sistem mikroprosesor

Penggunaan sistem mikroprosesor di hampir semua perangkat listrik adalah fitur terpenting dari infrastruktur teknis masyarakat modern. Listrik, industri, transportasi, sistem komunikasi sangat bergantung pada sistem kontrol komputer. Sistem mikroprosesor tertanam dalam alat ukur, perangkat listrik, instalasi penerangan, dll.

Semua ini mengharuskan insinyur kelistrikan untuk mengetahui setidaknya dasar-dasar teknologi mikroprosesor.

Sistem mikroprosesor dirancang untuk mengotomatiskan pemrosesan informasi dan mengontrol berbagai proses.

Istilah "sistem mikroprosesor" sangat luas dan mencakup konsep seperti "mesin komputasi elektronik (ECM)", "komputer kontrol", "komputer", dan lainnya.

Sistem mikroprosesor meliputi Perangkat Keras atau dalam bahasa Inggris — perangkat keras dan perangkat lunak (Software) — perangkat lunak.

Informasi digital

Sistem mikroprosesor bekerja dengan informasi digital, yang merupakan rangkaian kode numerik.

Inti dari setiap sistem mikroprosesor adalah mikroprosesor yang hanya dapat menerima bilangan biner (terdiri dari 0 dan 1).Bilangan biner ditulis menggunakan sistem bilangan biner. Misalnya dalam kehidupan sehari-hari kita menggunakan sistem bilangan desimal yang menggunakan sepuluh karakter atau angka untuk menuliskan bilangan, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dengan demikian, dalam sistem biner hanya ada dua simbol (atau angka) seperti itu - 0 dan 1.

Perlu dipahami bahwa sistem bilangan hanyalah aturan penulisan bilangan, dan pemilihan jenis sistem akan ditentukan oleh kemudahan penggunaannya. Pilihan sistem biner karena kesederhanaannya, yang berarti keandalan perangkat digital dan kemudahan penerapan teknisnya.

Pertimbangkan unit pengukuran informasi digital:

Sedikit (dari bahasa Inggris «BInary digit» — digit biner) hanya membutuhkan dua nilai: 0 atau 1. Anda dapat menyandikan nilai logis «ya» atau «tidak», status «aktif» atau «mati», status « buka» «atau» tutup «dll.

Sekelompok delapan bit disebut byte, misalnya 10010111. Satu byte memungkinkan Anda untuk menyandikan 256 nilai: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Sedikit adalah unit informasi terkecil.

Byte — unit terkecil dari pemrosesan informasi. Byte - bagian dari kata mesin, biasanya terdiri dari 8 bit dan digunakan sebagai satuan untuk jumlah informasi selama penyimpanan, transmisi, dan pemrosesan di komputer. Sebuah byte berfungsi untuk mewakili huruf, suku kata dan karakter khusus (biasanya menempati semua 8 bit) atau angka desimal (masing-masing 2 digit dalam 1 byte).

Dua byte yang berdekatan disebut kata, 4 byte kata ganda, 8 byte kata quad.

Hampir semua informasi yang mengelilingi kita adalah analog. Oleh karena itu, sebelum informasi masuk ke prosesor untuk diproses, informasi tersebut diubah menggunakan ADC (analog-to-digital converter).Selain itu, informasi dikodekan dalam format tertentu dan dapat berupa digital, logis, tekstual (simbolis), grafik, video, dll.

Misalnya, tabel kode ASCII (dari English American Standard Code for Information Interchange) digunakan untuk menyandikan informasi teks. Satu karakter ditulis dalam satu byte, yang dapat mengambil 256 nilai. Informasi grafis dibagi menjadi titik-titik (piksel), dan warna serta posisi setiap titik diberi kode secara horizontal dan vertikal.

Selain sistem biner dan desimal, MS menggunakan sistem heksadesimal dimana simbol 0 ... 9 dan A ... F digunakan untuk menulis angka.Penggunaannya karena satu byte dijelaskan oleh dua -digit bilangan heksadesimal, yang sangat mengurangi pencatatan kode numerik dan membuatnya lebih mudah dibaca (11111111 — FF).

Tabel 1 — Menulis angka dalam sistem angka yang berbeda

Untuk menentukan nilai angka (misalnya nilai angka 100 untuk sistem angka yang berbeda bisa 42, 10010, 25616), di akhir angka tambahkan huruf Latin yang menunjukkan sistem angka: untuk angka biner hurufnya b, untuk bilangan heksadesimal — h , untuk bilangan desimal — d. Angka tanpa penunjukan tambahan dianggap sebagai desimal.

