2.2 Микроэвм на базе микропроцессора
ЦЕЛЬ – дать типовую, структурную схему микроЭВМ и провести её анализ.
Рассмотренный в разделе 2.1 МП, является основной компонентой («мозгом») при построении более крупной конструкции – микроЭВМ (Электронной Вычислительной Машины).
МикроЭВМ – вычислительная система, в которой используется ЦПр в виде МП. В свою очередь микроЭВМ является базовой компонентой МикроПроцессорной Системы (МПС) (разд.2.3), принцип построения которой аналогичен построению СРВ (см. рис.1.5.1). /Необходимо отметить, что современные микроЭВМ отличаются высокой сложностью, но базируются на структуре, рассматриваемой ниже./ На рис.2.2.1 дана типовая структура микроЭВМ. /Периферия – обобщенное обозначение внешних устройств, включая датчики (Д) (сенсоры) и потребители (П) по рис.1.5.1. Они не входят в состав микроЭВМ, и на рисунке даны для наглядности того, к чему подключается микроЭВМ/.
Рис.2.2.1 Типовая структура микроЭВМ
Типовыми компонентами микроЭВМ являются микросхемы: ВВОД, ВЫВОД, ЦПр, ЗУ, которые связаны между собой шинами. ШИНА – среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонент и через которую осуществляется обмен данными. Физически она представляет собой группу проводов, обеспечивающих параллельное соединение компонент. (Подумайте, почему параллельное, а не
последовательное?). Такую структуру можно расширять в довольно широких пределах лишь незначительным усложнением внутренних связей. /Вместо термина шина иногда употребляется термин магистраль/.
Адресная шина предназначена для выборки информации из ячеек памяти в ЗУ, или из микросхем ВВОДА / ВЫВОДА. Адрес задается из ЦПр.
Шина данных. В неё пересылается информация, выбранная по заданному адресу. Информация может быть от ЦПр к ЗУ или ВЫВОДУ либо от ВВОДА или ЗУ к ЦПр./Попробуйте представить это предложение в виде схемы со стрелками «от», «к»/.
Управляющая шина предназначена для управления ЦПром всеми компонентами микроЭВМ. При всем многообразии управляющих сигналов их можно разделить на две группы:
♦ сигналы готовности ЦПр выполнить очередную пересылку данных;
♦ запросы ВВОДа / ВЫВОДа и ЗУ к ЦПр.
ЗУ. Имеет двоичную (0,1) структуру разрядов (бит), объединённые, как правило, в 32-х битные слова (возможны варианты: 64, 16, 8). Объёмы ЗУ определяются в:
● байтах: 1байт = 8 бит. 32-х битное слово содержит 4 байта;
● килобайтах (К): 1К = 1000 байт. Пример: память 256 К;
● мегабайтах (М): 1М = 1000 К. Пример: память 400 М:
● гигабайтах (Г): 1Г = 1000 К. Пример: память 5 Г.
Типы памяти ЗУ:
♦ сверхоперативная (СОЗУ) - информация может, как считываться, так и записываться;
♦ кэш – память - информация может, как считываться, так и записываться;
♦ оперативная (ОЗУ) – информация может, как считываться, так и записываться;
♦ постоянная (ПЗУ) – информация может только считываться;
♦ дисковая - информация может, как считываться, так и записываться;
♦ флеш – память - информация может, как считываться, так и записываться.
СОЗУ представляет собой набор рабочих регистров (РР) в МП (см. разд.2.1). и является самой быстродействующей памятью.
Кэш – память является переходной между СОЗУ и ОЗУ по быстродействию. Она предназначена для выравнивания степени доступности этих двух типов памяти за счёт временного хранения содержимого ячеек памяти. Реализуется в микропроцессорах в виде блока памяти от единиц К и более.
В ОЗУ размещаются программы, с которыми работает ЦПр.
ПЗУ применяется для создания микропрограмм или записи без чтения (см. разд.1.4).
К дисковой памяти относятся жёсткие диски, дискеты и диски. В отличие от ОЗУ, которое находится в компьютере постоянно, дискеты и диски съёмные, т.е. могут быть вставлены в компьютер или вынуты из него. Такое их свойство позволяет иметь неограниченную память.
Жёсткие диски. В компьютерах по объёму являются его основной памятью (от десятков до сотен Гбайт). Жёсткий диск нельзя снимать, ибо его снятие полностью лишает компьютер базового программного обеспечения.
Дискеты. Их объём в пределах от 1,4 мб до десятков и сотен мегабайт.
