 
2.1 Поняття про мікропроцесори 1
Структура мікропроцесора 2
Характеристики процесора: 5
2.2 Логічні елементи 6
Види електронних логічних елементів 7
Мікросхеми логічних елементів 9
Цифрові комбінаційні пристрої 9
2.3 Пристрої для сприйняття інформації про об’єкт керування 11
Класифікація датчиків 11
Характеристики датчиків 13
Бінарні, імпульсні і цифрові датчики 15
2.4 Датчики переміщення, тиску, температури, частоти. 16
Термопари 18
Фотодатчики 20
Аналогові безконтактні перемикачі 25
Розрізнення кольорів і зв'язок 25
2.5 Виконавчі механізми 26
Виконавчі пристрої 27
Двопозиційні (бінарні) виконавчі механізми 28
Електромагнітні реле 28
Електропривід 30
Електродвигуни постійного струму. 31
Гідро- і пневмопривід 32
2.6 Обробка сигналів у системах автоматичного керування. 34
АЦП і ЦАП 36
2.1 Поняття про мікропроцесори
Загальна характеристика
Процесор є центральним пристроєм комп’ютера.
Мікропроцесор (МП) - це надвелика інтегральна схема, яка реалізує функції процесора ПК. МП створюється на напівпровідниковому кристалі (або декількох кристалах), шляхом використання складної мікроелектронної технології.
Мікропроцесор, інакше, центральний процесор - Central Processing Unit (CPU) - функціонально закінчений програмно-керований пристрій обробки інформації, виконаний у вигляді однієї або декількох великих або надвеликих інтегральних схем.
Мікропроцесор призначений для виконання програм з обробки інформацій. Програма складається з певної кількості команд (інструкцій), які мікропроцесор виконує у певній послідовності. Команди, як і дані, над якими мікропроцесор виконує операції, знаходяться у пам'яті.
Для МП характерні:простота виробництва (за єдиною технологією);
низька вартість (при масовому виробництві);
малі габарити (пластина площею кілька квадратних сантиметрів або кубик зі стороною кілька міліметрів);
висока надійність;
мале споживання енергії.
Виконання команд програми мікропроцесором — це певна циклічна послідовність дій:
формування адреси чергової команди;
зчитування цієї команди за сформованою адресою й пересилка її з пам'яті у мікропроцесор;
дешифрування отриманої з пам'яті команди, тобто розкладання команди на елементарні дії, які мають виконувати пристрої мікропроцесора;
власне виконання команди, тобто виконання у певній послідовності елементарних дій, з яких складається команда;
формування адреси операндів, над якими виконується певна послідовність елементарних операцій даної команди;
зчитування операндів з пам'яті за сформованою адресою і пересилання їх із пам'яті у мікропроцесор;
формування адреси, за якою буде записано результат виконання даної команди;
пересилання результату за сформованою адресою з мікропроцесора у пам'ять;
формування адреси наступної команди.
Структура мікропроцесора
До складу процесору входять наступні пристрої :
пристрій управління (ПУ)
арифметико - логічні пристрій (АЛП)
регістри процесорної пам'яті
система шин
ПУ – керує роботою всіх пристроїв комп'ютера згідно програми (функцію управління можна порівняти з роботою диригента, який керує оркестром. Своєрід “партитурою” для ПУ являється програма).
АЛП – обчислювальний інструмент процесора. Цей пристрій виконує арифметичні й логічні операції за командами програми.
Регістри – це внутрішня проміжна пам'ять процесора. Кожен з регістрів служить свого роду проміжною пам'яттю, використовуючи яку процесор виконує розрахунки й зберігає проміжні результати. У кожного регістра є окреме призначення.
Пристрій управління
Пристрій управління є функціонально найбільш складним пристроєм ПК. Він виробляє керуючі сигнали, що надходять по кодових шинах інструкцій в усі блоки машини.