Mengonversi angka dari satu sistem ke sistem lain dan operasi aritmatika dan logika dasar dengan angka memungkinkan Anda membuat kalkulator teknik (aplikasi standar sistem operasi Windows).

Struktur sistem mikroprosesor

Sistem mikroprosesor didasarkan pada mikroprosesor (prosesor) yang melakukan pemrosesan informasi dan fungsi kontrol. Perangkat lainnya yang membentuk sistem mikroprosesor melayani prosesor dengan membantunya bekerja.

Perangkat wajib untuk membuat sistem mikroprosesor adalah port input / output dan sebagian memori... Port input - output menghubungkan prosesor ke dunia luar dengan memberikan informasi untuk memproses dan mengeluarkan hasil pemrosesan atau tindakan kontrol. Tombol (keyboard), berbagai sensor terhubung ke port input; ke port keluaran - perangkat yang memungkinkan kontrol listrik: indikator, tampilan, kontaktor, katup solenoid, motor listrik, dll.

Memori terutama diperlukan untuk menyimpan program (atau kumpulan program) yang diperlukan agar prosesor dapat beroperasi. Program adalah urutan perintah yang dipahami prosesor, ditulis oleh manusia (biasanya programmer).

Struktur sistem mikroprosesor ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam bentuk yang disederhanakan, prosesor terdiri dari unit logika aritmatika (ALU) yang memproses informasi digital, dan unit kontrol (CU).

Memori biasanya mencakup read-only memory (ROM), yang non-volatile dan ditujukan untuk penyimpanan informasi jangka panjang (misalnya program), dan random-access memory (RAM), yang ditujukan untuk penyimpanan data sementara.

Gambar 1 — Struktur sistem mikroprosesor

Prosesor, port, dan memori berkomunikasi satu sama lain melalui bus. Bus adalah sekumpulan kabel yang secara fungsional disatukan. Satu set bus sistem disebut bus intrasistem, di mana terdapat:

• Bus data DB (Bus Data), di mana data dipertukarkan antara prosesor, memori, dan port;

• address bus AB (Address Bus), digunakan untuk mengatasi sel memori dan port prosesor;

• control bus CB (Control Bus), satu set jalur yang mengirimkan berbagai sinyal kontrol dari prosesor ke perangkat eksternal dan sebaliknya.

Mikroprosesor

Mikroprosesor - perangkat yang dikendalikan oleh perangkat lunak yang dirancang untuk memproses informasi digital dan mengontrol proses pemrosesan ini, dibuat dalam bentuk satu (atau beberapa) sirkuit terintegrasi dengan tingkat integrasi elemen elektronik yang tinggi.

Mikroprosesor dicirikan oleh sejumlah besar parameter, karena merupakan perangkat yang dikontrol perangkat lunak yang kompleks dan perangkat elektronik (sirkuit mikro). Oleh karena itu, untuk sebuah mikroprosesor, baik tipe kasus maupun set instruksi untuk prosesor… Kemampuan mikroprosesor ditentukan oleh konsep arsitektur mikroprosesor.

Awalan «mikro» pada nama prosesor berarti diimplementasikan menggunakan teknologi mikron.

Gambar 2 — Tampilan eksternal mikroprosesor Intel Pentium 4

Selama operasi, mikroprosesor membaca perintah program dari memori atau port input dan mengeksekusinya. Apa arti setiap perintah ditentukan oleh set instruksi prosesor.Set instruksi dibangun ke dalam arsitektur mikroprosesor, dan eksekusi kode perintah dinyatakan dalam pelaksanaan operasi mikro tertentu oleh elemen internal prosesor.

Arsitektur mikroprosesor — ini adalah organisasi logisnya; itu mendefinisikan kemampuan mikroprosesor dalam hal implementasi perangkat keras dan perangkat lunak dari fungsi yang diperlukan untuk membangun sistem mikroprosesor.

Karakteristik utama mikroprosesor:

1) Frekuensi jam (unit pengukuran MHz atau GHz) — jumlah pulsa jam dalam 1 detik.Pulsa jam dihasilkan oleh generator jam, yang biasanya terletak di dalam prosesor. Karena semua operasi (instruksi) dilakukan dalam siklus clock, maka performa kerja (jumlah operasi yang dilakukan per satuan waktu) bergantung pada frekuensi clock. Frekuensi prosesor dapat bervariasi dalam batas tertentu.

