أنظمة المعالجات الدقيقة

يعد استخدام أنظمة المعالجات الدقيقة في جميع الأجهزة الكهربائية تقريبًا أهم ميزة في البنية التحتية التقنية للمجتمع الحديث. تعتمد أنظمة الكهرباء والصناعة والنقل والاتصالات اعتمادًا كبيرًا على أنظمة التحكم في الكمبيوتر. يتم تضمين أنظمة المعالجات الدقيقة في أدوات القياس والأجهزة الكهربائية وتركيبات الإضاءة وما إلى ذلك.

كل هذا يلزم المهندس الكهربائي بمعرفة على الأقل أساسيات تقنية المعالجات الدقيقة.

تم تصميم أنظمة المعالجات الدقيقة لأتمتة معالجة المعلومات والتحكم في العمليات المختلفة.

مصطلح "نظام المعالجات الدقيقة" واسع جدًا ويتضمن مفاهيم مثل "آلة الحوسبة الإلكترونية (ECM)" و "التحكم في الكمبيوتر" و "الكمبيوتر" وغيرها.

يشتمل نظام المعالجات الدقيقة على الأجهزة أو باللغة الإنجليزية - الأجهزة والبرامج (البرامج) - البرامج.

المعلومات الرقمية

يعمل نظام المعالجات الدقيقة مع المعلومات الرقمية ، وهي عبارة عن سلسلة من الرموز الرقمية.

في جوهر أي نظام معالج دقيق يوجد معالج دقيق يمكنه فقط قبول الأرقام الثنائية (المكونة من 0 و 1).تتم كتابة الأرقام الثنائية باستخدام نظام الأرقام الثنائية. على سبيل المثال ، في الحياة اليومية ، نستخدم نظام الأرقام العشري الذي يستخدم عشرة أحرف أو أرقام لكتابة الأرقام ، 0،1،2،3،4،5،6،7،8،9. وفقًا لذلك ، لا يوجد في النظام الثنائي سوى رمزين (أو رقمين) - 0 و 1.

من الضروري أن نفهم أن نظام الأرقام هو فقط قواعد كتابة الأرقام ، وأن اختيار نوع النظام سيتم تحديده من خلال سهولة الاستخدام. يرجع اختيار النظام الثنائي إلى بساطته ، مما يعني موثوقية الأجهزة الرقمية وسهولة تنفيذها التقني.

ضع في اعتبارك وحدات قياس المعلومات الرقمية:

يأخذ البت (من "BInary digiT" - رقم ثنائي) قيمتين فقط: 0 أو 1. يمكنك ترميز القيمة المنطقية «نعم» أو «لا» ، الحالة «تشغيل» أو «إيقاف» ، الدولة « فتح »« أو »مغلق« إلخ.

مجموعة من ثماني بتات تسمى بايت ، على سبيل المثال 10010111. تسمح لك البايتة الواحدة بتشفير 256 قيمة: 00000000 - 0 ، 11111111 - 255.

البتة هي أصغر وحدة معلومات.

بايت - أصغر وحدة معالجة المعلومات. بايت - جزء من كلمة آلية ، يتكون عادةً من 8 بتات ويستخدم كوحدة لكمية المعلومات أثناء تخزينها ونقلها ومعالجتها على الكمبيوتر. يعمل البايت على تمثيل الحروف والمقاطع والأحرف الخاصة (عادةً ما تشغل كل 8 بتات) أو الأرقام العشرية (كل رقمين في 1 بايت).

يُطلق على البايتين المتجاورين كلمة ، و 4 بايت لكلمة مزدوجة ، و 8 بايت لكلمة رباعية.

تقريبا كل المعلومات التي تحيط بنا هي تناظرية. لذلك ، قبل أن تدخل المعلومات إلى المعالج للمعالجة ، يتم تحويلها باستخدام ADC (محول تناظري إلى رقمي).بالإضافة إلى ذلك ، يتم تشفير المعلومات بتنسيق معين ويمكن أن تكون رقمية أو منطقية أو نصية (رمزية) أو رسومية أو فيديو وما إلى ذلك.

على سبيل المثال ، يتم استخدام جدول رموز ASCII (من الكود القياسي الأمريكي لتبادل المعلومات) لترميز المعلومات النصية. يتم كتابة حرف واحد في بايت واحد ، والذي يمكن أن يأخذ 256 قيمة. تنقسم المعلومات الرسومية إلى نقاط (وحدات بكسل) ، ويتم ترميز لون وموضع كل نقطة أفقياً ورأسياً.

