Основы микропроцессорной техники

Дисциплина «Основы микропроцессорной техники» Лекция 1. Основы микропроцессорной техники 1.1. Основные понятия и определения микропроцессорной техники. 1.2. Арифметические и логические основы микропроцессорной техники. 1.3. Шифраторы, дешифраторы и индикаторы отображения информации 1.1. Основные понятия и определения микропроцессорной техники Появление первого микропроцессора (70-е годы прошлого столетия) положило начало новому поколению микропроцессорных систем управления различными техническими объектами. Такие системы широко применяются в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, на транспорте, в военном деле и в бытовых устройствах. Микропроцессор – это устройство, осуществляющее обработку цифровой информации, управляющее этим процессом и выполненное на базе интегральных микросхем. Интегральная микросхема – чип (от англ. chip) – тонкая пластина, на которой размещено большое количество электронных компонентов, R, C, L, диодов, транзисторов (на 1 см2 располагается 107-109 таких элементов). Микропроцессор (рисунок 1) состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ) действиями над двоичными числами, которые осуществляются в АЛУ. Рисунок 1. Блок-схема микропроцессора Структурная схема микропроцессорного устройства управления (рисунок 2) включает микропроцессор, устройство ввода-вывода (УВВ) информации и память, содержащую постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а также шины управления (проводные линии, пучок проводов), данных и адреса. Рисунок 2. Структурная схема микропроцессорного устройства управления В ПЗУ хранятся команды программы функционирования микропроцессора. Кстати, ПЗУ сохраняет информацию при отключении электропитания микропроцессора. 1.2. Арифметические и логические основы микропроцессорной техники Арифметические основы микропроцессорной техники определяются системой счисления, которой называют способ записи произвольного числа набором цифр. Так, десятичная система счисления имеет десять цифр (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). Такая система, в реализации (на основе цифровых устройств) должна иметь 10 устойчивых состояний, то есть для каждой из 10 цифр потребовался бы отдельный электронный блок, а это сложно, дорого и ненадежно. По этой причине в цифровой электронной технике распространение получила двоичная система счисления (0 и 1). Такая система с двумя устойчивыми состояниями исключает недостатки десятичной системы. Для реализации таких двух устойчивых состояний достаточно двух электронных блоков (вместо 10), а это решение проще, дешевле и надежнее в работе. Запись чисел в такой системе представляет собой последовательность только нулей и единиц. (двоичная система счисления, 2 цифры). 1 1 1 12 число, записанное в двоичной системе счисления; 25 24 23 22 21 20 значимость числа в разряде; 32 16 8 4 2 1 десятичный эквивалент. Номер позиции, определяющей значимость числа, называется разрядом. Разряды увеличиваются справа – налево. Запись числа 43 в двоичной системе счисления имеет шесть разрядов (1 25 + 0 24 + 1 23 + 0 22 + 1 21 + 1 20) = 43. Запишем в двоичной системе счисления посредством четырех разрядов десятичные числа от 0 до 15. Десятичная система счисления Двоичная система счисления 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 Как видно, в каждом двоичном разряде, получившем название «бит» (от англ. bit – кусочек), может стоять одна из двух цифр: «1» или «0». Бит – минимальная единица информации (0 или 1) 8 бит = 1 байт; 210 байт = 1024 байт = 1 Кбайт 210 Кбайт = 1 Мбайт 210 Мбайт = 1 Гбайт (230 байт-слов) Арифметические операции в двоичной системе исключительно просты по сравнению с известной нам десятичной системой счисления. Рассмотрим сложение в двоичной системе. Кстати, персональный компьютер только складывает. 1. 5+2 2. 5–2 = 5+(-2) 3. 52 = 5+5 4. 5:2 = 5 Примеры: 1) 3 + 1 = 00112 + 00012= + 0 0 1 12 = 3 0 0 0 12 = 1 , 0 1 0 02 = 4 2) 7 + 4 = + 0 1 1 12 0 1 0 02 . 1 0 1 12 Для представления отрицательного числа его положительное значение необходимо представить дополнительным кодом. Правило записи дополнительного кода: 1. Записать обратный, инверсный код положительного значения числа. 2. В младший разряд обратного кода числа добавить единицу, в результате чего получаем дополнительный код числа. Пример: 5 – 2 = 5 + (-2) 1) 00102=210, 11012=обратный код числа «2», 2) + 1 1 0 12 0 0 0 12 – дополнительный код числа «2». 