Микропроцессорная техника

Краткий исторический обзор.

Чтобы понять предпосылки появления микропроцессорных систем, нужно проследить развитие технологии производства цифровых вычислительных машин и полупроводниковых приборов. Ведь именно удачное сочетание достижений в указанных областях привело в начале 70-х годов к созданию микропроцессоров.

Цифровая вычислительная машина (ЦВМ) выполняет расчеты под управлением программы. Общие принципы работы машины определяются ее архитектурой. ЦВМ состоит из следующих основных устройств:

- центрального процессора (ЦП);

- оперативного запоминающего устройства (ОЗУ);

- устройств хранения информации на различных носителях (в последнее время в основном магнитные диски, ленты);

- устройств ввода/вывода информации с этих носителей;

- печатающего устройства;

- устройств связи с оператором (ввод - клавиатура, вывод - дисплей).

Архитектура микропроцессора подобна архитектуре ЦП, поскольку в обоих случаях вычисления выполняются под управление программы.

Совершенствование цифровых вычислительных машин происходило одновременно с развитием технологии производства полупроводниковых схем, при этом сокращалось разнообразие типов логических схем, используемых при конструировании ЭВМ, и возрастал спрос на эти схемы. Указанные факторы явились предпосылкой создания в середине 60-х годов семейства логических схем малого и среднего уровней интеграции (МИС и СИС). Технология производства интегральных схем (ИС) развивалась под влиянием двух тенденций: стремления к выпуску дешевой продукции и расширения ее функциональных возможностей за счет усложнения схемных решений.

К концу 60-х и началу 70-х годов получили широкое использование интегральные схемы большой степени интеграции (БИС), когда много разных функциональных возможностей реализовано в конструктивно единой схеме. Появление электронных калькуляторов свидетельствовало о существенных достижениях в технологии производства БИС. Указанные достижения привели к следующему закономерному этапу в развитии вычислительной техники - реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме, получившей название микропроцессор.

С начала 70-х годов основные усилия ученых и инженеров были направлены на совершенствование архитектуры МП с целью увеличения их быстродействия и вычислительной мощности (мощность МП принято оценивать тремя основными характеристиками: длиной слова данных, количеством адресуемых слов памяти и скоростью выполнения команд). Первые МП обрабатывали единовременно по 4 бит данных, представленных в цифровой форме, т. е. использовались 4-разрядные слова. Однако вскоре появились новые поколения МП: 8-, 16-, 32- и сейчас 64-разрядные. Набор команд, выполняемых МП, расширялся, а сами команды стали более сложными, с большими функциональными возможностями.

Почти все МП изготовляются на кремниевых кристаллах. Длина стороны куба кристалла равна 0,64 см. Такой кремниевый кристалл с содержащимися в нем электронными элементами и соединениями МП упаковывается с корпус так называемой интегральной схемы.

Двоичная система счисления.

Двоичная система счисления проще десятичной. В ней используются только два символа (как правило, это 0 и 1), что хорошо согласуется с техническими характеристиками цифровых схем, имеющих лишь два устойчивых состояния.

При сравнении записи десятичных и двоичных чисел выясняется, что последние занимают значительно больше позиций, поскольку для их представления используется лишь два символа. Что касается десятичной системы, то она использует не два, а десять различных символов.

В двоичной системе счисления, так же как и в десятичной, каждой позиции (разряду) присвоен определенный вес. Но если в десятичной системе вес равен числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используется число 2. Веса первых 12 позиций (разрядов) цифр двоичного числа имеют следующие значения:

2⁰ = 1; 2¹ = 2; 2² = 4; 2³ = 8; 2⁴ = 16; 2⁵ = 32; 2⁶ = 64; 2⁷ = 128;

2⁸ = 256; 2⁹ = 512; 2¹⁰ = 1024; 2¹¹ = 2048.

В двоичной системе счисления даже сравнительно небольшие числа занимают много позиций. Например, двоичное число 101101 имеет ту же величину, что и десятичное число 45. Для удобства идентификации записи двоичных и десятичных чисел в виде нижнего индекса числа записывают 2 или 10 соответственно.

Как и в десятичной системе, в двоичной системе для отделения дробной части от целой используется точка (двоичная точка). Каждая позиция справа от этой точки имеет свой вес - вес разряда дробной части числа. Значение веса в этом случае равно основанию двоичной системы, возведенному в отрицательную степень. Такие веса - это дроби 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 и т. д., которые могут быть записаны как:

2^-1, 2^-2, 2 ^-3, 2^-4, 2^-5 и т. п.

Или в десятичных дробях:

0,5; 0,25; 0,125; 0,0625; 0,03125; 0,015625 и т. д.

При записи числа в десятичной системе каждая позиция занята десятичной цифрой. Аналогично при записи двоичного числа каждая позиция занята двоичной цифрой, называемой битом. Наименьший значащий бит имеет наименьший вес, а наибольший значащий бит соответственно наибольший. Обычно двоичное число записывают так, что наибольший значащий бит является крайним слева.

Преобразование десятичных чисел в двоичные.

Преобразование целых десятичных чисел в двоичные - это частный случай процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую. Предположим, что надо преобразовать десятичное число 57 в двоичное.

1. Разделим подлежащее преобразованию число на основание системы счисления, в которой число должно быть представлено. В данном случае 57 следует поделить на 2. При делении на 2 остаток может быть равен 1 или 0. Значение остатка присваивается младшему значащему разряду (МЗР) искомого числа. Для рассматриваемого примера частное равно 28, а остаток - 1, т. е. 1-й разряд искомого числа равен единице.

2. Результат деления на первом шаге необходимо еще раз разделить на 2. Остаток (0 или 1) используется в качестве значения следующего по значимости разряда. В данном случае частное от деления 28 на 2 равно 14, а остаток, т. е. значение 2-го разряда, равно нулю.