بالإضافة إلى النظامين الثنائي والعشري ، تستخدم MS نظامًا سداسيًا عشريًا يتم فيه استخدام الرموز 0 ... 9 و A ... F لكتابة الأرقام. ويرجع استخدامه إلى حقيقة أن البايت الواحد موصوف بـ 2 -رقم سداسي عشري ، مما يقلل بشكل كبير من تسجيل الكود الرقمي ويجعله أكثر قابلية للقراءة (11111111 - FF).

الجدول 1 - كتابة الأرقام في أنظمة أعداد مختلفة

لتحديد قيمة الرقم (على سبيل المثال ، يمكن أن تكون قيمة الرقم 100 لأنظمة الأرقام المختلفة 42 ، 10010 ، 25616) ، في نهاية الرقم ، أضف حرفًا لاتينيًا يشير إلى نظام الأرقام: للأرقام الثنائية ، الحرف ب ، للأرقام السداسية العشرية - ح ، للأرقام العشرية - د. يعتبر الرقم بدون تعيين إضافي رقمًا عشريًا.

يتيح لك تحويل الأرقام من نظام إلى آخر والعمليات الحسابية والمنطقية الأساسية بالأرقام إنشاء آلة حاسبة هندسية (تطبيق قياسي لنظام التشغيل Windows).

هيكل نظام المعالجات الدقيقة

يعتمد نظام المعالجات الدقيقة على معالج دقيق (معالج) يقوم بمعالجة المعلومات ووظائف التحكم. تخدم باقي الأجهزة التي يتألف منها نظام المعالجات الدقيقة المعالج من خلال مساعدته على العمل.

الأجهزة الإلزامية لإنشاء نظام المعالجات الدقيقة هي منافذ الإدخال / الإخراج والذاكرة جزئيًا ... تقوم منافذ الإدخال والإخراج بتوصيل المعالج بالعالم الخارجي من خلال توفير معلومات لمعالجة وإخراج نتائج المعالجة أو إجراءات التحكم. أزرار (لوحة المفاتيح) ، أجهزة استشعار مختلفة متصلة بمنافذ الإدخال ؛ لمنافذ الإخراج - الأجهزة التي تسمح بالتحكم الكهربائي: المؤشرات ، شاشات العرض ، الموصلات ، صمامات الملف اللولبي ، المحركات الكهربائية ، إلخ.

الذاكرة مطلوبة بشكل أساسي لتخزين برنامج (أو مجموعة برامج) ضروري لتشغيل المعالج. البرنامج عبارة عن سلسلة من الأوامر التي يفهمها المعالج ، كتبها إنسان (عادة ما يكون مبرمجًا).

يظهر هيكل نظام المعالجات الدقيقة في الشكل 1. بشكل مبسط ، يتكون المعالج من وحدة منطقية حسابية (ALU) تعالج المعلومات الرقمية ، ووحدة تحكم (CU).

تشتمل الذاكرة عادةً على ذاكرة للقراءة فقط (ROM) ، وهي غير متطايرة ومخصصة لتخزين المعلومات على المدى الطويل (مثل البرامج) ، وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، المخصصة لتخزين البيانات المؤقتة.

الشكل 1 - هيكل نظام المعالجات الدقيقة

يتواصل المعالج والمنافذ والذاكرة مع بعضها البعض عبر الناقلات. الحافلة عبارة عن مجموعة من الأسلاك موحدة وظيفيًا. تسمى مجموعة واحدة من حافلات النظام ناقل داخل النظام ، حيث يوجد:

• ناقل بيانات DB (ناقل البيانات) ، يتم من خلاله تبادل البيانات بين المعالج والذاكرة والمنافذ ؛

• عنوان ناقل AB (ناقل العنوان) ، يستخدم لمعالجة خلايا الذاكرة ومنافذ المعالج ؛

• ناقل التحكم CB (ناقل التحكم) ، مجموعة من الخطوط التي تنقل إشارات التحكم المختلفة من المعالج إلى الأجهزة الخارجية والعكس بالعكس.

المعالجات الدقيقة

المعالجات الدقيقة - جهاز يتم التحكم فيه بواسطة البرامج مصمم لمعالجة المعلومات الرقمية والتحكم في عملية هذه المعالجة ، ويتم تصنيعه في شكل دائرة متكاملة واحدة (أو عدة) مع درجة عالية من تكامل العناصر الإلكترونية.

