, в корпусе компьютера есть клавиатура и экран. Для настольных ПК корпус обычно представляет собой коробку с подсветкой, вентиляционными отверстиями и местами для подключения кабелей. Размер корпуса может варьироваться от небольших настольных до высоких башен.Более крупный корпус не всегда означает более мощный компьютер; важно то, что внутри. Сборщики ПК проектируют или выбирают корпус в зависимости от типа материнской платы, которая должна поместиться внутри.

Объявление

Материнская плата — Основная печатная плата внутри вашего ПК является его материнской платой. Все компоненты, внутри и снаружи, так или иначе подключаются через материнскую плату. Остальные компоненты, перечисленные на этой странице, являются съемными и, следовательно, заменяемыми без замены материнской платы.Однако несколько важных компонентов прикреплены непосредственно к материнской плате. К ним относятся дополнительный металлооксидный полупроводник (CMOS), в котором хранится некоторая информация, например системные часы, когда компьютер выключен. Материнские платы бывают разных размеров и стандартов, наиболее распространенными на момент написания этой статьи являются ATX и MicroATX. Исходя из этого, материнские платы различаются по типу съемных компонентов, для работы с которыми они предназначены внутри, и по тем портам, которые доступны для подключения внешних устройств.

Блок питания — Помимо CMOS, которая питается от сменной батареи CMOS на материнской плате, каждый компонент в вашем ПК зависит от его источника питания. Блок питания подключается к источнику питания определенного типа, будь то батарея в случае мобильных компьютеров или розетка в случае настольных ПК. В настольном ПК вы можете увидеть блок питания, установленный внутри корпуса, с разъемом для кабеля питания снаружи и несколькими подключенными кабелями внутри.Некоторые из этих кабелей подключаются напрямую к материнской плате, а другие подключаются к другим компонентам, таким как диски и вентиляторы.

Центральный процессор (ЦП) — ЦП, часто называемый просто процессором, представляет собой компонент, содержащий микропроцессор. Этот микропроцессор является сердцем всех операций ПК, а производительность как аппаратного, так и программного обеспечения зависит от производительности процессора. Intel и AMD — крупнейшие производители процессоров для ПК, хотя на рынке вы найдете и другие.Две распространенные архитектуры ЦП — 32-битная и 64-битная, и вы обнаружите, что определенное программное обеспечение полагается на это различие архитектуры.

Оперативная память (RAM) — Даже самому быстрому процессору требуется буфер для хранения информации во время ее обработки. Оперативная память предназначена для ЦП, как столешница для повара: она служит местом, где ингредиенты и инструменты, с которыми вы работаете, ждут, пока вам не понадобится их взять и использовать. Для быстрого ПК необходимы и быстрый процессор, и большой объем оперативной памяти.Каждый компьютер имеет максимальный объем ОЗУ, который он может обрабатывать, а слоты на материнской плате указывают тип ОЗУ, который требуется ПК.

Приводы — Накопитель — это устройство, предназначенное для хранения данных, когда оно не используется. На жестком диске или твердотельном накопителе хранится операционная система и программное обеспечение ПК, которые мы рассмотрим более подробно позже. В эту категорию также входят оптические приводы, используемые для чтения и записи CD, DVD и Blu-ray. Накопитель подключается к материнской плате в зависимости от типа используемой технологии контроллера накопителя, включая старый стандарт IDE и новый стандарт SATA.

Устройства охлаждения — Чем больше компьютер обрабатывает, тем больше тепла он выделяет. ЦП и другие компоненты могут выдерживать определенное количество тепла. Однако, если ПК не охлаждается должным образом, он может перегреться, что приведет к дорогостоящему повреждению его компонентов и схем. Вентиляторы — это наиболее распространенное устройство, используемое для охлаждения ПК. Кроме того, ЦП закрыт металлическим блоком, называемым радиатором, который отводит тепло от ЦП. Некоторые серьезные пользователи компьютеров, такие как геймеры, иногда имеют более дорогие решения по управлению теплом, например системы с водяным охлаждением, предназначенные для удовлетворения более высоких требований к охлаждению.

Кабели — — Все компоненты, которые мы упомянули до сих пор, соединяются с помощью некоторой комбинации кабелей. Эти кабели предназначены для передачи данных, питания или того и другого. Компьютеры должны быть сконструированы таким образом, чтобы кабели аккуратно складывались внутри корпуса и не перекрывали поток воздуха по нему.

ПК обычно намного больше, чем эти основные компоненты. Далее мы рассмотрим порты и периферийные устройства, которые позволяют вам взаимодействовать с компьютером, и то, как вы можете добавить еще больше компонентов, используя слоты расширения.

.