Тема : Запам'ятовуючі присторої.

1. Способи вводу і виводу інформації.

2.Мікропроцесорні засоби.

3. Структура мікропроцесорів.

1. Способи вводу і виводу інформації.

В різні часи вчені створювали обчислювальні механізми для виконання математичних розрахунків. Але вони були громіздкі, досить інертні, обмежені в застосуванні (рахівниці, арифмометри тощо). Швидкий розвиток електроніки прискорив розвиток сучасніших обчислювальних машин спочатку на електричних реле, електронних лампах, напівпровідни­кових приладах, пізніше – на напівпровідникових інтегральних мікросхемах. Сучасна ЕОМ складається з окремих блоків – системний блок:, пристрій вводу-виводу інформації, периферійні пристрої принтери, сканери, дисководи тощо).

Узагалі розрізняють дві групи ЕОМ: цифрові та аналогові. Цифрові ЕОМ оперують дискретними (імпульсними) величинами, а в аналогових машинах електричні сигнали змінюються в часі безперервно за величиною. Отже, більше уваги приділимо цифровим ЕОМ, що автоматично перетворюють інформацію згідно з розробленою програмою. В основі математичного запису роботи ЕОМ застосовують прості положення алгебри логіки (булевої алгебри). У булевій алгебрі змінні, і функції можуть приймати два значення: «0», і «1», над якими ведуть три основних дії: логічне складання, логічне множення, логічне заперечення. У свою чергу з цих простих логічних функцій утворюють більш складні (І-НІ, АБО-НІ тощо). В ЕОМ для записування інформації використовується позиційна двійкова система числення, тобто всі операції виконуються із застосуванням цифр «1» і «0». У цій системі за основу беруть число «2», а в десяткові – число 10. Ця система дає можливість записати будь-яке число з допомогою цифр «0», «1» чи закодувати букви, символи та ін. Система досить проста, операції над двійковими числами виконуються порозрядно, хоча запис великих чисел громіздкий, що є недоліком цієї системи. Тому в ЕОМ застосовують системи числення з основою 8, 16, так як 8=23, а 16=24 і запис інформації значно спрощується.

Пристрої вводу, виводу інформації відносяться до периферійних пристроїв ЕОМ і виконують функції зв’язку між людиною і машиною. Через пристрій вводу команди надходять у пам’ять машини, а результати обчислень, переробки інформації у зручному для практичного використання вигляді надходять у пристрій виводу. У різних ЕОМ застосовують різного роду пристрої вводу. До них належать перфо­карти, перфоленти, магнітні лампи, алфавітно-цифрові друкарські пристрої, електричні друкарські машини, електричні пристрої відобра­ження інформації-дисплеї.

Основні вимоги до пристроїв вводу – надійність, експлуатаційні зручності, швидкість роботи.

Клавішні пристрої вводу – найбільш прості і поширені пристрої для вводу даних у ЕОМ. Відомі клавішні пристрої трьох типів: проста клавіатура для вводу чисел; клавіатура для вводу повного набору букв, цифр, інших символів; спеціальна клавіатура.

Проста клавіатура останнім часом застосовується в калькуляторах.

Клавіатура другого типу дає можливість ввести всі букви, цифри і до 30 спеціальних символів. Спеціальна клавіатура застосовується при вводі графічної інформації, спеціальних команд.

Більшість клавіатур побудовано за одним принципом .

Рис. Схема простої клавіатури.

На рисунку показано матрицю з вертикальними і горизонталь­ними лініями, зв’язані між собою кнопками клавіатури (показано 16 кнопок від О до F).

Горизонтальні лінії матриці пов’язані з системою кодування, що виконує дві функції: кілька разів послідовно перевіряють замикання клавіш з метою захисту від помилкових спрацювань клавіатури; виконує кодування вихідних даних (система сприймає інформацію, що надходить на вертикальні і горизонтальні лінії матриці клавіатури і створює необхідні сигнали, які можна подати в паралельні чи послідовні форми).

Клавіатура алфавітно-цифрових друкарських пристроїв, перфораторів містить букви латинського, російського алфавіту, цифри, різні символи. Клавіші з’єднані з пуансонами. Кожний з клавішних символів кодується набором отворів згідно з кодом.

Перфокарти виготовляють з карток з отворами. Інформація у вигляді пробивок-отворів відповідає одиниці, відсутність пробивки – 0. Кожній цифрі, букві, символу відповідає певна комбінація пробивок. Інформація на карті розміщується в тій послідовності, в якій вона винна бути записана в оперативний запам’ятовуючий пристрій.