يتميز المعالج الدقيق بعدد كبير من المعلمات ، حيث إنه جهاز معقد يتم التحكم فيه بواسطة البرامج وجهاز إلكتروني (دائرة كهربائية دقيقة). لذلك ، بالنسبة للمعالج الدقيق ، كل من نوع الحالة ومجموعة التعليمات الخاصة بالمعالج ... يتم تحديد إمكانات المعالج الدقيق من خلال مفهوم بنية المعالجات الدقيقة.

تعني البادئة «مايكرو» في اسم المعالج أنه يتم تنفيذه باستخدام تقنية ميكرون.

الشكل 2 - منظر خارجي للمعالج الدقيق Intel Pentium 4

أثناء التشغيل ، يقوم المعالج الدقيق بقراءة أوامر البرنامج من الذاكرة أو منفذ الإدخال وتنفيذها. يتم تحديد ما يعنيه كل أمر من خلال مجموعة تعليمات المعالج. تم تضمين مجموعة التعليمات في بنية المعالج الدقيق ، ويتم التعبير عن تنفيذ كود الأمر في تنفيذ بعض العمليات الصغيرة بواسطة العناصر الداخلية للمعالج.

بنية المعالجات الدقيقة - هذا هو تنظيمها المنطقي ؛ يحدد قدرات المعالج الدقيق من حيث تنفيذ الأجهزة والبرامج للوظائف المطلوبة لبناء نظام المعالجات الدقيقة.

الخصائص الرئيسية للمعالجات الدقيقة:

1) تردد الساعة (وحدة القياس ميجاهرتز أو جيجاهرتز) - عدد نبضات الساعة في ثانية واحدة.يتم إنشاء نبضات الساعة بواسطة مولد ساعة موجود عادة داخل المعالج. نظرًا لأن جميع العمليات (التعليمات) يتم إجراؤها في دورات على مدار الساعة ، فإن أداء العمل (عدد العمليات التي يتم إجراؤها لكل وحدة زمنية) يعتمد على تردد الساعة. قد يختلف تردد المعالج في حدود معينة.

2) معالج البت (8 ، 16 ، 32 ، 64 بت ، إلخ) - يحدد عدد بايتات البيانات التي تتم معالجتها في دورة ساعة واحدة. يتم تحديد عرض البت للمعالج من خلال عرض البت لسجلاته الداخلية. يمكن أن يكون المعالج 8 بت ، 16 بت ، 32 بت ، 64 بت ، إلخ. تتم معالجة البيانات في أجزاء من 1 ، 2 ، 4 ، 8 بايت. من الواضح أنه كلما زاد عمق البت ، زادت إنتاجية العمل.

العمارة الداخلية للمعالج الدقيق

يوضح الشكل 3 بنية داخلية مبسطة لمعالج دقيق نموذجي 8 بت. يمكن تقسيم هيكل المعالج الدقيق إلى ثلاثة أجزاء رئيسية:

1) سجلات للتخزين المؤقت للأوامر والبيانات والعناوين ؛

2) وحدة المنطق الحسابي (ALU) التي تقوم بعمليات حسابية ومنطقية ؛

3) دائرة التحكم والتوقيت - توفر اختيار الأمر ، وتنظم تشغيل وحدة ALU ، وتوفر الوصول إلى جميع سجلات المعالجات الدقيقة ، وتدرك وتولد إشارات التحكم الخارجية.

الشكل 3 - بنية داخلية مبسطة لمعالج دقيق 8 بت

كما ترى من الرسم التخطيطي ، فإن المعالج يعتمد على سجلات مقسمة إلى سجلات خاصة (لغرض معين) وسجلات للأغراض العامة.

عداد البرنامج (الكمبيوتر) - سجل يحتوي على عنوان بايت الأمر التالي. يحتاج المعالج إلى معرفة الأمر الذي سيتم تنفيذه بعد ذلك.

البطارية - سجل مستخدم في غالبية التعليمات للمعالجة المنطقية والحسابية ؛ إنه مصدر أحد وحدات بايت البيانات المطلوبة لعملية ALU والمكان الذي يتم فيه وضع نتيجة عملية ALU.

