hệ thống vi xử lý

Việc sử dụng các hệ thống vi xử lý trong hầu hết các thiết bị điện là tính năng quan trọng nhất của cơ sở hạ tầng kỹ thuật của xã hội hiện đại. Hệ thống điện, công nghiệp, giao thông, thông tin liên lạc phụ thuộc nhiều vào hệ thống điều khiển máy tính. Các hệ thống vi xử lý được nhúng trong các dụng cụ đo lường, thiết bị điện, hệ thống chiếu sáng, v.v.

Tất cả điều này yêu cầu kỹ sư điện ít nhất phải biết những kiến ​​​​thức cơ bản về công nghệ vi xử lý.

Các hệ thống vi xử lý được thiết kế để tự động hóa quá trình xử lý thông tin và kiểm soát các quy trình khác nhau.

Thuật ngữ "hệ thống vi xử lý" rất rộng và bao gồm các khái niệm như "máy tính điện tử (ECM)", "máy tính điều khiển", "máy tính" và các khái niệm khác.

Hệ thống vi xử lý bao gồm Phần cứng hay theo tiếng Anh—hardware và software (Phần mềm)—phần mềm.

thông tin số

Hệ thống vi xử lý hoạt động với thông tin kỹ thuật số, là một chuỗi mã số.

Cốt lõi của bất kỳ hệ thống vi xử lý nào là một bộ vi xử lý chỉ có thể chấp nhận các số nhị phân (được tạo thành từ 0 và 1).Số nhị phân được viết bằng hệ thống số nhị phân. Ví dụ: trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta sử dụng hệ thống số thập phân sử dụng mười ký tự hoặc chữ số để viết các số, 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Theo đó, trong hệ thống nhị phân chỉ có hai ký hiệu (hoặc chữ số) như vậy — 0 và 1.

Cần phải hiểu rằng hệ thống số chỉ là các quy tắc để viết số và việc lựa chọn loại hệ thống sẽ được xác định bởi mức độ dễ sử dụng. Sự lựa chọn của một hệ thống nhị phân là do tính đơn giản của nó, có nghĩa là độ tin cậy của các thiết bị kỹ thuật số và sự dễ dàng triển khai kỹ thuật của chúng.

Xem xét các đơn vị đo lường thông tin kỹ thuật số:

Một bit (từ tiếng Anh «BInary digiT» — chữ số nhị phân) chỉ nhận hai giá trị: 0 hoặc 1. Bạn có thể mã hóa giá trị logic «có» hoặc «không», trạng thái «bật» hoặc «tắt», trạng thái « mở» «hoặc» đóng «v.v.

Một nhóm tám bit được gọi là byte, ví dụ 10010111. Một byte cho phép bạn mã hóa 256 giá trị: 00000000 — 0, 11111111 — 255.

Một bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất.

Byte — đơn vị xử lý thông tin nhỏ nhất. Byte - một phần của từ máy, thường bao gồm 8 bit và được sử dụng làm đơn vị cho lượng thông tin trong quá trình lưu trữ, truyền và xử lý trên máy tính. Một byte dùng để biểu diễn các chữ cái, âm tiết và ký tự đặc biệt (thường chiếm tất cả 8 bit) hoặc chữ số thập phân (mỗi chữ số 2 trong 1 byte).

Hai byte liền nhau được gọi là một từ, 4 byte là một từ kép, 8 byte là một từ tứ.

Hầu như tất cả các thông tin bao quanh chúng ta là tương tự. Do đó, trước khi thông tin đi vào bộ xử lý để xử lý, nó được chuyển đổi bằng ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số).Ngoài ra, thông tin được mã hóa theo một định dạng nhất định và có thể là kỹ thuật số, logic, văn bản (ký hiệu), đồ họa, video, v.v.

Ví dụ: một bảng mã ASCII (từ Mã tiêu chuẩn Anh Mỹ để trao đổi thông tin) được sử dụng để mã hóa thông tin văn bản. Một ký tự được viết bằng một byte, có thể nhận 256 giá trị. Thông tin đồ họa được chia thành các chấm (pixel), màu sắc và vị trí của mỗi chấm được mã hóa theo chiều ngang và chiều dọc.