Диски CD – R,RW / Compact (компактный) Disc (диск) Read (читать) Write (писать)/. Компакт - диск представляет собой лазерную пластину с записанной цифровым способом информацией, чтение или запись на которую осуществляется миниатюрным лазером. Из CD-R в плеерах и компьютерах можно только считывать. На CD-RW, при наличии специальной программы в компьютере и соответствующего устройства, можно как считывать, так и записывать. Объёмы память в CD – сотни мегабайт.
Диски DVD. Отличаются ещё большей памятью по сравнению с CD, что определило их как носителей видеоинформации (кинофильмы).
Флэш – память (флэш – карта, жаргонное название флэшка) отличается большой компактностью (размер - с тюбик губной помады), большими объёмами памяти (сотни мегабайт), способностью долго хранить информацию и более стойкой к механическим нагрузкам (по сравнению с дискетами). Стоимость их непрерывно снижается, поэтому они постепенно вытесняет дискеты (В Англии в 2006 году выпуск дискет прекратили). Они появились в середине 80-х годов, но их массовое производство началось с появления цифровых фотокамер, требующих больших объёмов памяти и компактности. Они используются в MP3 – плеерах, карманных компьютерах, мобильных телефонах, GPS-навигаторах (/джи –пи - эс/. (Навигатор – карманный прибор для определения местоположения его пользователя в любой точке земного шара по спутнику. Российская система определения местоположения для гражданских пользователей ГЛОНАСС будет внедряться с 2008 года).
Ввод / Вывод. Микросхемы ввода / вывода данных применяются для подключения микроЭВМ к разнообразным периферийным устройствам (принтер, дисплей, линии связи с другими компьютерами, приборами или электрическим оборудованием в системах управления, различными индикаторами и т.д.).
Работа по приёму и выводу данных в микросхемах ввода / вывода осуществляется через порты ввода / вывода. /Аналогия с любым морским портом, в который корабли прибывают (ВВОД), или из которого они уплывают ВЫВОД/. ПОРТ – аппаратура сопряжения, содержащая цепи управления и позволяющая подключать устройства ввода / вывода к внутренней шине микропроцессора. Один и тот же порт может переключаться на ввод или на вывод. Основу портов составляют специальные ячейки памяти, в которые данные “входят” (ввод) из периферии, или “выходят” (вывод) в периферию. Таким образом, «общение» компьютера с «внешним миром» (периферией) происходит через порты ввода/вывода. /Учитывая приведённую выше аналогию с традиционным понятием «порт», «общение», например, между собой нескольких компьютеров можно представить как «передвижение, поток» байтов информации ( по аналогии с морским портом «судов») от порта (компьютера) к порту (компьютеру)/.
Микросхемы ввода / вывода имеют, как правило, число портов от единиц до нескольких сотен, которые объединены в более крупные компоненты разной разрядности.
Применение портов ввода / вывода многообразно. В основном это подключение разнообразных периферийных устройств СРВ, к которым относятся и компьютеры, аналого–цифровые, цифро–аналоговые преобразователи вплоть до управления различными индикаторами.
Ввод / вывод может быть последовательным или параллельным.
Параллельный. При передаче параллельным кодом на линию данных (D0 – D7) подается (или считывается) байт данных, что обеспечивает высокую скорость работы такого порта, но требуют бо’льшего расхода материалов (8 проводов вместо одного).
Последовательный. В нем 8-битные данные передаются к периферии по одной линии. Хотя при этом достигается экономия физических соединений, недостаток такой организации заключается в уменьшении скорости передачи. Такая передача применяется для подключения к низкоскоростным, периферийным устройствам. Типичным представителем порта последовательной передачи данных является порт RS – 232). Он широко применяется в компьютерах, где используется, например, для подключения: мыши, принтеров, сканеров, модемов передачи данных по телефонным линиям, персональных компьютеров. Более современным типом порта является порт USB (ю-эс-би), обеспечивающий высокую скорость и, благодаря развитому программному
обеспечению, широкие возможности работы с ним. Интерфейсы USB постепенно заменяют все «классические» интерфейсы.
На рис.2.2.2 показана принципиальная типовая структура микросхемы ввода / вывода. Возможны следующие режимы работы ввода / вывода:
Работа под управлением ЦПр
2. Прямой доступ к памяти.
к ЦПр к периферии
Комбинации сигналов управления по линии адреса А0 А1 :
0 0 – выбор порта A 1 0 – выбор порта C
0 1 – выбор порта B
рис.2.2.2 Принципиальная типовая, структурная схема микросхемы