Материал взят из книги

Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве

_Ликбез для начинающих

Что же такое микропроцессор?

Что же такое микропроцессор? И чем он отличается от микроконтроллера? Вообще-то процессор — это одна из составных частей компьютера. До того, как изобрели микропроцессор (то есть процессор на одной микросхеме) существовали целые процессорные блоки в больших компьютерах. Для прояснения вопроса нужно сначала определиться, что же такое компьютер. Компьютер — это устройство для автоматической обработки информации. Причем информация в компьютере представляется в виде чисел. Любая компьютерная система состоит из следующих основных частей (см. рис. 1): процессор, блок памяти, порты ввода/вывода. Рассмотрим эти составляющие подробнее.

ПАМЯТЬ

Это набор ячеек, в каждой из которых хранится одно число. Причем это не совсем то число, с которым мы с вами привыкли иметь дело. Это упрощенное компьютерное число. Обычно каждая ячейка памяти может хранить число, принимающее значения от нуля до 255. Подроб-

и Рл лК ОТП\4 КппАТ ПалЛ1/(ПОиЛ иМ'М'д

ПОРТЫ ВВОДА/ВЫВОДА

-это некие микросхемы, при помощи которых микропроцессорная система может общаться с внешним миром. Через порты ввода компьютерная система получает информацию извне, а через порты вывода она выдает результаты своей работы и управляет внешними устройствами. Только благодаря этим самым портам ввода/вывода к компьютеру подключаются такие устройства, как клавиатура, мышь, дисководы, СЭ-

ROM и т.д. Те читатели, которые знакомы с компьютерами, возможно, :лышали термины «параллельный порт» (LPT) и «последовательный порт» (СОМ). Так вот в данном случае речь идет совсем о другом понятии. Это просто схожие термины.

Параллельный и тем более последовательный порты компьютера — это целые, достаточно сложные схемы, которые в свою очередь управляются как раз-таки при помощи портов ввода/вывода. Не нужно также думать, что клавиатура и мышь используют только порты ввода, а дисплей — порт вывода. Для управления большинством устройств компьютера используются как порты ввода, так и порты вывода микропроцессорной системы. Возможно, вас удивляет, что я называю внешними устройствами и жесткий диск и флоппи дисковод. Но когда мы начнем изучать типовую схему микропроцессорного устройства, вы убедитесь, что это именно так! Гам, внутри компьютера, скрыто еще много устройств, которые по отношению к микропроцессору являются внешними, хотя находятся зачастую не только внутри компьютера, но и непосредственно на материнской плате — главной плате компьютера.

ПРОЦЕССОР

Процессор — это самая главная часть, сердце всей системы. Он предназначен для того, чтобы выполнять различные операции с числами. Последовательность этих операций называется программой. Программа записывается в виде чисел в ту же самую память. По сути дела, процессор — это цифровой автомат! И всего-то!

Все три части вычислительной системы связаны между собой так называемыми шинами данных. По этим шинам передаются цифровые сигналы от процессора к модулю памяти, от процессора к портам ввода/вывода и обратно, от этих устройств к процессору.

ПРОЦЕССОР

Какие же конкретно операции может выполнять процессор с числами? Да все простейшие операции, которые возможно произвести над чис-

лом. Он может читать число из любой ячейки памяти, складывать, вычитать, сравнивать, иногда умножать и делить прочитанные числа. Затем процессор записывает результат в ту же самую или в другую ячейку. Еще он может выполнять логические (Булевы) операции с числами (что такое логические операции, я подробно опишу ниже). Кроме того, имеется ряд специфических операций. Но обо всем по порядку.

Набор операций, которые процессор способен выполнять с участием портов ввода/вывода гораздо меньше, чем операций с ячейками памяти. В них также можно записывать и считывать информацию. Однако хранение чисел, это не главное назначение. Порты ввода/вывода предназначены для связи микропроцессорного устройства с внешней средой. В общем случае можно разделить порты ввода и порты вывода. Порт ввода — это специальное электронное устройство, на которое извне поступают какие-либо электрические сигналы, предназначенные для управления микропроцессорной системой.

Например, сигналы от клавиатуры, датчиков и т.п. Процессор считывает их в виде чисел и обрабатывает полученные числа. Порты вывода выполняют обратную функцию. В них процессор записывает различные числа, которые затем поступают на внешние устройства в виде электрических сигналов. Эти сигналы используются для управления. Управлять можно любым устройством, которое допускает электрическое управление: индикаторы, дисплеи, электромагнитные реле, электромоторы, электропневмоклапаны, электрические нагреватели и т.д. Нужно только усилить управляющие сигналы до требуемой мощности.

