微处理器系统

几乎所有电子设备都使用微处理器系统是现代社会技术基础设施的最重要特征。电力、工业、交通、通讯系统都高度依赖计算机控制系统。微处理器系统嵌入在测量仪器、电气设备、照明装置等中。

所有这些都要求电气工程师至少了解微处理器技术的基础知识。

微处理器系统旨在自动化信息处理和控制各种过程。

术语“微处理器系统”非常广泛，包括诸如“电子计算机器(ECM)”、“控制计算机”、“计算机”等概念。

微处理器系统包括硬件或英文—硬件和软件（Software）—软件。

数字信息

微处理器系统处理数字信息，即一系列数字代码。

任何微处理器系统的核心都是一个只能接受二进制数（由 0 和 1 组成）的微处理器。二进制数是使用二进制数字系统编写的。比如在日常生活中我们使用十进制数制，就是用十个字符或数字来写数字，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。因此，在二进制系统中只有两个这样的符号（或数字）——0 和 1。

需要了解的是，数制只是书写数字的规则，选择何种制式将视易用性而定。选择二进制系统是因为它的简单性，这意味着数字设备的可靠性和技术实施的便利性。

考虑数字信息的度量单位：

一位（来自英语 «BInary digiT» — 二进制数字）只有两个值：0 或 1。您可以编码逻辑值 «yes» 或 «no»、状态 «on» 或 «off»、状态 «打开» «或» 关闭 «等等。

一组八位称为一个字节，例如 10010111。一个字节允许您编码 256 个值：00000000 — 0、11111111 — 255。

比特是信息的最小单位。

字节——信息处理的最小单位。字节 - 机器字的一部分，通常由 8 位组成，在计算机上存储、传输和处理过程中用作信息量的单位。一个字节用于表示字母、音节和特殊字符（通常占用所有 8 位）或十进制数字（每个 2 位在 1 个字节中）。

两个连续的字节称为一个字，4 个字节为双字，8 个字节为四字。

我们周围的几乎所有信息都是模拟的。因此，在信息进入处理器进行处理之前，会使用ADC（模数转换器）进行转换。此外，信息以某种格式编码，可以是数字的、逻辑的、文本的（符号的）、图形的、视频的等。

例如，使用 ASCII 代码表（来自英美信息交换标准代码）对文本信息进行编码。一个字符写在一个字节中，可以取256个值。图形信息被划分为点（像素），每个点的颜色和位置被水平和垂直编码。

除了二进制和十进制外，MS还使用十六进制，其中符号0 ... 9和A ... F用于写入数字。它的使用是由于一个字节由一个二位描述-digit 十六进制数，大大减少记录数字代码，使其更易读（11111111 — FF）。

表 1——在不同数制中书写数字

要确定数字的值（例如，数字 100 的值对于不同的数字系统可以是 42、10010、25616），在数字的末尾添加一个表示数字系统的拉丁字母：对于二进制数字，字母b，对于十六进制数 — h，对于十进制数 — d。没有附加名称的数字被认为是小数。

将数字从一种系统转换为另一种系统以及使用数字进行基本的算术和逻辑运算，您可以制作一个工程计算器（Windows 操作系统的标准应用程序）。

微处理器系统的结构

微处理器系统是基于执行信息处理和控制功能的微处理器（处理器）。构成微处理器系统的其余设备通过帮助处理器工作来为处理器服务。

用于创建微处理器系统的强制性设备是输入/输出端口和部分内存... 输入-输出端口通过提供处理信息和输出处理或控制操作的结果将处理器连接到外部世界。按键（键盘），各种传感器连接到输入端口；到输出端口——允许电气控制的设备：指示器、显示器、接触器、电磁阀、电动机等。

内存主要用于存储处理器运行所需的程序（或程序集）。程序是处理器理解的一系列命令，由人（通常是程序员）编写。

微处理器系统的结构如图1所示。在简化形式中，处理器由处理数字信息的算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）组成。

存储器通常包括只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），前者是非易失性的，用于长期存储信息（例如，程序），后者用于临时数据存储。

图 1——微处理器系统的结构

处理器、端口和内存通过总线相互通信。总线是一组功能统一的电线。一组系统总线称为系统内总线，其中有：

• DB数据总线（Data Bus），通过它在处理器、内存和端口之间交换数据；

• 地址总线AB（Address Bus），用于寻址处理器的内存单元和端口；

• 控制总线CB（Control Bus），一组线路，将各种控制信号从处理器传输到外部设备，反之亦然。

微处理器

微处理器——一种设计用于处理数字信息并控制该处理过程的软件控制设备，以一个（或多个）电子元件高度集成的集成电路的形式制成。

微处理器的特点是参数很多，因为它既是复杂的软件控制设备，又是电子设备（微电路）。因此，对于微处理器，处理器的外壳类型和指令集……微处理器的功能由微处理器体系结构的概念定义。

处理器名称中的前缀 «micro» 表示它是使用微米技术实现的。

图 2 — Intel Pentium 4 微处理器的外部视图

在操作期间，微处理器从存储器或输入端口读取程序命令并执行它们。每条命令的含义由处理器的指令集决定，指令集内置于微处理器的体系结构中，命令代码的执行表现为处理器内部元件执行某些微操作。

微处理器架构——这是它的逻辑组织；它根据构建微处理器系统所需功能的硬件和软件实现来定义微处理器的功能。

微处理器的主要特点：

1) 时钟频率（测量单位 MHz 或 GHz）——1 秒内的时钟脉冲数。时钟脉冲由通常位于处理器内部的时钟发生器生成。因为所有的操作（指令）都是在时钟周期内执行的，那么工作性能（单位时间内执行的操作数）就取决于时钟频率。处理器频率可能会在一定范围内变化。

