Цифровые устройства и микропроцессоры — это управляемое программно-электронное цифровое оборудование, которое предназначено для обработки информации в цифровом формате и управления этой обработкой.
Введение
Все технические устройства можно разделить на две группы, а именно аналоговые устройства и цифровые. Каждая группа обладает своими достоинствами и недостатками. Устройства, выполненные на аналоговых элементах, обладают очень хорошим быстродействием, потребляют не очень много энергии, у них низкая стабильность параметров. Устройства на цифровой основе имеют отличную стабильность своих характеристик, что и предопределило их явное преимущество. Развитие цифровых технологий, к тому же, привело к значительному сокращению потребляемой энергии цифровыми устройствами, и они по этому параметру сравнялись, а кое-где и обогнали аналоговые приборы.
Микропроцессоры в цифровых устройствах
На рисунке один приведена схема классификации электронных устройств на основе микропроцессоров.
Рисунок 1. Классификация микропроцессоров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
С развитием цифровых технологий очень сильно увеличилось быстродействие цифровых микросхем. Лучшие экземпляры могут выполнять переключение за время примерно четыре наносекунды. Такой уровень быстродействия имею программируемые логические микросхемы, в которые уже заложен алгоритм решения поставленной задачи.
Но следует заметить, что увеличение быстродействия имеет и отрицательные стороны:
- У быстродействующих микросхем возрастает энергопотребление.
- Для реализации больших алгоритмов необходимо задействовать большое количество микросхем, что увеличивает габариты и стоимость.
Первая проблема может быть решена использованием КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологии в цифровых микросхемах. Ток потребления у них находится в прямой зависимости от быстродействия вентилей логики.
Вторая проблема имеет несколько решений, в частности это проектирование больших интегральных схем (БИС) со специализированным назначением. Вторым направлением считается использование программируемых логических схем. И, наконец, третий вариант заключается в методе, когда имеется один быстродействующий модуль, предназначение которого заключается в поочерёдном решении всех разнообразных задач путём изменения своей организации с течением времени. То есть имеется ввиду, микропроцессор. Говоря иносказательно, в микропроцессоре можно обменять предельное быстродействие на усложнение проектируемого модуля. Это и является главной причиной стремления конструкторов предельно увеличить допустимую максимальную скорость работы микропроцессоров, что даёт возможность выполнять усложнённое оборудование при неизменном объёме. Кроме того, один процессор позволяет осуществить реализацию целого набора устройств единовременно.
В сегодняшней действительности практически невозможно найти техническую сферу, где бы не использовались микропроцессоры. Их используют для математических вычислений, для управления оборудованием, для обработки звуковых и видео файлов. Сфера использования микропроцессора определяет и комплекс требований к его параметрам. Это отражается и на внутренней структуре микропроцессора. Сегодня можно выделить следующие основные тенденции в развитии микропроцессоров:
- Микропроцессоры универсального назначения.
- Специализированные микроконтроллеры.
- Микропроцессоры сигнального назначения.
Областью использования универсальных микропроцессоров является реализация вычислительных устройств. Здесь применяются наиболее передовые достижения по уровню быстродействия, при этом габаритные размеры, цена и энергопотребление отходят на второй план и учитываются в последнюю очередь. В устройствах, предназначенных для обеспечения связи, компьютеры применяются, чтобы управлять такими системами, имеющими значительные размеры и себестоимость. Эти компьютеры принято именовать контроллерами.
Микроконтроллеры применяются в системах управления мелкими и недорогими модулями связи, которые в своё время имели название однокристальные микро-ЭВМ. Для микроконтроллеров главной проблемой является именно уменьшение размеров, снижение цены и энергопотребления, что отличает их от универсальных микропроцессоров.
Сигнальные процессоры применяются в тех областях, где всегда применялось аналоговое оборудование. К сигнальному типу процессоров предъявляются особый набор требований. Они должны иметь предельно большую скорость работы, небольшие размеры, простую стыковку с модулями цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей, многоразрядное представление данных и не очень много операций математики, но с обязательным наличием возможности умножения и организации циклов на аппаратном уровне.
Внутренняя структура микропроцессора
Главным модулем операционного микропроцессорного блока считается арифметико-логическое устройство. У него имеется пара входов и один выходной информационный сигнал. Структурная организация операционного блока микропроцессора с тремя шинами показана на рисунке два.
Рисунок 2. Структурная организация операционного блока микропроцессора с тремя шинами. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из рисунка два видно, что данные информационного источника и итог осуществления операции должны храниться в модуле сверхоперативного запоминающего устройства, представляющего собой несколько регистров с обеспечением возможности параллельной выборки данных из двух регистров и записи данных в следующий регистр. Поскольку для трансляции информации необходимы три канала (шины), то эта структурная организация операционного микропроцессорного блока получила название трёх шинная.
Следует отметить, что поскольку в данном вычислительном цифровом устройстве имеются регистры, то значит, чтобы запомнить итоги деятельности арифметико-логического устройства на входы, предназначенные для синхронизации работы данных регистров, нужно подать синхронизирующий сигнал CLK.