Спрощена функціональна схема УУ показана на мал. 1. Тут представлені:
Рис. 1. Функціональна схема пристрою управління
Регістр команд - запам'ятовуючий регістр, у якому зберігається код команди: код виконуваної операції й адреси операндів, що беруть участь в операції. Регістр команд розташований в інтерфейсній частини МП, у блоці регістрів команд.
Дешифратор операцій - логічний блок, що вибирає відповідно до регістра команд та кодом операції один з наявних у нього виходів.
Постійний запам'ятовуючий пристрій мікропрограм – зберігає у своїх осередках керуючі сигнали (імпульси), необхідні для виконання в блоках ПК операцій обробки інформації.
Кодові шини даних, адреси й інструкцій - частина внутрішньої інтерфейсної шини мікропроцесора. У загальному випадку УУ формує керуючі сигнали для виконання наступних основних процедур:
вибірки з регістра-лічильника адреси команди МП адреси комірки ОЗП, де зберігається чергова команда програми;
вибірки з комірки ОЗП коду чергової команди й прийому зчитаної команди до регістра команд;
розшифровки коду операції й ознак обраної команди;
зчитування відповідно розшифрованому коду операції комірок ПЗУ з мікропрограмами керуючих сигналів (імпульсів), що визначають у всіх блоках машини процедури виконання заданої операції, і пересилання керуючих сигналів у ці блоки;
зчитування з регістра команд і регістрів МП окремих адрес чисел, що беруть участь в обчисленнях, і формування повних адрес операндів;
вибірки операндів (по сформованих адресах) і виконання заданої операції обробки цих чисел;
запису результатів операції до пам’яті;
формування адреси наступної команди програми.
Арифметико-логічний пристрій
Арифметико-логічний пристрій призначений для виконання арифметичних і логічних операцій перетворення інформації.
Рис. 2. Функціональна схема АЛП
Функціонально АЛП (мал. 2) складається звичайно із двох регістрів, суматора й схем управління (місцевого пристрою управління).
Суматор – обчислювальна схема, що виконує процедуру додавання двійкових кодів, які поступають на її вхід; суматор має розрядність подвійного машинного слова.
Регістри - швидкодіючі комірки пам'яті різної довжини: регістр 1 (Рг1) має розрядність подвійного слова, а регістр 2 (Рг2) - розрядність слова.
При виконанні операцій у Рг1 міститься перше число, що бере участь в операції, а по завершенні операції - результат; у Рг2 - друге число, що бере участь в операції (по завершенні операції інформація в ньому не змінюється). Регістр 1 може й приймати інформацію з кодових шин даних, й видавати інформацію на них, регістр 2 тільки одержує інформацію із цих шин.
Схеми управління приймають по кодових шинах інструкцій керуючі сигнали від пристрою управління й перетворять їх у сигнали для управління роботою регістрів і суматора АЛП.
АЛП виконує арифметичні операції (+, -, *,:) тільки над двійковою інформацією з комою, фіксованою після останнього розряду, тобто тільки над цілими двійковими числами.
Виконання операцій над двійковими числами із плаваючою комою й над двійково-кодованими десятковими числами здійснюється або із залученням математичного співпроцесора, або по спеціально складених програмах.
Мікропроцесорна пам'ять
Мікропроцесорна пам'ять - пам'ять невеликої ємності, але надзвичайно високої швидкодії (час звертання до МПП, тобто час, необхідне на пошук, запис або зчитування інформації із цієї пам'яті, виміряється наносекундами - тисячними частками мікросекунди).
Вона призначена для короткочасного зберігання, запису й видачі інформації, безпосередньо в найближчі такти роботи машини, що приймає участь в обчисленнях, МПП використовується для забезпечення високої швидкодії машини, тому що основна пам'ять не завжди забезпечує швидкість запису, пошуку й зчитування інформації, необхідну для ефективної роботи швидкодіючого мікропроцесора.
Мікропроцесорна пам'ять складається зі швидкодіючих регістрів з розрядністю не менш машинного слова. Кількість і розрядність регістрів у різних мікропроцесорах різні.
Регістри мікропроцесора діляться на регістри загального призначення й спеціальні.