3. Результат деления на предыдущем шаге необходимо разделить на 2, а значение остатка присвоить очередному разряду. В данном случае частное от деления 14 на 2 равно 7, а остаток - 0 (значение 3-го разряда).

4. Шаги описанной процедуры повторяются до тех пор, пока частное, полученное в результате очередной операции деления, не станет равным нулю. Тогда остаток от последнего деления используется в качестве значения старшего значащего разряда (СЗР).

Деление Частное Остаток

57/2 28 1 (МЗР)

28/2 14 0

14/2 7 0

7/2 3 1

3/2 1 1

1/2 0 1 (СЗР)

Результат 57 дес. = 111001 дв.

Для дробных чисел (или дробных частей вещественных чисел) требуется отдельная, хотя и похожая процедура. Если преобразование выполнено отдельно для целой и дробной частей числа, то результат получают путем записи двоичных эквивалентов этих частей соответственно слева и справа от двоичной точки.

Процедуру преобразования десятичной дроби в двоичную рассмотрим на примере преобразования числа 0,375.

1. Преобразование осуществляется умножением дроби на основание системы счисления, в которой дробь должна быть представлена. В данном случае умножаем на два: 0,375 * 2 = 0,75.

2. Если результат умножения меньше 1, то старшему значащему разряду присваивается значение 0; если больше 1, то присваивается 1. Поскольку 0,75 < 1, то СЗР = 0.

3. Результат предыдущей операции умножения опять умножается на 2. Заметим, что если бы результат предыдущей операции умножения был бы больше 1, то в данной операции умножения участвовала лишь его дробная часть. В данном случае 0,75 * 2 = 1,5.

4. Если полученный результат меньше 1, то следующему по значимости (ближайшему справа) разряду присваивается значение 0; если равен или больше 1, то присваивается 1. В рассматриваемом примере 1,5 > 1, поэтому значение разряда 2 равно 1.

5. Шаги описанной процедуры повторяются до тех пор, пока либо результат умножения не будет точно равен 1, либо не будет достигнута требуемая точность. В данном случае после выполнения очередного шага результат равен 0,5 * 2 = 1. Поэтому очередному разряду, являющемуся младшим значащим разрядом, присваивается значение 1.

Следовательно, получена двоичная дробь 0.011.

Следует отметить, что не всегда путем повторения операций умножения можно достичь результата умножения, точно равного 1. В таком случае процесс повторения останавливают по достижении необходимой точности, а целую часть результата последней операции умножения используют в качестве значения младшего значащего разряда.

Преобразование двоичных чисел в десятичные.

Процедура преобразования двоичного числа в десятичное проста: необходимо сложить десятичные веса всех разрядов двоичного числа, в которых содержатся единицы.

Пример 1. Преобразование целого двоичного числа 11001100 в десятичное:

0 * 2⁰ = 0

1 1 0 0 1 1 0 0

0 * 2¹ = 0

1 * 2² = 4

1 * 2³ = 8

0 * 2⁴ = 0

0 * 2⁵ = 0

0 * 2⁶ = 64

0 * 2⁷ = 128

∑ 204

Результат. 11001100 дв. = 204 дес.

Пример 2. Преобразование вещественного двоичного числа 101.011 в десятичное.

1 0 1 . 0 1 1

1 * 2^-3 = 0.125

1 * 2^-2 = 0.25

0 * 2^-1 = 0

1 * 2⁰ = 1

0 * 2¹ = 0

1 * 2² = 4

∑ 5.375

Результат. 101.011 дв. = 5,375 дес.

Шестнадцатеричная система счисления.

В шестнадцатеричной системе счисления используются следующие 16 символов: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Практическое использование шестнадцатеричной системы счисления объясня­ется тем, что число 16 есть число 2 в четвертой степени. Иначе говоря, шестнадцатеричную цифру можно использовать как средства сокращенной записи 4-разрядного двоичного числа. Процедура преобразования двоичного числа в шестнадцатеричное довольно проста. Биты, начиная с младшего значащего бита (расположенного рядом с двоичной точкой), объединяются в группы по четыре. Каждой группе подбирается соответствующий шестнадцатеричный символ.

Чтобы преобразовать двоичное число 10101011111101, необходимо сформировать биты в группы по четыре, начиная справа, и добавить два незначащих нуля в левую крайнюю группу для формирования четырех бит: 0010 1010 1111 1101. Заменим каждую группу битов соответствующим шестнадцатеричным символом, получим число 2AFD.

П ринято шестнадцатеричные числа обозначать в конце числа большой латинской буквой H. Например: 2AFDH, C7H, 3H, 5AH и т. п.

Следует помнить, что шестнадцатеричные числа - это только способ представления двоичных чисел, которыми фактически оперирует микропроцессор.

Шестнадцатеричные числа и их двоичные и десятичные эквиваленты.

Шестнадцате-ричное число

Двоичное число

Десятичное число

0 0 0

1 1 1

2 10 2

3 11 3

4 100 4

5 101 5

6 110 6

7 111 7

8 1000 8

9 1001 9

A 1010 10

B 1011 11

C 1100 12

D 1101 13

E 1110 14

F 1111 15

10 1 0000 16

11 1 0001 17

12 1 0010 18

13 1 0011 19

14 1 0100 20

15 1 0101 21

16 1 0110 22

17 1 0111 23

18 1 1000 24

19 1 1001 25

1A 1 1010 26

1B 1 1011 27

1C 1 1100 28

1D 1 1101 29

1E 1 1110 30

1F 1 1111 31

20 10 0000 32

21 10 0001 33

……………………………………………….

……………………………………………….

.