Класифікація мікропроцесорів (мп) і мікроконтролерів (мк). Основні поняття і визначення. Принципи побудови мікропроцесорної системи. Типова архітектура мікропроцесора.
Классификация микропроцессоров
По области применения определилось три направления развития микропроцессоров:
-микроконтроллеры
-универсальные микропроцессоры
-сигнальные микропроцессоры
По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров:
-Гарвардская архитектура
-Архитектура Фон-Неймана
Можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:
-Аккумуляторные микропроцессоры
-Микропроцессоры с регистрами общего назначения
В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти:
-Память программ
-Память данных
Классификация микроконтроллеров
В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:
-8-разрядные МК для встраиваемых приложений;
-16- и 32-разрядные МК;
-цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Понятия и определения
Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в противоположность реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).
Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.
Принципы построения микропроцессорных систем
Характерной чертой традиционной цифровой системы (Рис. 1) является то, что изменение алгоритмов возможна только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и / или связей между ними. Например, если нам потребуется дополнительная операция сложения, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на "жесткой логике".
Рис. 1. Электронная система.
Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее нужно проектировать и изготавливать заново.
Путь преодоления этого недостатка достаточно очевиден: нужно построить такую систему, которая может перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем введения в систему некоторой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (Рис. 2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.
Рис. 2. Программируемая (она же универсальная) электронная система.
Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально тяжелой задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще есть решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижение ее надежности, увеличение потребляемой мощности и т.д.
Архитектура микропроцессора
Микропроцессор или микрокомпьютер является практически законченной системой управления. Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных. В самом общем виде структурная схема микропроцессора может иметь следующий вид (рис. 3):
Рис. 3 Структурная схема микропроцессора
Центральный процессор (CPU) является обязательным узлом любого микропроцессорного устройства, его ядром. В его состав входит: арифметико-логическое устройство (АЛУ); регистр-аккумулятор; логические устройства управления и синхронизации; внутренняя шина.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические или логические операции над данными, представленными в двоичном или двоично-десятичном коде. Результат выполнения операции сохраняется в так называемом регистре-аккумуляторе.
Устройство управления и синхронизации применяется для управления другими узлами микропроцессора, обеспечивая выполнение необходимых задач в соответствии с программой, хранимой в ПЗУ.
Связь между различными элементами микропроцессора осуществляется с помощью внутренней шины. Шина — это группа проводников, используемых в качестве линии связи для передачи цифровой информации. В микропроцессоре имеется три основных вида шин: это шина данных, адресная шина и шина управления.
Шина данных обеспечивает передачу данных между узлами процессора. Адресная шина используется для передачи адреса ячейки памяти с целью получить данные из ПЗУ или ОЗУ. Шина управления используется для передачи управляющих сигналов от микропроцессора к другим элементам системы.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянной информации, которая вводится в него на этапе производства микропроцессора и не может быть изменена.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для временного хранения промежуточных данных. Микропроцессор в процессе работы может изменять эти данные. При выключении питания информация, хранимая временно в ОЗУ, не сохраняется.
Устройство ввода/вывода (интерфейс ввода/вывода) обеспечивает связь с периферийными устройствами — микросхемами, клавиатурой и др.