Ngoài các hệ thống nhị phân và thập phân, MS sử dụng hệ thống thập lục phân trong đó các ký hiệu 0 ... 9 và A ... F được sử dụng để viết số. Việc sử dụng nó là do một byte được mô tả bằng hai -số thập lục phân, giúp giảm đáng kể việc ghi lại mã số và làm cho nó dễ đọc hơn (11111111 — FF).

Bảng 1 - Viết số trong các hệ thống số khác nhau

Để xác định giá trị của số (ví dụ: giá trị của số 100 đối với các hệ thống số khác nhau có thể là 42, 10010, 25616), ở cuối số, hãy thêm một chữ cái Latinh biểu thị hệ thống số: đối với các số nhị phân, chữ cái b, đối với số thập lục phân — h , đối với số thập phân — d. Một số không có chỉ định bổ sung được coi là số thập phân.

Chuyển đổi số từ hệ thống này sang hệ thống khác và các phép toán logic và số học cơ bản với các số cho phép bạn tạo một máy tính kỹ thuật (ứng dụng tiêu chuẩn của hệ điều hành Windows).

Cấu trúc của một hệ thống vi xử lý

Hệ thống vi xử lý dựa trên bộ vi xử lý (bộ xử lý) thực hiện các chức năng xử lý và điều khiển thông tin. Phần còn lại của các thiết bị tạo nên hệ thống vi xử lý phục vụ bộ xử lý bằng cách giúp nó hoạt động.

Các thiết bị bắt buộc để tạo nên một hệ thống vi xử lý là các cổng vào/ra và một phần bộ nhớ... Các cổng vào - ra kết nối bộ xử lý với thế giới bên ngoài bằng cách cung cấp thông tin cho quá trình xử lý và xuất kết quả của các thao tác xử lý hoặc điều khiển. Các nút (bàn phím), các cảm biến khác nhau được kết nối với các cổng đầu vào; đến các cổng đầu ra — các thiết bị cho phép điều khiển điện: đèn báo, màn hình, công tắc tơ, van điện từ, động cơ điện, v.v.

Bộ nhớ chủ yếu cần thiết để lưu trữ một chương trình (hoặc bộ chương trình) cần thiết để bộ xử lý hoạt động. Chương trình là một chuỗi các lệnh mà bộ xử lý hiểu được, được viết bởi con người (thường là lập trình viên).

Cấu trúc của một hệ thống vi xử lý được thể hiện trong Hình 1. Ở dạng đơn giản hóa, bộ xử lý bao gồm một đơn vị logic số học (ALU) xử lý thông tin kỹ thuật số và một đơn vị điều khiển (CU).

Bộ nhớ thường bao gồm bộ nhớ chỉ đọc (ROM), không thay đổi và dành cho lưu trữ thông tin lâu dài (ví dụ: chương trình) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), dành cho lưu trữ dữ liệu tạm thời.

Hình 1 - Cấu trúc của hệ thống vi xử lý

Bộ xử lý, các cổng và bộ nhớ giao tiếp với nhau thông qua các bus. Bus là một tập hợp các dây được thống nhất về mặt chức năng. Một tập hợp các bus hệ thống được gọi là bus nội hệ thống, trong đó có:

• Bus dữ liệu DB (Data Bus), qua đó dữ liệu được trao đổi giữa bộ xử lý, bộ nhớ và các cổng;

• bus địa chỉ AB (Address Bus), dùng để định địa chỉ cho các ô nhớ và các cổng của bộ vi xử lý;

• Bus điều khiển CB (Control Bus), một tập hợp các đường truyền các tín hiệu điều khiển khác nhau từ bộ xử lý đến các thiết bị bên ngoài và ngược lại.

bộ vi xử lý

Bộ vi xử lý — một thiết bị điều khiển bằng phần mềm được thiết kế để xử lý thông tin kỹ thuật số và điều khiển quá trình xử lý này, được chế tạo dưới dạng một (hoặc một số) mạch tích hợp với mức độ tích hợp cao của các phần tử điện tử.