Електричні друкарські машини мають клавішний механізм з електромагнітами, блок керування, дешифратор. Вони використо­вуються для безпосереднього вводу даних в ЕОМ з клавіатури і виводу даних на друкарський пристрій.

Дисплеї, що можуть входити в склад ЕОМ, мають електричний блок керування, клавіатуру, запам’ятовуючий пристрій тощо. Відображення інформації ведеться за сигналами блоку керування з допомогою клавіатури дисплея; можна виконувати редагування, витирання даних, кати з ЕОМ нову інформацію тощо.

Отже, дисплей є універсальним пристроєм вводу-виводу інформації, що дає можливість оператору вести діалог з ЕОМ. Виготовляється як автономний функціональний пристрій, що має алфавітно-цифрову клавіатуру, пам’ять для забезпечення зберігання інформації, блок керування для виконання всіх функцій.

Дисплей з асинхронним телеграфним блоком може автономно керувати друкарським пристроєм (електричною друкарською машино), що дає можливість реєструвати інформацію екрана на папері.

Сучасна клавіатура на 104/105 клавіш, крім функцій вводу інформації, виконує функції керування ЕОМ. Запам’ятовуючі пристрої ЕОМ забезпечують зберігання, прийом, передачу різної інформації. Вони повинні бути швидкодіючі з великою інформаційною ємністю. Розрізняють пам’ять ЕОМ оперативну, постійну, зовнішню, буферну, реалізується в основному на великих інтегральних мікросхемах.

Різниця між оперативною і постійною пам’яттю: оперативна пам’ять використовується тільки в процесі роботи ЕОМ і зникає при відключенні його. Швидкість доступу до оперативної пам’яті 7÷8 секунд, а до постійної – 8÷^10 мікросекунд. Різниця очевидна – сотні тисяч раз. Оперативна пам’ять випускається у вигляді мікросхем на польових транзисторах (модулі пам’яті). Кожний модуль пам’яті може вміщувати від 1 до 128 Мбайт інформації (8 біт складає 1 байт).

Зовнішня оперативна пам’ять має велику інформаційну ємність і може довгий час зберігати інформацію на магнітних стрічках, барабанах, дисках тощо (величина ємності – кілька гігабайт).

Буферна пам’ять (кеш-пам’ять) має невелику інформаційну ємність, в яку розміщують найнеобхіднішу, що часто використовується, інформацію. Вона також узгоджує різні рівні системи пам’яті між собою і зовнішніх пристроїв з системою пам’яті. Цей пристрій виконує арифметичні, логічні та інші операції.

До арифметичних операцій у двійкові системі належать додавання, віднімання, ділення, множення та ін.; логічні операції – зсув чисел. Їх порівняння, нормалізація та й ін.; операції із взаємодії оперативно-запам’ятовуючого пристрою (ОЗП) з суматором та зовнішнім запам’ятовуючим пристроєм тощо.

Арифметично-логічні пристрої (АЛЛ) класифікують по багатьох ознаках: АЛЛ послідовної та паралельної дії, за способом запису, відображення чисел тощо.

Пристрій керування автоматично виконує програму обчислень, введених у машину, складається з генератора керуючих сигналів, лічильника команд, регістра команд, комутатора адресів та інших елементів. Пристрій керування виробляє згідно з програмою необхідну послідовність функціональних сигналів, які забезпечують взаємодію частин ЕОМ так, щоб весь процес обчислень був автоматичним. Пристрій подає сигнали на введення та виведення даних, командної інформації в запам’ятовуючий пристрій та із оперативного запам’ято­вуючого пристрою в АЛП. Крім того пристрій керування забезпечує контроль операцій, що виконуються і запускає, зупиняє машину.

Арифметично-логічний пристрій, пристрій керування, блок оперативної пам’яті, селекторні та мультиплексійні канали складають процесор    ЕОМ).

Процесор розміщується в системному блоці на спеціальній платі, яку називають матрицею. На ній пов’язують між собою всі пристрої ЕОМ, координують їх дії, передачі сигналів між ними з допомогою шин.

Рис. Будова ЕОМ і взаємодія її частин.

2.Мікропроцесорні засоби.