2) 位处理器（8、16、32、64 位等）——指定在一个时钟周期内处理的数据字节数。处理器的位宽由其内部寄存器的位宽决定。处理器可以是 8 位、16 位、32 位、64 位等，即。数据以 1、2、4、8 字节的块进行处理。很明显，钻头深度越大，工作效率越高。

微处理器的内部结构

一个典型的8位微处理器的简化内部结构如图3所示。微处理器的结构可以分为三个主要部分：

1）暂存命令、数据和地址的寄存器；

2）算术逻辑单元（ALU），执行算术和逻辑运算；

3）控制和定时电路——提供命令选择，组织ALU的运行，提供对所有微处理器寄存器的访问，感知并产生外部控制信号。

图 3 — 8 位微处理器的简化内部架构

从图中可以看出，处理器是基于寄存器的，分为特殊（具有特定用途）和通用寄存器。

程序计数器（计算机）——包含下一个命令字节地址的寄存器。处理器需要知道接下来将执行哪个命令。

Battery——在大多数逻辑和算术处理指令中使用的寄存器；它既是 ALU 运算所需数据字节之一的来源，也是放置 ALU 运算结果的地方。

功能寄存器（或标志寄存器）包含有关微处理器内部状态的信息，特别是最后一次 ALU 运算的结果。标志寄存器不是通常意义上的寄存器，而只是一组触发器（标志向上或向下。通常有零，溢出，负和进位标志）。

堆栈指针 (SP) — 跟踪堆栈的位置，即它包含最后使用的单元格的地址。 Stack——一种组织数据存储的方式。

命令寄存器包含由命令解码器解码的当前命令字节。

外部总线通过缓冲器与内部总线隔离，主要内部元件通过高速内部数据总线连接。

为了提高多处理器系统的性能，可以将中央处理器的功能分配给多个处理器。为了帮助中央处理器，计算机经常引入协处理器，专注于高效执行任何特定功能。广泛使用的数学和图形协处理器、输入和输出从与外部设备交互的简单但大量的操​​作中卸载中央处理器。

现阶段提高生产力的主要方向是发展多核处理器，即在一种情况下组合两个或多个处理器以并行（同时）执行多个操作。

英特尔和 AMD 是设计和制造处理器的领先公司。

微处理器系统算法

算法——一种精确的处方，它独特地设置了将初始信息转换为一系列操作的过程，这些操作允许解决一组特定类别的任务并获得所需的结果。

整个微处理器系统的主要控制元件是处理器……除少数特殊情况外，它控制所有其他设备。其余的设备，如RAM、ROM和I/O端口，都是从属的。

一旦打开，处理器就开始从为存储程序而保留的内存区域读取数字代码。从第一个单元格开始，逐个单元格地依次读取。单元包含数据、地址和命令。指令是微处理器可以执行的基本操作之一。微处理器的所有工作都简化为顺序读取和执行命令。

考虑微处理器在执行程序命令期间的动作顺序：

1）在执行下一条指令之前，微处理器将其地址存储在计算机程序计数器中。

2) MP 访问计算机中包含的地址处的内存，并从内存中读取命令寄存器中下一条命令的第一个字节。

3）命令译码器译码（解密）命令码。

4) 控制单元根据从译码器接收到的信息，生成执行命令指令的时序微操作序列，包括：

— 从寄存器和内存中检索操作数；

— 按照命令代码的规定对它们执行算术、逻辑或其他运算；

— 根据命令的长度，更改计算机的内容；

— 将控制转移到下一个命令，其地址再次出现在计算机程序计数器中。

微处理器的指令集可分为三组：

1）移动数据的命令

传输发生在内存、处理器、I/O端口（每个端口都有自己的地址）、处理器寄存器之间。

2）数据转换命令

所有数据（文本、图片、视频等）都是数字，只能对数字进行算术和逻辑运算。因此，本组的命令包括加法、减法、比较、逻辑运算等。

3）控制命令的传递

程序很少由单个顺序指令组成。大多数算法都需要程序分支。为了使程序根据任何条件改变其工作算法，使用控制转移命令。这些命令确保程序沿着不同的路径执行并组织循环。

外部设备

外部设备包括处理器外部的所有设备（RAM 除外），并通过 I/O 端口连接。外部设备可分为三组：

1）人机通讯设备（键盘、显示器、打印机等）；

2）与控制对象（传感器、执行器、ADC和DAC）通信的设备；

3）大容量外接存储设备（硬盘、软盘）。

外部设备通过连接器在物理上连接到微处理器系统，通过端口（控制器）在逻辑上连接到微处理器系统。

中断系统（机制）用于连接处理器和外部设备。

中断系统

这是一种特殊的机制，允许在任何时候通过外部信号强制处理器停止主程序的执行，执行与引起中断的事件相关的操作，然后返回到主程序的执行.

每个微处理器至少有一个中断请求输入 INT（来自中断一词）。

让我们考虑一个个人计算机处理器与键盘交互的示例（图 4）。

键盘——输入符号信息和控制命令的设备。为了连接键盘，计算机有一个特殊的键盘端口（芯片）。

图 4 — 使用键盘的 CPU 操作

工作算法：

1) 当一个键被按下时，键盘控制器产生一个数字代码。该信号进入键盘端口芯片。

2）键盘口向CPU发送中断信号。每个外部设备都有自己的中断号，处理器可以通过该中断号识别它。

3）处理器接收到键盘中断后，中断程序（如Microsoft Office Word编辑器）的执行，从内存中加载处理键盘代码的程序。这样的程序称为驱动程序。

4) 该程序将处理器指向键盘端口，并将数字代码加载到处理器寄存器中。

5) 数字代码存储在内存中，处理器继续执行另一项任务。

由于运行速度快，处理器同时执行大量进程。