2) Prosesor bit (8, 16, 32, 64 bit, dll.) — menentukan jumlah byte data yang diproses dalam satu siklus clock. Lebar bit prosesor ditentukan oleh lebar bit register internalnya. Prosesor dapat berupa 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit, dll. data diproses dalam potongan 1, 2, 4, 8 byte. Jelas bahwa semakin besar kedalaman bit, semakin tinggi produktivitas kerja.

Arsitektur internal mikroprosesor

Arsitektur internal yang disederhanakan dari mikroprosesor 8-bit tipikal ditunjukkan pada Gambar 3. Struktur mikroprosesor dapat dibagi menjadi tiga bagian utama:

1) Register untuk penyimpanan sementara perintah, data, dan alamat;

2) Unit logika aritmatika (ALU) yang melakukan operasi aritmatika dan logika;

3) Sirkuit kontrol dan pengaturan waktu — menyediakan pemilihan perintah, mengatur pengoperasian ALU, menyediakan akses ke semua register mikroprosesor, memahami dan menghasilkan sinyal kontrol eksternal.

Gambar 3 — Arsitektur internal yang disederhanakan dari mikroprosesor 8-bit

Seperti yang Anda lihat dari diagram, prosesor didasarkan pada register, yang dibagi menjadi register khusus (dengan tujuan tertentu) dan register tujuan umum.

Penghitung program (komputer) — register yang berisi alamat byte perintah berikutnya. Prosesor perlu mengetahui perintah mana yang akan dijalankan selanjutnya.

Baterai — register yang digunakan di sebagian besar instruksi untuk pemrosesan logika dan aritmatika; itu adalah sumber dari salah satu byte data yang diperlukan untuk operasi ALU dan tempat hasil operasi ALU ditempatkan.

Register fungsi (atau register flag) berisi informasi tentang keadaan internal mikroprosesor, khususnya hasil operasi ALU terakhir. Register bendera bukanlah register dalam arti biasa, tetapi hanya sekumpulan flip flop (bendera naik atau turun. Biasanya ada bendera nol, meluap, negatif, dan bawa).

Stack Pointer (SP) — melacak posisi tumpukan, yaitu berisi alamat sel yang terakhir digunakan. Stack — cara mengatur penyimpanan data.

Register perintah berisi byte perintah saat ini yang didekodekan oleh dekoder perintah.

Jalur bus eksternal diisolasi dari jalur bus internal oleh buffer, dan elemen internal utama dihubungkan oleh bus data internal berkecepatan tinggi.

Untuk meningkatkan kinerja sistem multiprosesor, fungsi prosesor pusat dapat didistribusikan di antara beberapa prosesor. Untuk membantu prosesor pusat, komputer sering kali memperkenalkan co-processor, yang berfokus pada pelaksanaan fungsi tertentu secara efisien. Co-prosesor matematis dan grafis yang tersebar luas, input dan output membongkar prosesor pusat dari operasi interaksi yang sederhana namun banyak dengan perangkat eksternal.

Pada tahap saat ini, arah utama peningkatan produktivitas adalah pengembangan prosesor multi-core, yaitu. menggabungkan dua atau lebih prosesor dalam satu wadah untuk melakukan beberapa operasi secara paralel (bersamaan).

Intel dan AMD adalah perusahaan terkemuka untuk merancang dan membuat prosesor.

Algoritma sistem mikroprosesor

Algoritma — resep tepat yang secara unik mengatur proses transformasi informasi awal menjadi urutan operasi yang memungkinkan penyelesaian serangkaian tugas kelas tertentu dan mendapatkan hasil yang diinginkan.

Elemen kontrol utama dari seluruh sistem mikroprosesor adalah prosesor... Ini, dengan pengecualian beberapa kasus khusus, mengontrol semua perangkat lain. Perangkat lainnya, seperti RAM, ROM, dan port I/O, menjadi subordinat.

Segera setelah dihidupkan, prosesor mulai membaca kode digital dari area memori yang disediakan untuk menyimpan program. Pembacaan dilakukan secara berurutan sel demi sel, mulai dari yang pertama. Sel berisi data, alamat, dan perintah. Instruksi adalah salah satu tindakan dasar yang dapat dilakukan mikroprosesor. Semua pekerjaan mikroprosesor direduksi menjadi pembacaan berurutan dan eksekusi perintah.