Розвиток технології і схемотехніки мікроелектронних схем призвів до створення великих інтегральних схем (ВІС), що являють собою універсальні за призначенням, функціонально закінчені пристрої і по своїх функціях та структурі нагадують спрощений варіант процесора ЕОМ третього покоління, але мають незрівнянно менші розміри. Такі ВІС отримали назву мікропроцесорів.

Мікропроцесор (МП) – це мікросхема або сукупність невеликого числа мікросхем (відповідно один або декілька кристалів ВІС), що виконує над даними арифметичні і логічні операції і що здійснює програмне керування обчислювальним процесом.

Мікропроцесорні засоби випускаються промисловістю у вигляді наборів сумісних по рівням напруг живлення, сигналах і представленні інформації ВІС і СІС (інтегральні схеми середнього ступеня інтеграції) – наборів мікропроцесорних схем,   що включають МП, мікросхеми оперативної і постійної пам’яті, керування введенням-виведенням, генератора тактових сигналів і інш.

Мікропроцесори і мікропроцесорні набори служать основою для створення різних універсальних і спеціалізованих мікро-ЕОМ, мікропроцесорних інформаційно-керуючих систем, мікроконтроллерів що програмуються, різноманітних мікропроцесорних приладів і пристроїв контролю, керування і обробок даних. Так, наприклад, лабораторні стенди побудовані на основі мікропроцесорного набору серії КР580.

Мікро-ЕОМ, або мікрокомп’ютером називають пристрій обробки даних, що містить один або декілька мікропроцесорів, ВІС постійної і оперативної пам’яті, ВІС керування введенням і виведенням і деякі інші схеми. Мікрокомп’ютер такого складу іноді називають ”голим” через відсутність в ньому периферійних пристроїв (зовнішніх запам’ятовуючих пристроїв (ЗЗП) і пристроїв введення та виведення ). Мікрокомп’ютери в такій конфігурації часто застосовують як вбудовані в різні верстати, машини і технологічні процеси керуючі пристрої (контроллери).

Мікрокомп’ютери широкого призначення, що використовуються для виконання обчислювальних робіт, керування складними технологічним процесами, оснащуються необхідними периферійними пристроями (дисплеями, друкуючими пристроями, ЗП на гнучких дисках, аналогово-цифровими і цифрово-аналоговими перетворювачами і інш.).

Мікропроцесорною системою (МП-системою) звичайно називають спеціалізовану інформаційну або керуючу систему, побудовану на основі мікропроцесорних засобів.

Мікрокомп’ютер з невеликими обчислювальними ресурсами і спрощеною системою команд, орієнтований не на обчислення, а на виконання процедур логічного керування різним обладнанням, називається мікроконтроллером, що програмується або просто мікроконтроллером.

Логічна організація (архітектура) мікропроцесорів (мікропроцесорних засобів) орієнтована на досягнення універсальності застосування, високої продуктивності і технологічності.

Універсальність мікропроцесорів (мікропроцесорних засобів) визначається можливістю їх різноманітного застосування і забезпечується програмним керування МП, що дозволяє проводити програмну настройку МП на виконання певних функцій, магістрально-модульним принципом побудови, а також спеціальними апаратурно-логічними засобами: надоперативною регістровою пам’яттю, багаторівневою системою переривання, прямим доступом до пам’яті, схемами керування введенням-виведенням, що програмно настроюються і т.п.

Відносно висока продуктивність МП досягається використанням для їх побудови швидкодіючих великих і надвеликих інтегральних електронних схем і спеціальних архітектурних рішень, таких як стекова пам’ять, різноманітні способи адресації, гнучка система команд (або мікрокоманд) і інш.

Технологічність мікропроцесорних засобів забезпечується модульним принципом конструювання, який передбачає реалізацію цих засобів у вигляді набору функціонально закінчених ВІС, що просто об’єднуються у відповідні обчислювальні пристрої, машини і комплекси.

Висока універсальність і гнучкість МП, що досягається завдяки програмному керуванню, низька вартість, невеликі розміри, підвищена надійність, можливість вбудовування мікропроцесорних засобів в прилади, машини і технологічні процеси забезпечують мікропроцесорам виключно широке застосування в різних керуючих і обробляючих дані цифрових пристроях і системах.

Використання мікропроцесорів приводить до зміни характеру проектної роботи розробника пристроїв і систем автоматики: в багатьох випадках проектування схем замінюється розробкою програм настройки мікропроцесорної апаратури на виконання певних функцій.

