Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ

Цифровые устройства (иерархия)

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Лекция №16

Цифровая техника - заключение

Содержание

Введение. 2

1. Цифровые устройства (иерархия) 2

1.1 Логические элементы.. 2

1.2. Интегральная микросхема. 3

1.2.1 Степень интеграции. 3

1.2.2.Типы логики. 3

1.2.3. Управляющие автоматы на элементах с жесткой логикой. 4

1.2.4 Достоинства и недостатки автоматов с жесткой логикой. 5

1.2.5. Технологический процесс. 5

2.3. Серии микросхем.. 5

2. ПЛИС.. 5

2.1 Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма. 5

2.2 Основные современные типы ПЛИС.. 6

2.3 Некоторые производители ПЛИС.. 6

3. Микропроцессорные устройства. 7

3.1. Компьютер. 7

3.2. Микрокомпьютер. 7

3.3. Проце́ссор. 8

3.4.Типы процессоров. 8

3.4.1 Центра́льный проце́ссор. 8

3.4.2 Микропроцессор. 9

3.4.3 Микропроцессор. 9

3.4.4 Ядро микропроцессора. 9

3.5 Микроконтроллер (MCU) 10

3.6. Архитектура компьютера. 11

3.6.1 Принципы фон Неймана. 12

3.6.2 Гарвардская архитектура. 13

3.6.3 Классическая гарвардская архитектура. 13

3.6.4 Модифицированная гарвардская архитектура. 14

3.7. Процессоры подразделяются …... 14

3.7.1 CISC.. 14

3.7.2 MISC.. 14

3.7.3 RISC.. 15

3.7.4 Архитектуры, обычно обсуждаемые в связи с RISC.. 15

3.8. Архитектуры контроллеров. 16

Введение

Основами электронной техники являются - аналоговая и цифровая (частью которой является микропроцессорная техника).

Инструментом создания мп устройств - программирование.

Цифровые устройства (иерархия)

· Дискретная логика

- логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, +2, И- НЕ, ИЛИ- НЕ, и пр;

- Триггеры;

- Счётчики;

- Шифраторы;

- Дешифраторы;

- Цифровой компараторы;

- Мультиплексоры;

- Демультиплексоры;

- Регистры;

- Полусумматор;

- Сумматоры;

- Арифметическо-логическое устройство;

- Компаратор напряжений (U->1, 0);

- АЦП и ЦАП

· ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы

Основные – CPLD и FPGA

· Микропроцессорные устройства

- Запоминающие устройства;

- Микрокомпьютер;

- Микропроцессор (в том числе ЦПУ в компьютере);

- Микроконтроллер;

- Однокристальные микрокомпьютеры/

Логические элементы

Логические элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней в двоичной логике, последовательность "0", "1" и "2" в троичной логике, последовательности "0", "1", "2", ….."9" в десятичной логике).

Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) с входными сигналами (операндами, данными).

рассматриваются только простейшие и важнейшие логические элементы.

Конструктивная реализация в виде ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.

Интегральная микросхема

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, chip), чип, микрочи́п

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная в едином тех. процессе и помещённая в неразборный корпус.

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

толстоплёночная интегральная схема;
тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — миллионы ементов в кристалле.

В настоящее время название все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые).

Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы.

Микросхемы на полевых транзисторах:

МОП -логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;
КМОП -логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;
ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки.
ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими (ф. Motorola).

Технологический процесс

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография и литографическое оборудование.

Разрешающая способность этого оборудования (т.н. проектные нормы) и определяет название применяемого техпроцесса

процессоры (Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм.

видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм)..

Core i3 -i7 тех. Процесс - 0,032 мкм.

Серии микросхем

(Аналоговые) и цифровые микросхемы выпускаются сериями.

Серия - это группа микросхем (набор функциональных узлов), имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, и предназначенная для совместного применения.

Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

ПЛИС

2.1 Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем.

В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования).

Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др.

Альтернативой ПЛИС являются:

- базовые матричные кристаллы, требующие заводского производстенного процесса для программирования;

ASIC - специализированные заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже;

- специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, но которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС.

Компьютер

Компью́тер (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ (электро́нная вычисли́тельная маши́на) — вычислительная машина для передачи, хранения и обработки информации.

Термин «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ» (электронная вычислительная машина), принятая в СССР, являются синонимами. Однако, после появления персональных компьютеров, термин ЭВМ был практически вытеснен из бытового употребления. В настоящее время аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин, в юридических документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-1970-х годов, особенно советского производства.

Своё название компьютеры получили по основной функции — проведению вычислений. В настоящее время большинство компьютеров используются для обработки и управления информацией, а также игр, но и эти задачи для компьютера также являются последовательностью вычислений.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде (при этом вся необходимая информация, как правило представляется в двоичной форме — в виде единиц и нулей, хотя существовали и компьютеры на троичной системе счисления), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики.

Компьютер работают по заранее определённому алгоритму.