Спеціальні регістри застосовуються для зберігання різних адрес (адреси команди, наприклад), ознак результатів виконання операцій і режимів роботи ПК (регістр прапорів, наприклад) і ін.
Регістри загального призначення є універсальними й можуть використовуватися для зберігання будь-якої інформації, але деякі з них теж повинні бути обов'язково задіяні при виконанні ряду процедур.
Система шин мікропроцесора
Мікропроцесор побудований за модульним принципом, тобто складається з окремих, відносно самостійних частин, кожна з яких виконує свої спеціальні функції. Щоб забезпечити взаємодію та узгоджену роботу всіх частин мікропроцесора, складові частини мікропроцесора з'єднані системою шин (магістралей).
Шина або магістраль — це сукупність електричних з'єднувальних провідників, по кожному з яких передається один розряд двійкового числа.
Кількість провідників, що входить до складу шини, називається шириною шини. Сучасні мікропроцесори використовують шини шириною 32, 64, 80 розрядів. Ще однією важливою характеристикою шини є її швидкодія, яка характеризується кількістю двійкових слів, які здатна передати шина за одиницю часу.
Характеристики процесора:
1. Тактова частота.
Процесор працює в тісному контакті з мікросхемою, яка називається генератором тактової частоти (ГТЧ). ГТЧ виробляє періодичні імпульси, синхронізуючі роботові всіх вузлів комп'ютера. Це своєобразний метроном у нутрі комп'ютера. У ритмі цього метронома працює процесор. Тактова частота дорівнює кількості тактів у секунду. Такт – це проміжок години мі ж качаном подачі текучого імпульсу і качаном подачі слідую чого. На виконання процесором кожної операції відводиться обмежена кількість тактів. Ясно, якщо метроном стукає швидше, те й процесор працює швидше. Тактова частота вимірюється в герцах - Гц (Мгц - мегагерц, Ггц - гігагерц). Частота в 1 Мгц відповідає мільйону тактів в 1 секунду.
2. Розрядність процесора.
Розрядністю називається максимальна кількість розрядів подвійного коду, котрі можуть оброблятися або передаватися процесором одночасно. Розрядність процесора визначається розрядністю регістрів, у котрі поміщаються обробляємі данні. Наприклад, якщо регістр має розмір 2 байти, то розрядність процесора дорівнює 16 = (8*2).
Комірка – це група послідовних байтів ОЗУ, вміщує в собі інформацію доступну для обробки окремої команди процесора. Те що містить комірка пам'яті назветься машинним словом. Очевидно, розміри комірки пам'яті й машинного слова дорівнює розрядності процесора. Обмін інформації між процесором і внутрішньою пам'яттю проходить машинними словами.
Адреси комірки пам’яті дорівнює адреси молодшого байту (байта з найменшим номером), який входити в комірку. Адреси комірок кратні кількості байтів у машинному слові (змінюється через 2, і через 4, і через 8). Додатково зазначимо: комірка - це вмістилище інформації, машинне слово - це інформація в комірці.
Адресний простір.
По адресатній шині процесор передає адресний код - двійкові числа, які визначають адресі пам'яті або зовнішнього пристрою, куди направляється інформація по шині даних.
Адресний простір – це кількість адрес, до яких може звернутися процесор використовуючи двійковий код.
Якщо адресний код містить n біт, те розмір адресного простору дорівнює 2n байтів. Обачно розмір адресного коду дорівнює кількості ліній в адресній шині (розрядність адресатної шини). Наприклад, комп'ютер має 16 - розрядною адресну шину, те адресне простір дорівнює 216=64kb, а при 32 - розрядній - адресне простір дорівнює 532=64кb
Внутрішній механізм роботи МП заснований на розпізнанні наявності або відсутності електричних сигналів. Електричні сигнали обробляються мільйонами крихітних електронних перемикачів, називаних транзистором. Кожний транзистор МП має певне призначення. Звичайно, чим вище функціональність процесора, тим більше транзисторів він містить. У таблиці 1 перераховані кількість транзисторів у процесорах різних поколінь.
|