3.Структура мікропроцесорного пристрою

На рисунку представлена спрощена типова структура мікропроцесорного пристрою (або системи), призначеного для обробки даних або керування деяким процесом. Приблизно таку ж структуру мають мікро-ЕОМ широкого призначення.

Почесне місце в цій структурі займає мікропроцесор, який безпосередньо виконує арифметичні і логічні операції над даними, здійснює програмне керування процесом обробки інформації, організує взаємодію всіх пристроїв, що входять до системи. Робота МП відбувається під дією сигналів схеми синхронізації, яка часто виконується у вигляді окремої ІС.

Щоб МП міг виконати задачу у відповідності із деякою програмою, команди програми повинні бути трансформовані в код, “зрозумілий” МП. Ці коди розміщуються і зберігаються в пам’яті системи. МП починає роботу, зчитуючи коди першої команди програми із пам’яті, розшифровує відповідну команду і виконує вказану в ній операцію. Потім процесор зчитує наступну по порядку команду програми і знову виконує вказану в ній операцію. Цей процес повторюється при послідовному переборі відповідних вічок пам’яті, де зберігаються команди програми. Певні команди змушують МП “перестрибнути” через кілька команд в сторону збільшення або зменшення номерів (адрес) вічок. В останньому випадку програма може повернути МП до повторного виконання команд програми. Отже можуть бути реалізовані алгоритми лінійної, розгалуженої або циклічної структур.

Подана на рисунку структура відображає магістрально-модульний принцип організації мікропроцесорних пристроїв і систем. Окремі блоки є функціонально закінченими модулями зі своїми вбудованими схемами керування, виконаними у вигляді одного або декількох кристалів ВІС або СІС, взятих в корпуси з відповідною кількістю виводів. Міжмодульні зв’язки і обмін інформацією між модулями здійснюється за допомогою колективних шин (магістралей), до яких мають доступ всі основні модулі системи. У кожний момент можливий обмін інформацією тільки між двома модулями системи. Таким чином, обмін інформацією здійснюється шляхом поділу у часі модулями системи колективних шин (магістралей). Магістральний принцип побудови сполучень модулів (інтерфейсу) МП-системи передбачає наявність інформаційно-логічної сумісності модулів, яка реалізовується шляхом використання єдиних способів представлення інформації, алгоритму керування обміном, форматів команд керування обміном і способу синхронізації.

Для мікропроцесорів характерна тришинна структура, що містить шину адреси (ША), двонапрямну шину даних (ШД) і шину керування (ШК). Як видно з рис. , типова структура МП-системи передбачає наявність загального сполучення (загального або єдиного інтерфейсу) для модулів пам’яті   постійних і оперативних запам’ятовуючих пристроїв (ПЗП і ОЗП) і периферійних пристроїв – зовнішніх запам’ятовуючих пристроїв (ЗЗП) і пристроїв введення-виведення (ПВВ).

Як периферійні пристрої (ПП) в МП-системах використовуються клавіатура, дисплеї, накопичувачі на гнучких магнітних дисках, модеми, друкуючі пристрої, пристрої зв’язку з об’єктом керування і т.д.

Периферійні пристрої приєднуються до шин інтерфейсу (шин МП) не безпосередньо, а через схеми, що програмуються, паралельного периферійного інтерфейсу (ППІ) і послідовного периферійного інтерфейсу (ПсПІ), які обслуговують ПП з передачею інформації відповідно паралельним і послідовним кодом. Наявність схем інтерфейсів, що програмно настроюються, робить достатньо гнучкою і функціонально багатою систему введення-виведення в МП-системі.

Мікро-ЕОМ або МП-система, що містить, крім МП, порівняно невелике число додаткових ВІС (корпусів) із мікропроцесорного набору (інтегральна пам’ять, таймер, схеми інтерфейсів та інш.) може бути розміщена на одній друкованій платі (одноплатна мікро-ЕОМ або МП-система). Як приклад, може бути стенд учбової мікропроцесорної лабораторії.

При включенні до складу мікро-ЕОМ або МП-системи пам’яті великої місткості і різноманітного периферійного обладнання з відповідними керуючими блоками – різними контроллерами і адаптерами – конструкція мікро-ЕОМ або МП-системи виконується у вигляді кількох друкованих плат, взятих в спільний корпус. Габарити таких виробів, наприклад персональних комп’ютерів, як правило досить малі.