Было обнаружено, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.

Микрокомпьютер

распространённое в конце 70-х — 80-х годах XX века название компьютеров (в частности, бытовых (домашних) компьютеров), основанных на микропроцессорах. Также это название характеризовало физические размеры компьютеров.

Позднее термин микрокомпьютер, равно как и термин домашний компьютер, был вытеснен термином персональный компьютер, что было связано с широким распространением IBM PC -совместимых машин.

В настоящее время микрокомпьютерами часто называют встраиваемые системы (embedded system (англ.)) управления (например, в бытовую технику или автомобили

3.3. Проце́ссор

Процессор имеет два значения в информационных технологиях, которые близки и объясняют похожие процессы.

Первое значение термина «процессор» – это машинная программа, управляющая определенными процессами (обработкой данных, вычислительными процессами).

Во втором значении – «процессор» это устройств о, которое выполняет вычислительные арифметические и логические операции над имеющимися данными.

Процессор во втором своем значении (устройство) может быть автономным или функциональной частью компьютера. В последнем случае под этим термином часто подразумевается центральный процессор, в том числе микропроцессор.

По функциональному назначению процессоры делят на следующие виды:

- арифметический процессор,

- графический процессор;

- буферный процессор;

- процессор данных;

- процессор баз данных;

- текстовый процессор;

- процессор ввода-вывода;

- интерфейсный процессор;

- лингвистический процессор;

- сетевой процессор;

- межсетевой процессор;

- процессор передачи данных;

- терминальный процессор;

- специализированный процессор и т.д.

Типы процессоров

Характеристики процессоров отражают его производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость.

Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд, скоростью выполнения команд в миллионах операций в секунду (mips), разрядностью используемой шины, размерами обрабатываемых слов и объемом адресуемой памяти.

3.4.1 Центра́льный проце́ссор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Центральный процессор (CPU) -– основная рабочая часть компьютера, которая выполняет арифметические и логические операции, заданные программой; управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Микропроцессор

Микропроцессор (чип, chip) – это кремниевый кристалл, непосредственно на котором и расположен CPU (центральный процессор). Является центральной частью всех компьютеров. Также микропроцессоры используются и на всех цифровых устройствах, управляя ими.

Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel первой изготовила микросхему Intel 4004, которая выполняла функции процессора.

Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма IBM выпустила свои первые персональные компьютеры).

3.4.3 Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в противоположность реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели.

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметическо-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем.

Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трёх микросхем, который получил термин чипсет.

Характеристики процессора:

- быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду.

- разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция

Ядро микропроцессора

ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture).

Термин «ядро микропроцессора» (англ. processor core) не имеет чёткого определения и в зависимости от контекста употребления может обозначать:

часть микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки.
набор параметров, характеризующий микропроцессор.
кристалл микропроцессора (CPU или GPU), чаще всего, открытый.
часть процессора, осуществляющая выполнение одного потока команд. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер и поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Ядро микропроцессора обычно имеет собственное кодовое обозначение (например, K7) или имя (например, Coppermine, Prescott, Conroe ….).

Микроконтроллер (MCU)

История

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ». Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления.

По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control — управление).

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Бо́льшая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.

Принципы фон Неймана

Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения

В 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс ) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции Электронно-вычислительного устройства».

В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде), выдвигалась идея использования программами общей памяти.

Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».

Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Принцип последовательного программного управления

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

Принцип условного перехода.

Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

Гарвардская архитектура

— архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer) — процессор, работающий с минимальным набором длинных команд. Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных. Кроме этого MISC использует стековую модель вычислительного устройства и основные команды работы со стеком Forth языка. MISC принцип может лежать в основе микропрограммы выполнения Java и .Net программ, хотя по количеству используемых команд они нарушают принцип MISC

Процессоры, образующие «компьютеры с минимальным набором команд» MISC, как и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд..

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer; компьютер с сокращённым набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — короче, вычисления с сокращённым набором команд.

Это концепция проектирования процессоров (ЦПУ), которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее.

Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения (т. н. суперскалярные архитектуры процессоров).

Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления.

Идея создания RISC процессоров пришла после того, как в 1970-х годах ученые из IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора.

Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того, что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых.

Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50−100) набор команд, тогда как обычные CISC (Complex Instruction Set Computer) выполняли 100—200.

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. load-and-store архитектура).
Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Архитектуры контроллеров

В основном - Гарвардская архитектура - то есть раздельные области памяти для хранения команд (программы) и данных. Они могут иметь разную разрядность, в системе команд для обращения к ним предусмотрены различные команды и т.д.
интеграция в одном корпусе микросхемы (на одном кристалле) практически всех блоков, характерных для полнофункционального компьютера - процессора, ПЗУ, ОЗУ, устройств ввода-вывода, тактового генератора, контроллера прерываний и т.д.
в русскоязычной литературе подобные устройства часто называются однокристальные ЭВМ (ОЭВМ).