НТУ «Днепровская политехника» — соответствие Времени

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ.
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ


  • Как передавать, хранить и обрабатывать информацию?
  • Что такое «бит» и «байт»?
  • Из каких «кирпичиков» состоят компьютеры?
  • Что такое постоянная и оперативная память? Как функционируют «ROM» и «RAM»?
  • Что такое «триггер» и «регистр»?
  • Что такое «шина»? Какие бывают шины?
  • Как работает арифметико-логическое устройство? Какие бывают логические операции?
  • Что такое микропроцессор?
  • Как выглядит архитектура микропроцессорной системы?

Если вы интересуетесь новейшими технологиями и мечтаете получить современную инженерную специальность, вам непременно придется иметь дело с компьютерами (микропроцессорными системами). Инженерная деятельность любого направления невозможна без применения информационных технологий. Поэтому вам придется использовать, а возможно программировать и даже разрабатывать микропроцессорные системы. Если вы не смогли ответить на поставленные выше вопросы, эта статья доступным языком с помощью анимированных иллюстраций позволит вам уменьшить пробелы в своих знаниях.

Любой компьютер – это машина для обработки информации, независимо от того, какую конкретно задачу он решает. Вы можете играть в компьютерную игру, просматривать 3D фильм, создавать музыкальную композицию или анимационный фильм (мультфильм), можете программировать, писать реферат или общаться с другом, компьютер при этом делает лишь одно – обрабатывает информацию.

Чтобы сделать компьютер, нужно научиться передавать, хранить та обрабатывать информацию.

Наименьший объем информации, который можно представить – это бит (сокращение от “binary digit” – двоичная цифра). Бит дает возможность в данный конкретный момент времени реализовать одно из двух возможных состояний: “0” или “1”.

Для передачи одного бита информации достаточно собрать такую простую схему (рис. 1).

Схема для передачи одного бита информации
Рис. 1. Схема для передачи одного бита информации (анимация)

Если нажать кнопку, замкнется электрический контур, через лампочку потечет ток, и она загорится (будет светиться). Тем самым мы передаем одно из двух возможных состояний. Назовем это состояние «активным» или «единичным» (другие названия этого состояния: «1», «Истинна», «True», «On»).

Если кнопка НЕ нажата, цепь разомкнута, напряжение на лампочку НЕ поступает, ток НЕ протекает, лампа НЕ горит. Таким образом, мы передаем второе «неактивное» состояние (другие названия этого состояния: «0», «Ложь», «False», «Off»).

Схема (рис. 1) состоит из источника информации, приемника информации та линии связи. Информация передается по линии связи с помощью электрического сигнала. Но электрическое поле распространяется в пространстве со скоростью света, а действительная скорость передачи электрических сигналов в технических системах намного меньше. Таким образом, можно сделать два вывода:

  1. Для передачи информации в пространстве из точки А в точку Б необходимо некоторое время, т. е. информацию невозможно передавать мгновенно.
  2. За некоторое время по линии связи возможно передать лишь ограниченный объем информации.

Эти два естественные ограничения являются непреодолимыми для классической вычислительной техники. (Следует отметить, что вместе с другими недостатками современных компьютерных систем, эти ограничения толкают ученых и инженеров к разработке принципиально новых систем, которые в чем-то «копируют» нервные системы и мозг биологических прототипов – животных и человека. Но это тема отдельной статьи).

Источник информации обязательно имеет в своем составе источник энергии (в нашей схеме – это условно гальванический элемент или «батарейка»). Именно источник энергии придает сигналу ту энергию, которая передается в пространстве (к сожалению, с потерями) и должна воздействовать на приемник информации. Вот почему любой компьютер (и не только компьютер, но и мозг биологического существа) требует питания и выделяет тепло, нагревается.

Кстати, информацию можно передавать также и с помощью пневматических или гидравлических сигналов («1» – есть давление, «0» – нет давления), с помощью механики («1» – поднять рычаг, «0» – опустить рычаг) и другими способами (например, гидроусилитель автомобиля – это система для передачи информации в одном направлении: от руля к колесам машины). Однако по техническим причинам реализация электронных устройств для передачи и обработки информации является наиболее простой и удачной.

Но вернемся к электрическим схемам. Схема, приведенная на рис. 2, позволяет в любой конкретный момент времени передать 8 бит информации (а это уже 1 байт).