На этом, по большому счету все функции процессора заканчиваются. Представьте себе, что этого вполне хватает для того, что бы делать все те чудеса, которые мы привыкли видеть от современных компьютеров. Как же это возможно? Оказывается все на свете можно описать цифрами. И текст, и изображение, и звуки, и музыку и даже целые видеофильмы. Хорошо поработали ученые — математики. Они сумели разработать математические модели всех этих процессов. Остальное — дело техники. Главное — считай побыстрее! А современные процессоры это могут! О том, как они это делают, я и собираюсь рассказать в этой книге.

Книга не ставит перед собой задачи изучения современных микропроцессоров для мощных персональных компьютеров. Наша задача — небольшие специализированные микропроцессорные устройства. Такие устройства все больше и больше входят в наш быт. Вы можете встретить микропроцессорный блок управления в современной микроволновой печи, в видеомагнитофоне, в стиральной машине, электронных часах — таймере. В настоящей книге мы изучим в качестве примера так называемый «Позиционер спутниковой антенны». Все подобные устройства имеют одно общее название: микропроцессорные контроллеры.

Что же это за такое чудесное устройство — микропроцессор. Он и читает, записывает числа и вычисляет и управляет и столько разных умных вещей делает! Видимо очень умная микросхема? На самом деле микропроцессор — это примитивный автомат, который выполняет заложенные в нем операции в соответствии с заложенной в него ПРОГРАММОЙ. Программа — это некоторая последовательность команд, разработанная программистом и записанная в том же самом блоке памяти в виде чисел. В схеме микропроцессора при его производстве заложен простой алгоритм. Сразу после включения и окончания сигнала сброса, процессор начинает читать числа из той области памяти, которая отведена для хранения программ.

Чтение происходит последовательно ячейка за ячейкой, начиная с самой первой. Каждым таким числом закодирована одна из команд. Команда — это одно из элементарных действий, которое способен выполнить микропроцессор. Число, которым закодирована команда, называется кодом операции. Вся работа микропроцессора сводится к последовательному чтению и выполнению команд. Этот процесс начинается сразу после включения питания и продолжается вплоть до его выключения.

Производители микропроцессоров заботятся о том, чтобы заложить в микропроцессор достаточный набор команд. Используя эти команды, разработчик конкретной микропроцессорной системы может создать свою собственную программу, заставляющую микропроцессор выполнять именно те действия, какие ему нужны. Разработанная программа в виде набора чисел записывается в ту часть памяти, которая предназначена для программ, и микропроцессорная система готова к работе.

В микропроцессорных системах для хранения программ используется специальный вид микросхем памяти. Это так называемые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). По-английски это звучит как ROM (read only memory). Они называются постоянными потому, что после записи туда информации она там не меняется. Запись — это специальный процесс, выполняемый при помощи специальных устройств — программаторов ПЗУ. Информация в эти микросхемы записывается за счет прожигания определенных областей. Прошил раз и пользуешься этой информацией долгое время. Для хранения программы микропроцессорного контроллера это как раз очень подходит.

Микропроцессор может только читать из такой памяти. Записать туда он ничего не сможет. Если же он попробует записать туда информацию, ничего страшного не произойдет. В памяти останется то, что там было до попытки записи. Кроме постоянного запоминающего устройства в системе должна быть обязательно память, выполненная на микросхемах оперативной памяти. То есть оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). По-английски ЯАМ. В эту память процессор может записывать информацию, а затем читать ее. Ни одна программа не обходится без некоторого количества ячеек памяти для хранения множества промежуточных результатов и вспомогательных величин. Для этих целей и служит ОЗУ. Отличительной особенностью ОЗУ является то, что при выключении питания записанная в него информация теряется.

Микросхемы, позволяющие оперативно переписывать информацию, как в ОЗУ, но не теряющие ее при выключении питания тоже существуют. Они выполняются по технологии электрически стираемого ПЗУ (ЭС-ПЗУ). В иностранной литературе их принято называть Пазй-памятью (флэш). Такие микросхемы применяют гораздо реже, так как они имеют низкую скорость работы и пока еще очень дороги.

Ну, вроде с микропроцессорами мы разобрались. А что же такое микроконтроллеры? Микроконтроллер — это дитя дальнейшей интеграции, это целая микропроцессорная система на одном кристалле! Одна микросхема содержит в себе все описанные выше составляющие: память, порты ввода/вывода и собственно процессор. Кроме того, там часто располагаются некоторые дополнительные устройства: таймеры, устройства прерывания, компараторы и др. Значения этих, возможно, пока что непонятных терминов вы узнаете из последующих глав.

Вообще с понятиями «микропроцессор» и «микроконтроллер» существует некоторая путаница. То, что я сейчас назвал микроконтроллером, иногда тоже называют микропроцессором. Во-первых, это легче произносить. А во-вторых, современные микропроцессоры и микроконтроллеры так бурно развиваются, что по сложности внутреннего устройства не уступают друг другу. Но такая путаница мало существенна, так как эти два понятия почти что синонимы.