يحتوي سجل الوظيفة (أو سجل العلم) على معلومات حول الحالة الداخلية للمعالج الدقيق ، وتحديداً نتيجة عملية ALU الأخيرة. سجل العلم ليس سجلاً بالمعنى المعتاد ، ولكنه مجرد مجموعة من النتوءات (علم لأعلى أو لأسفل. عادة ما يكون هناك صفر ، وأعلام تجاوز ، وسالب ، وأعلام حمل).

Stack Pointer (SP) - يتتبع موضع المكدس ، أي أنه يحتوي على عنوان آخر خلية مستخدمة. Stack - طريقة لتنظيم تخزين البيانات.

يحتوي سجل الأوامر على بايت الأمر الحالي الذي يتم فك تشفيره بواسطة وحدة فك ترميز الأوامر.

يتم عزل خطوط الحافلات الخارجية عن خطوط الحافلات الداخلية بواسطة المخازن المؤقتة ، ويتم توصيل العناصر الداخلية الرئيسية بواسطة ناقل بيانات داخلي عالي السرعة.

لتحسين أداء نظام متعدد المعالجات ، يمكن توزيع وظائف المعالج المركزي بين عدة معالجات. لمساعدة المعالج المركزي ، يقدم الكمبيوتر غالبًا معالجات مشتركة ، تركز على التنفيذ الفعال لأي وظائف محددة. انتشار المعالجات الرياضية والرسومات المشتركة ، المدخلات والمخرجات وتفريغ المعالج المركزي من عمليات بسيطة ولكن عديدة للتفاعل مع الأجهزة الخارجية.

في المرحلة الحالية ، يتمثل الاتجاه الرئيسي لزيادة الإنتاجية في تطوير المعالجات متعددة النواة ، أي الجمع بين اثنين أو أكثر من المعالجات في حالة واحدة لإجراء عدة عمليات بالتوازي (في وقت واحد).

Intel و AMD هما الشركتان الرائدتان في تصميم وتصنيع المعالجات.

خوارزمية نظام المعالجات الدقيقة

الخوارزمية - وصفة دقيقة تحدد بشكل فريد عملية تحويل المعلومات الأولية إلى سلسلة من العمليات التي تسمح بحل مجموعة من المهام لفئة معينة والحصول على النتيجة المرجوة.

عنصر التحكم الرئيسي في نظام المعالجات الدقيقة بالكامل هو المعالج ... فهو ، باستثناء حالات خاصة قليلة ، يتحكم في جميع الأجهزة الأخرى. الأجهزة المتبقية ، مثل RAM و ROM ومنافذ الإدخال / الإخراج تابعة.

بمجرد تشغيله ، يبدأ المعالج في قراءة الرموز الرقمية من منطقة الذاكرة المخصصة لتخزين البرامج. تتم القراءة بشكل تسلسلي خلية تلو الأخرى ، بدءًا من الأولى. تحتوي الخلية على بيانات وعناوين وأوامر. التعليمات هي أحد الإجراءات الأولية التي يمكن للمعالج الدقيق القيام بها. يتم تقليل كل عمل المعالج الدقيق إلى القراءة المتسلسلة وتنفيذ الأوامر.

ضع في اعتبارك تسلسل إجراءات المعالج الدقيق أثناء تنفيذ أوامر البرنامج:

1) قبل تنفيذ التعليمات التالية ، يقوم المعالج الدقيق بتخزين عنوانه في عداد برنامج الكمبيوتر.

2) يصل MP إلى الذاكرة على العنوان الموجود في الكمبيوتر ويقرأ من الذاكرة البايت الأول من الأمر التالي في سجل الأوامر.

3) يقوم مفكك الشفرة بفك شفرة الأوامر (أجهزة فك الشفرات).

4) وفقًا للمعلومات الواردة من وحدة فك التشفير ، تقوم وحدة التحكم بإنشاء تسلسل زمني مرتب للعمليات الدقيقة التي تنفذ تعليمات الأوامر ، بما في ذلك:

- يسترجع المعاملات من السجلات والذاكرة ؛

- يقوم بعمليات حسابية أو منطقية أو عمليات أخرى عليها على النحو المنصوص عليه في كود الأمر ؛

- اعتمادًا على طول الأمر ، يتم تغيير محتويات الكمبيوتر ؛

- ينقل التحكم إلى الأمر التالي الذي يكون عنوانه مرة أخرى في عداد برنامج الكمبيوتر.