Схема для передачи 8 ми бит (1 го байта) информации
Рис. 2. Схема для передачи 8 ми бит (1 го байта) информации (анимация)

Если нажать все кнопки сразу, загорятся все 8 ламп, тем самым мы передаем 8 логических единиц. Если же не нажимать ни одной кнопки – мы передадим 8 логических нулей. Это так называемая 8 разрядная схема. Можно нажимать/отпускать кнопки в любой произвольной комбинации, т. е. передавать произвольную комбинацию нулей и единиц. Если рассматривать эти 8 разрядов не отдельно, а в совокупности, то мы получаем так называемое 8 разрядное двоичное число (двоичное, потому что каждый разряд может принимать одно из двух значений: «0» или «1»).

Всего можно передать этим способом 256 различных комбинаций нулей и единиц.

Если каждой комбинации сопоставить знак (букву или цифру, или же музыкальную ноту) либо цвет, то с помощью схемы (рис. 2) можно передавать тексты, музыку, изображения (визуальные картины) и вообще – информацию любого рода (анимация).

Восемь проводов между кнопками и лампами составляют так называемую «шину данных», по которой передается «полезная» информация, т. е. именно та информация, ради которой и разрабатывали всю эту систему. Существуют также понятия «шина адреса» и «шина управления». Это вспомогательные шины в микропроцессорных и компьютерных системах. По шине адреса передается (также в двоичном формате) адрес того устройства в системе, которому предназначена передаваемая «полезная» информация. По шине управления передаются команды, указывающие, что с этой информацией делать.

Шина данных – это классическое почтовое отправление: письмо, которое мы пишем другу и вкладываем в конверт (в письме мы передаем «полезную» информацию, то, что мы хотим сообщить адресату). Шина адреса – это конверт, на котором мы указываем адрес получателя. А шина управления – это почтовая марка, без которой письмо не дойдет до адресата. Нельзя сказать, что адрес на конверте и ценник на марке – это «бесполезная» информация. Но в почтовом отправлении главное – письмо, а не конверт.

Если все провода шины данных, шины адреса и шины управления связать в один жгут, то получим «системную шину».

И еще одна деталь. На рис. 2 кроме 8 ми проводов между кнопками и лампами есть еще и девятый провод, необходимый лишь для того, чтобы замкнуть контур (электрическую цепь). Этот провод общий для всей схемы, поэтому его так и называют: «общий провод».

Первая схема (рис. 1) дает возможность передать «черно-белую» картину мира (только две комбинации). Вторая схема (рис. 2) дает «цветную» картину (256 комбинаций сигналов). Перейдя от первой схемы ко второй, мы увеличили количество аппаратных ресурсов (кнопок, ламп, проводников, мощность источника питания) в восемь раз. А число «цветов» (т. е. комбинаций сигналов) увеличилось в 128 раз. Если же взять 16 разрядную схему, то количество возможных комбинаций будет составлять 65535, т. е. увеличится еще в 256 раз. Таким образом, количество комбинаций возрастает быстрее, чем затраты аппаратных ресурсов компьютерных систем. Вот почему разрядность микропроцессоров и компьютеров постоянно наращивается (см. статью «История возникновения и развития микропроцессорных средств автоматизации»).

Итак, мы научились передавать информацию. Но еще необходимо уметь ее хранить и обрабатывать. Для хранения информации используют устройства памяти или «запоминающие устройства».

Простейшее электронное запоминающее устройство – это конденсатор (рис. 3). Если присоединить конденсатор к источнику питания постоянного тока (например, к «батарейке»), он зарядится. Если отсоединить конденсатор от источника, он останется заряженным. Тем самым мы «записали» в это запоминающее устройство логическую единицу («1» или «Истина»). Далее мы можем с помощью вольтметра или гальванометра проверить состояние конденсатора и убедиться в том, что он заряжен. Так мы «считываем» логическую единицу, которую записали ранее, из этого устройства памяти.

Оперативная память емкостью 1 бит на основе конденсатора
Рис. 3. Оперативная память емкостью 1 бит на основе конденсатора (анимация)

Если обычным металлическим проводом соединить (закоротить) две обкладки конденсатора, то он разрядится. Тем самым мы записали в память логический ноль («0» или «Ложь»). В любой последующий момент времени можно с помощью вольтметра или гальванометра проверить заряд конденсатора и убедиться, что конденсатор разряжен, т. е. «считать» из памяти логический ноль, который был туда ранее записан.

Причем «записывать» информацию в конденсатор (заряжать или разряжать его) может один человек, а считывать (измерять напряжение на обкладках) – совершенно другой.