Pertimbangkan urutan tindakan mikroprosesor selama eksekusi perintah program:

1) Sebelum instruksi selanjutnya dijalankan, mikroprosesor menyimpan alamatnya di pencacah program komputer.

2) MP mengakses memori pada alamat yang terdapat dalam komputer dan membaca dari memori byte pertama dari perintah berikutnya dalam register perintah.

3) Decoder perintah menerjemahkan (menguraikan) kode perintah.

4) Sesuai dengan informasi yang diterima dari dekoder, unit kontrol menghasilkan urutan waktu operasi mikro yang menjalankan instruksi perintah, termasuk:

— mengambil operan dari register dan memori;

— melakukan operasi aritmatika, logis, atau lainnya seperti yang ditentukan oleh kode perintah;

— tergantung pada panjang perintah, mengubah isi komputer;

- mentransfer kontrol ke perintah berikutnya yang alamatnya lagi di penghitung program komputer.

Set instruksi untuk mikroprosesor dapat dibagi menjadi tiga kelompok:

1) Perintah untuk memindahkan data

Transfer terjadi antara memori, prosesor, port I / O (setiap port memiliki alamatnya sendiri), antara register prosesor.

2) Perintah transformasi data

Semua data (teks, gambar, video, dll.) adalah angka, dan hanya operasi aritmatika dan logika yang dapat dilakukan dengan angka. Oleh karena itu, perintah grup ini meliputi penjumlahan, pengurangan, perbandingan, operasi logis, dll.

3) Transfer perintah kontrol

Sangat jarang sebuah program terdiri dari satu instruksi berurutan. Sebagian besar algoritma memerlukan percabangan program. Agar program dapat mengubah algoritme kerjanya, tergantung pada kondisi apa pun, perintah transfer kontrol digunakan. Perintah-perintah ini memastikan aliran eksekusi program di sepanjang jalur yang berbeda dan mengatur loop.

Perangkat eksternal

Perangkat eksternal mencakup semua perangkat yang berada di luar prosesor (kecuali RAM) dan terhubung melalui port I/O. Perangkat eksternal dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok:

1) perangkat komunikasi manusia-komputer (keyboard, monitor, printer, dll.);

2) perangkat untuk komunikasi dengan objek kontrol (sensor, aktuator, ADC dan DAC);

3) perangkat penyimpanan eksternal dengan kapasitas besar (hard disk, floppy disk).

Perangkat eksternal terhubung ke sistem mikroprosesor secara fisik — melalui konektor dan secara logis — melalui port (pengontrol).

Sistem interupsi (mekanisme) digunakan untuk antarmuka antara prosesor dan perangkat eksternal.

Sistem interupsi

Ini adalah mekanisme khusus yang memungkinkan kapan saja, melalui sinyal eksternal, untuk memaksa prosesor menghentikan eksekusi program utama, melakukan operasi yang terkait dengan peristiwa yang menyebabkan gangguan, dan kemudian kembali ke eksekusi program utama. .

Setiap mikroprosesor memiliki setidaknya satu masukan permintaan interupsi INT (dari kata Interrupt).

Mari pertimbangkan contoh interaksi prosesor komputer pribadi dengan keyboard (Gambar 4).

Keyboard — perangkat untuk memasukkan informasi simbolik dan perintah kontrol. Untuk menghubungkan keyboard, komputer memiliki port (chip) keyboard khusus.

Gambar 4 — Operasi CPU dengan keyboard

Algoritma kerja:

1) Saat tombol ditekan, pengontrol keyboard menghasilkan kode numerik. Sinyal ini masuk ke chip port keyboard.

2) Port keyboard mengirimkan sinyal interupsi ke CPU. Setiap perangkat eksternal memiliki nomor interupsi sendiri yang dikenali oleh prosesor.

3) Setelah menerima interupsi dari keyboard, prosesor menghentikan eksekusi program (misalnya, editor Microsoft Office Word) dan memuat program untuk memproses kode keyboard dari memori. Program semacam itu disebut driver.

4) Program ini mengarahkan prosesor ke port keyboard dan kode numerik dimuat ke dalam register prosesor.

5) Kode digital disimpan dalam memori dan prosesor terus melakukan tugas lainnya.

Karena kecepatan operasi yang tinggi, prosesor mengeksekusi sejumlah besar proses secara bersamaan.