Một bộ vi xử lý được đặc trưng bởi một số lượng lớn các tham số, vì nó vừa là một thiết bị được điều khiển bằng phần mềm phức tạp vừa là một thiết bị điện tử (vi mạch). Do đó, đối với bộ vi xử lý, cả loại vỏ và tập lệnh cho bộ xử lý… Các khả năng của bộ vi xử lý được xác định bởi khái niệm kiến ​​trúc bộ vi xử lý.

Tiền tố «micro» trong tên của bộ xử lý có nghĩa là nó được triển khai bằng công nghệ micron.

Hình 2 - Hình ảnh bên ngoài của bộ vi xử lý Intel Pentium 4

Trong quá trình hoạt động, bộ vi xử lý đọc các lệnh chương trình từ bộ nhớ hoặc cổng đầu vào và thực hiện chúng. Ý nghĩa của mỗi lệnh được xác định bởi tập lệnh của bộ xử lý. Tập lệnh được tích hợp vào kiến ​​trúc của bộ vi xử lý và việc thực thi mã lệnh được thể hiện trong việc thực hiện các hoạt động vi mô nhất định bởi các thành phần bên trong của bộ xử lý.

Kiến trúc bộ vi xử lý — đây là tổ chức hợp lý của nó; nó xác định các khả năng của bộ vi xử lý về phần cứng và phần mềm thực hiện các chức năng cần thiết để xây dựng một hệ thống vi xử lý.

Các đặc điểm chính của bộ vi xử lý:

1) Tần số xung nhịp (đơn vị đo MHz hoặc GHz) — số xung nhịp trong 1 giây.Các xung đồng hồ được tạo ra bởi một bộ tạo xung nhịp, thường được đặt bên trong bộ xử lý. Bởi vì tất cả các hoạt động (lệnh) được thực hiện trong chu kỳ xung nhịp, nên hiệu suất công việc (số lượng hoạt động được thực hiện trên một đơn vị thời gian) phụ thuộc vào tần số xung nhịp. Tần số bộ xử lý có thể thay đổi trong một số giới hạn nhất định.

2) Bộ xử lý bit (8, 16, 32, 64 bit, v.v.) — chỉ định số byte dữ liệu được xử lý trong một chu kỳ xung nhịp. Độ rộng bit của bộ xử lý được xác định bởi độ rộng bit của các thanh ghi bên trong của nó. Bộ xử lý có thể là 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit, v.v. dữ liệu được xử lý theo khối 1, 2, 4, 8 byte. Rõ ràng là độ sâu bit càng lớn thì năng suất làm việc càng cao.

Kiến trúc bên trong của bộ vi xử lý

Kiến trúc bên trong đơn giản hóa của bộ vi xử lý 8 bit điển hình được thể hiện trong Hình 3. Cấu trúc của bộ vi xử lý có thể được chia thành ba phần chính:

1) Thanh ghi lưu trữ tạm thời các lệnh, dữ liệu và địa chỉ;

2) Đơn vị logic số học (ALU) thực hiện các phép toán số học và logic;

3) Mạch điều khiển và thời gian — cung cấp lựa chọn lệnh, tổ chức hoạt động của ALU, cung cấp quyền truy cập vào tất cả các thanh ghi của bộ vi xử lý, nhận biết và tạo tín hiệu điều khiển bên ngoài.

Hình 3 - Kiến trúc bên trong đơn giản hóa của bộ vi xử lý 8 bit

Như bạn có thể thấy từ sơ đồ, bộ xử lý dựa trên các thanh ghi, được chia thành các thanh ghi đặc biệt (với mục đích cụ thể) và mục đích chung.

Bộ đếm chương trình (máy tính) — một thanh ghi chứa địa chỉ của byte lệnh tiếp theo. Bộ xử lý cần biết lệnh nào sẽ được thực hiện tiếp theo.

Pin — một thanh ghi được sử dụng trong phần lớn các hướng dẫn xử lý logic và số học; nó vừa là nguồn của một trong các byte dữ liệu cần thiết cho hoạt động của ALU vừa là nơi đặt kết quả của hoạt động ALU.