Следовательно, конденсатор – это устройство памяти емкостью в один бит (дает возможность сохранять одно из двух состояний: «0» или «1»).

Следует отметить, что заряженный конденсатор со временем разряжается, теряет заряд, даже если его не трогать. Т. е. через некоторое время «1», которая была записана ранее, будет потеряна. Поэтому информацию в конденсаторе следует регулярно «регенерировать», обновлять по такому алгоритму:

  1. Измерить напряжение на конденсаторе.
  2. Если напряжение есть (записана «1»), то дозарядить конденсатор.
  3. Если напряжения нет (записан «0»), то ничего не делать.

Устройства памяти, которые исполняются на конденсаторах (в том числе в микроэлектронике), называются «Оперативное Запоминающее Устройство», «ОЗУ».

Как говорят специалисты – это память с произвольным доступом (с «доступом для записи» и «доступом для чтения»). Иными словами в память такого типа можно неограниченное число раз записывать новую информацию и считывать ее. Поэтому англоязычные специалисты называют такой тип памяти «Random Access Memory» або «RAM».

Итак, зная физический принцип реализации устройств оперативной памяти, можно сделать выводы относительно их свойств:

  1. Эта память называется «ОЗУ» или «RAM».
  2. Это память с произвольным доступом для записи и для чтения (неограниченное количество циклов записи).
  3. Это быстрая («оперативная» – значит быстрая) память (конденсаторы маленькой емкости можно очень быстро заряжать и разряжать).
  4. Она требует постоянного питания для регенерации информации (потому что конденсаторы со временем саморазряжаются). Следовательно – это энергозависимая память (при сбое питания записанная информация теряется).

Еще один возможный способ хранения информации – с помощью элементов, которые можно разрушать, например, с помощью перемычек.

Представьте себе устройство (рис. 4), состоящее из деревянной дощечки (изоляционной основы), в которую вбиты пары гвоздиков, соединенных между собой проволочными перемычками. Условимся так: если перемычка цела, то в этот разряд записана логическая единица, если же перемычку разрушить (например, сжечь, приложив высокое напряжение), то в этот разряд записан ноль. Как определить состояние перемычки (цела или разрушена)? С помощью тестера, т. е., пропустив через нее электрический ток (протекает или нет).

Постоянная память емкостью 4 бита на основе перемычек
Рис. 4. Постоянная память емкостью 4 бита на основе перемычек

Одна пара гвоздиков с одной перемычкой дает возможность записать один бит информации, восемь перемычек – один байт.

Устройства памяти, в которых реализован описанный способ хранения данных, называют «Постоянными Запоминающими Устройствами», «ПЗУ».

Понятно, что разрушенную перемычку невозможно восстановить (по крайней мере, без механического вмешательства). Поэтому информацию в устройство такого рода можно записать лишь один раз. Вот почему англоязычные специалисты называют память такого типа «Read Only Memory», «ROM», что в переводе обозначает «память только для чтения». Записать информацию в нее можно лишь один раз, а считывать – сколько угодно. Еще одно возможное название такой памяти – «One Time Programmable Memory» или «OTP» – однократно программируемая память.

К тому же для записи информации в постоянную память в общем случае необходимо специальное устройство – программатор, который короткими импульсами тока при повышенном напряжении «пережигает» перемычки в тех разрядах, в которые следует записать «0».

И еще одна техническая деталь. Если на заводе-изготовителе заранее известно, какие перемычки нужно оставить, а какие разрушить (т. е. заранее известна информация, которую необходимо записать в устройство памяти), то это можно сделать на этапе изготовления устройства. В тех разрядах, где нужно иметь логическую единицу, поставить перемычки, а в тех разрядах, где необходимо иметь логический ноль – просто не ставить их. Такой тип устройства называют «масочное ПЗУ» по названию технологии, при которой содержимое памяти задается специальной маской на этапе изготовления.

Ознакомившись с физикой реализации устройств постоянной памяти, можно определить их классические особенности:

  1. Эта память называется «ПЗУ» или «ROM».
  2. Это память с доступом только для чтения (записать можно один раз, считывать – сколько угодно). Для записи данных в общем случае необходим специальный программатор.
  3. Это быстрая память (хотя ее НЕ называют «оперативной»).
  4. Это энергоНЕзависимая память (эти устройства не требуют питания для хранения данных, а только для вспомогательных функций во время считывания информации). При сбое питания информация не теряется.