يمكن تقسيم مجموعة التعليمات الخاصة بالمعالج الدقيق إلى ثلاث مجموعات:

1) أوامر لنقل البيانات

يتم النقل بين الذاكرة والمعالج ومنافذ الإدخال / الإخراج (لكل منفذ عنوانه الخاص) ، بين سجلات المعالج.

2) أوامر تحويل البيانات

جميع البيانات (نصوص ، صور ، فيديو ، إلخ) هي أرقام ، ولا يمكن إجراء سوى العمليات الحسابية والمنطقية باستخدام الأرقام. لذلك ، تشمل أوامر هذه المجموعة الجمع والطرح والمقارنة والعمليات المنطقية ، إلخ.

3) نقل قيادة التحكم

من النادر جدًا أن يتكون البرنامج من تعليمات متسلسلة واحدة. تتطلب معظم الخوارزميات تفريع البرنامج. لكي يقوم البرنامج بتغيير خوارزمية عمله ، اعتمادًا على أي شرط ، يتم استخدام أوامر نقل التحكم. تضمن هذه الأوامر تدفق تنفيذ البرنامج على طول المسارات المختلفة وتنظيم الحلقات.

الأجهزة الخارجية

تشمل الأجهزة الخارجية جميع الأجهزة الخارجية للمعالج (باستثناء ذاكرة الوصول العشوائي) والمتصلة عبر منافذ الإدخال / الإخراج. يمكن تصنيف الأجهزة الخارجية إلى ثلاث مجموعات:

1) أجهزة الاتصال بين الإنسان والحاسوب (لوحة المفاتيح ، الشاشة ، الطابعة ، إلخ) ؛

2) أجهزة للتواصل مع كائنات التحكم (أجهزة الاستشعار ، المشغلات ، ADC و DAC) ؛

3) أجهزة التخزين الخارجية ذات السعة الكبيرة (القرص الصلب ، الأقراص المرنة).

تتصل الأجهزة الخارجية بنظام المعالجات الدقيقة ماديًا - من خلال الموصلات ومنطقيًا - من خلال المنافذ (وحدات التحكم).

يستخدم نظام المقاطعة (آلية) للتفاعل بين المعالج والأجهزة الخارجية.

نظام المقاطعة

هذه آلية خاصة تسمح في أي وقت ، من خلال إشارة خارجية ، بإجبار المعالج على إيقاف تنفيذ البرنامج الرئيسي ، وإجراء العمليات المتعلقة بالحدث الذي تسبب في الانقطاع ، ثم العودة إلى تنفيذ البرنامج الرئيسي. .

يحتوي كل معالج دقيق على إدخال طلب مقاطعة واحد على الأقل INT (من كلمة Interrupt).

لنفكر في مثال على تفاعل معالج الكمبيوتر الشخصي مع لوحة المفاتيح (الشكل 4).

لوحة المفاتيح - جهاز لإدخال المعلومات الرمزية وأوامر التحكم. لتوصيل لوحة المفاتيح ، يحتوي الكمبيوتر على منفذ خاص للوحة المفاتيح (شريحة).

الشكل 4 - تشغيل وحدة المعالجة المركزية باستخدام لوحة المفاتيح

خوارزمية العمل:

1) عند الضغط على أحد المفاتيح ، تقوم وحدة التحكم في لوحة المفاتيح بإنشاء رمز رقمي. تذهب هذه الإشارة إلى شريحة منفذ لوحة المفاتيح.

2) يرسل منفذ لوحة المفاتيح إشارة مقاطعة إلى وحدة المعالجة المركزية. كل جهاز خارجي له رقم المقاطعة الخاص به الذي يتعرف عليه المعالج.

3) بعد تلقي مقاطعة من لوحة المفاتيح ، يقطع المعالج تنفيذ البرنامج (على سبيل المثال ، محرر Microsoft Office Word) ويحمل البرنامج لمعالجة رموز لوحة المفاتيح من الذاكرة. مثل هذا البرنامج يسمى السائق.

4) يوجه هذا البرنامج المعالج إلى منفذ لوحة المفاتيح ويتم تحميل الكود الرقمي في سجل المعالج.

5) يتم تخزين الكود الرقمي في الذاكرة ويستمر المعالج في أداء مهمة أخرى.

نظرًا لسرعة التشغيل العالية ، ينفذ المعالج عددًا كبيرًا من العمليات في وقت واحد.