Thanh ghi chức năng (hoặc thanh ghi cờ) chứa thông tin về trạng thái bên trong của bộ vi xử lý, cụ thể là kết quả của hoạt động ALU cuối cùng. Một thanh ghi cờ không phải là một thanh ghi theo nghĩa thông thường, mà chỉ đơn giản là một tập hợp các flip flop (cờ lên hoặc xuống. Thường có các cờ 0, tràn, âm và mang).

Con trỏ ngăn xếp (SP) — theo dõi vị trí của ngăn xếp, nghĩa là nó chứa địa chỉ của ô được sử dụng lần cuối. Ngăn xếp — một cách tổ chức lưu trữ dữ liệu.

Một thanh ghi lệnh chứa byte lệnh hiện tại được giải mã bởi bộ giải mã lệnh.

Các đường bus bên ngoài được cách ly với các đường bus bên trong bằng các bộ đệm và các thành phần chính bên trong được kết nối bằng một bus dữ liệu nội bộ tốc độ cao.

Để cải thiện hiệu suất của hệ thống đa bộ xử lý, các chức năng của bộ xử lý trung tâm có thể được phân phối giữa một số bộ xử lý. Để hỗ trợ bộ xử lý trung tâm, máy tính thường giới thiệu các bộ đồng xử lý, tập trung vào việc thực hiện hiệu quả bất kỳ chức năng cụ thể nào. Các bộ đồng xử lý đồ họa và toán học phổ biến, đầu vào và đầu ra giảm tải cho bộ xử lý trung tâm khỏi các hoạt động tương tác đơn giản nhưng nhiều hoạt động với các thiết bị bên ngoài.

Ở giai đoạn hiện tại, hướng chính để tăng năng suất là phát triển bộ xử lý đa lõi, tức là. kết hợp hai hoặc nhiều bộ xử lý trong một trường hợp để thực hiện một số thao tác song song (đồng thời).

Intel và AMD là những công ty hàng đầu về thiết kế và sản xuất bộ vi xử lý.

Thuật toán hệ thống vi xử lý

Thuật toán — một đơn thuốc chính xác thiết lập duy nhất quá trình chuyển đổi thông tin ban đầu thành một chuỗi các thao tác cho phép giải một tập hợp các nhiệm vụ của một lớp nhất định và thu được kết quả mong muốn.

Phần tử điều khiển chính của toàn bộ hệ thống vi xử lý là bộ xử lý... Nó, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt, điều khiển tất cả các thiết bị khác. Các thiết bị còn lại như RAM, ROM và cổng I/O là phụ.

Ngay khi được bật, bộ xử lý sẽ bắt đầu đọc mã kỹ thuật số từ vùng bộ nhớ dành riêng để lưu trữ chương trình. Việc đọc được thực hiện tuần tự từng ô, bắt đầu từ ô đầu tiên. Một ô chứa dữ liệu, địa chỉ và lệnh. Lệnh là một trong những hành động cơ bản mà bộ vi xử lý có thể thực hiện. Tất cả công việc của bộ vi xử lý được rút gọn thành việc đọc và thực hiện tuần tự các lệnh.

Xem xét chuỗi hành động của bộ vi xử lý trong quá trình thực hiện các lệnh của chương trình:

1) Trước khi thực hiện lệnh tiếp theo, bộ vi xử lý lưu địa chỉ của nó trong bộ đếm chương trình máy tính.

2) MP truy cập bộ nhớ tại địa chỉ có trong máy tính và đọc từ bộ nhớ byte đầu tiên của lệnh tiếp theo trong thanh ghi lệnh.

3) Bộ giải mã lệnh giải mã (giải mã) mã lệnh.

4) Theo thông tin nhận được từ bộ giải mã, bộ điều khiển tạo ra một chuỗi các hoạt động vi mô được sắp xếp theo thời gian để thực hiện các hướng dẫn lệnh, bao gồm:

— truy xuất toán hạng từ thanh ghi và bộ nhớ;

— thực hiện các phép toán số học, logic hoặc các phép toán khác trên chúng theo quy định của mã lệnh;

— tùy thuộc vào độ dài của lệnh, thay đổi nội dung của máy tính;

— chuyển điều khiển sang lệnh tiếp theo có địa chỉ lại nằm trong bộ đếm chương trình máy tính.