1 1 1 02 3) + 0 1 0 12 510 = 01012 1 1 1 02 0 0 1 12 = 310. Пример: 7 – 3 = 7 + (-3) 1) 00112=310, 11002=обратный код числа «3», 2) + 1 1 0 02 0 0 0 12 – дополнительный код числа «3». 1 1 0 12 3) + 0 1 1 12 710 = 01112 1 1 0 12 0 1 0 02 = 410. Для описания работы цифровых электронных устройств используется математический аппарат алгебры логики Буля. Основоположником такой логики был английский математик Джордж Буль (1847 г. – год издания его статьи «Математический анализ логики»). В такой алгебре символы 1 и 0 – это не числа, а состояния переменных, таким образом алгебра Буля — это алгебра состояний. Например, реле может находиться в двух состояниях. Алгебра Буля включает десять правил, первые три из которых совпадают с законами обычной алгебры: 1) x 0 = 0; 2) x + 0 = x; 3) x 1 = x, а остальные применяются исключительно только в алгебре Буля: 4) x x = x; 5) x + x = x; 6) x = 0; 7) x + 1 = 1; 8) = x; В частности: Правило Д. Моргана можно сформулировать следующим образом: инверсия произведения двух переменных равна сумме инверсий этих двух переменных. Инверсия суммы двух переменных равна произведению инверсий этих двух переменных. Алгебра Буля позволяет осуществлять минимизацию (упрощение) логических функций и, соответственно, сокращать количество логических элементов. Пример: Как видно из примера, сложное выражение вначале из трех суммирований после преобразования по правилам алгебры Буля свелось к одной сумме. Было: Стало: Как видно из рисунков, количество элементов исходной схемы – 8, преобразованной по правилам алгебры Буля – 5, что составляет 62% от исходной схемы. Для реализации логических операций в двоичной системе счисления применяют логические элементы инверсии (НЕ), сложения (ИЛИ), умножения (И), инверсии сложения (ИЛИ-НЕ) и инверсии-умножения (И-НЕ). Представим графические изображения таких логических элементов. «НЕ» «ИЛИ» «И» «ИЛИ - НЕ» «И - НЕ» Этим логическим элементам соответствуют таблицы истинности, которые описывают логические функции. «НЕ» «ИЛИ» «И» x y 1 1 x1 x2 y 1 1 1 1 1 1 1 x1 x2 y 1 1 1 1 1 «ИЛИ - НЕ» «И - НЕ» x1 x2 y 1 1 1 1 1 x1 x2 y 1 1 1 1 1 1 1 1.3. Шифраторы, дешифраторы и индикаторы отображения информации Шифраторы. Рассмотрим функциональную схему калькулятора Ш – шифратор; АЛУ – арифметико-логическое устройство; ДШ – дешифратор. В такой цифровой системе, поступающая с клавиатуры десятичная информация должна быть переведена в двоичный код. Эта операция кодирования выполняется цифровым устройством, называемым шифратором. АЛУ осуществляет арифметические операции счета (±, х, ÷, %). Выходящая из АЛУ двоичная информация (в двоичном коде) переводится дешифратором в специальный код семисегментного десятичного индикатора. Логическая схема шифратора имеет 10 входов и 4 выхода. Например, нажата клавиша «7», в результате чего заземляется вход «7» шифратора. Это повлечет вывод двоичного числа 0111. Запишем таблицу истинности такого шифратора, имеющего 10 входов. Согласно таблице шифратор преобразует номер входа (десятичное число) в двоичный код. Например, при нажатии кнопки №7 (Вкл) на вход шифратора подается «0», а на выходе его должен появляться двоичный код числа «7». x9 x8 x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 y4 y3 y2 y1 Десятичный эквивалент 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 Для записи логического изображения индикатора необходимо для выходного двоичного кода (y4, y3, y2, y1), содержащего «1», на вход шифратора подать «0», соответственных десятичных чисел. В итоге получим: Согласно этим выражениям можно реализовать шифратор, требующий 4-х логических элементов «или» с известными входами. Условное изображение шифратора: Дешифраторы и индикаторы. Рассмотрим схему системы «Дешифратор – десятичный индикатор». R – сопротивление для ограничения тока, т.к. . VD – светодиоды Светиться будут те секторы-элементы (a, b, c, d, e, f, g) на которые будут поступать «1» (+5В) с выходов дешифратора. В частности, для высвечивания цифры «7» необходимо подать «1» с выходов a, b, c. Таблица истинности семисегментного дешифратора. Десятичное число Двоичный код Семисегментный выход a b c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 2 0 0 1 0 1 1 1 1 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 1 4 0 1 0 0 1 1 1 1 5 0 1 0 1 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 Условное изображение дешифратора Дешифраторы (декодеры) могут выполнять и другие функции, предназначенные для распознавания различных кодовых комбинаций, преобразовывать двоичный код в десятичный и др.