В микропроцессорных системах устройства постоянной памяти (ПЗУ, ROM) обычно используют для хранения программ, табличных данных (например, таблиц кодов символов для знакогенератора дисплея), констант (например, коэффициентов регуляторов), и т. п. А оперативная память (ОЗУ, RAM) используется для хранения текущих технологических данных, данных пользователя, а также программ, которые дозагружаются из других устройств (например, с жестких дисков).

Конечно, это упрощенная картина. Типов памяти и особенностей построения запоминающих устройств и их использования намного больше.

В частности, одно из важнейших микроэлектронных устройств для хранения данных – это регистр. Регистр (рис. 5) строится на триггерах – транзисторных элементах, способных запоминать и сохранять один бит данных. Если использовать 8 триггеров одновременно, получим 8 разрядный параллельный регистр, с помощью которого можно хранить 1 байт (8 бит) данных. С точки зрения пользователя регистр – это элемент памяти, похожий на элемент ОЗУ (оперативной памяти). Но, если каждый элемент памяти компьютера имеет свой адрес, задаваемый числом, то каждый регистр в общем случае имеет свое собственное имя (например, «A», «B» или «PSW», и т.п.).

Структурная схема регистра емкостью 4 бита
Рис. 5. Структурная схема регистра емкостью 4 бита

Итак, теперь мы умеем передавать и хранить информацию. А как ее обрабатывать?

Как мы уже знаем, любую информацию можно представить в виде массивов чисел (нулей и единиц). Следовательно, обработка информации заключается в выполнении арифметических и логических операций над этими числами.

Основные арифметические операции известны нам со школьной скамьи:

  1. Сложение;
  2. Вычитание (операция, обратная сложению);
  3. Умножение (многократное сложение);
  4. Деление (операция, обратная умножению).

Любые сложные методы обработки информации раскладывают и сводят к этим четырем операциям. Например, вычисление тригонометрических функций можно с помощью математических рядов свести к последовательному выполнению базовых арифметических операций.

Основные логические операции:

  1. Логическое сложение («дизъюнкция» или «OR»);
  2. Логическое умножение («конъюнкция» или «AND»);
  3. Логическое отрицание («инверсия» или «NOT»).

На рис. 6 приведены электрические схемы, реализующие основные логические операции. Таблицы истинности иллюстрируют состояние выходных сигналов (на лампах) в зависимости от комбинации сигналов на входах (кнопках). Если вы желаете лучше разобраться, в чем состоит суть логических операций, воспользуйтесь демонстрационной программой «Логические операции».

Основные логические операции
Рис. 6. Основные логические операции

Для выполнения арифметических и логических операций над числами, представленными в двоичном формате (логическими нулями и единицами), в электронике используют так называемые «Арифметико-Логическое Устройство» или «АЛУ». В англоязычной среде это устройство называется «Arithmetic Logic Unit» или «ALU». Следует отметить, что арифметико-логическое устройство является основой любого микропроцессора или микроконтроллера. Структурная схема АЛУ приведена на рис. 7. Два числа «X1» и «X2» (операнды) подаются на вычислительные входы, а на выходе имеем результат «Y» арифметического или логического действия.

Арифметико-логическое устройство
Рис. 7. Арифметико-логическое устройство (анімація)

Для того, чтобы обеспечить функционирование арифметико-логического устройства, необходимо добавить регистры, в которых будут храниться исходные операнды «X1», «X2» и результат вычислений «Y». Также необходимо добавить вспомогательные схемы управления и синхронизации. В результате получим микропроцессор.

Микропроцессор – устройство для обработки информации, которое выполняет арифметические и логические операции и управляет процессами обмена информацией в соответствии с программой, записанной в виде машинного кода.

На основе микропроцессора можно построить классическую микропроцессорную систему (компьютер), см. рис. 8.

Трехшинная архитектура микропроцессорной системы (компьютера)
Рис. 8. Трехшинная архитектура микропроцессорной системы (компьютера)

Подробно изучить работу микропроцессорных систем, научиться разрабатывать и программировать прикладные мини-компьютеры для задач автоматизации можно на кафедре электропривода Национального горного университета (г. Днепропетровск).

Перечень программ:

  • Что такое Бит, как передать один бит информации.
  • Что такое Байт и 8-ми разрядная шина. Как в двоичном коде кодируются цвета и символы.
  • Что такое Логические операции: Инверсия, Логическое сложение, Логическое умножение.

  • Текст, ілюстрації: Яланский А.А.


    Скачать эту статью в формате pdf (0.9КБ)



    Система Orphus
    © 2006-2018 Інформація про сайт