Tập lệnh cho bộ vi xử lý có thể được chia thành ba nhóm:

1) Các lệnh di chuyển dữ liệu

Việc chuyển giao diễn ra giữa bộ nhớ, bộ xử lý, các cổng I/O (mỗi cổng có một địa chỉ riêng), giữa các thanh ghi của bộ xử lý.

2) Các lệnh biến đổi dữ liệu

Tất cả dữ liệu (văn bản, hình ảnh, video, v.v.) đều là số và chỉ có thể thực hiện các phép toán số học và logic với các số. Vì vậy, các lệnh thuộc nhóm này bao gồm cộng, trừ, so sánh, các phép toán logic, v.v.

3) Truyền lệnh điều khiển

Rất hiếm khi một chương trình bao gồm một lệnh tuần tự duy nhất. Hầu hết các thuật toán đều yêu cầu phân nhánh chương trình. Để chương trình thay đổi thuật toán hoạt động của nó, tùy thuộc vào bất kỳ điều kiện nào, các lệnh chuyển điều khiển được sử dụng. Các lệnh này đảm bảo luồng thực thi chương trình dọc theo các đường dẫn khác nhau và tổ chức các vòng lặp.

thiết bị bên ngoài

Các thiết bị bên ngoài bao gồm tất cả các thiết bị bên ngoài bộ xử lý (ngoại trừ RAM) và được kết nối thông qua các cổng I/O. Các thiết bị bên ngoài có thể được phân loại thành ba nhóm:

1) thiết bị giao tiếp giữa người và máy tính (bàn phím, màn hình, máy in, v.v.);

2) thiết bị liên lạc với các đối tượng điều khiển (cảm biến, bộ truyền động, ADC và DAC);

3) Thiết bị lưu trữ ngoài có dung lượng lớn (đĩa cứng, đĩa mềm).

Các thiết bị bên ngoài được kết nối với hệ thống vi xử lý về mặt vật lý — thông qua các đầu nối và về mặt logic — thông qua các cổng (bộ điều khiển).

Một hệ thống ngắt (cơ chế) được sử dụng để giao tiếp giữa bộ xử lý và các thiết bị bên ngoài.

hệ thống ngắt

Đây là một cơ chế đặc biệt cho phép bất cứ lúc nào, thông qua tín hiệu bên ngoài, buộc bộ xử lý dừng thực thi chương trình chính, thực hiện các hoạt động liên quan đến sự kiện gây ra gián đoạn, sau đó quay lại thực hiện chương trình chính .

Mọi bộ vi xử lý đều có ít nhất một đầu vào yêu cầu ngắt INT (từ từ Ngắt).

Hãy xem xét một ví dụ về sự tương tác của bộ xử lý máy tính cá nhân với bàn phím (Hình 4).

Bàn phím — một thiết bị để nhập thông tin ký hiệu và các lệnh điều khiển. Để kết nối bàn phím, máy tính có một cổng bàn phím đặc biệt (chip).

Hình 4 - Hoạt động của CPU với bàn phím

Thuật toán làm việc:

1) Khi nhấn một phím, bộ điều khiển bàn phím sẽ tạo mã số. Tín hiệu này đi đến chip cổng bàn phím.

2) Cổng bàn phím gửi tín hiệu ngắt đến CPU. Mỗi thiết bị bên ngoài có số ngắt riêng mà bộ xử lý nhận ra nó.

3) Sau khi nhận được ngắt từ bàn phím, bộ xử lý sẽ ngắt quá trình thực thi chương trình (ví dụ: trình soạn thảo Microsoft Office Word) và tải chương trình xử lý mã bàn phím từ bộ nhớ. Một chương trình như vậy được gọi là trình điều khiển.

4) Chương trình này hướng bộ xử lý đến cổng bàn phím và mã số được tải vào thanh ghi bộ xử lý.

5) Mã số được lưu trong bộ nhớ và bộ xử lý tiếp tục thực hiện một tác vụ khác.

Do tốc độ hoạt động cao, bộ xử lý thực hiện đồng thời một số lượng lớn các quy trình.