MIKROPOČÍTAČE

1. MIKROPOČÍTAČE Prof. Ing.Vladimír Vašek, CSc.

2. Historie (1) • 1946 - John von Neumann formuloval moderní koncepci číslicového počítače • 1957 – 58 - první aplikace číslicových počítačů pro řízení technologických procesů • 1960 - první minipočítače, řídící počítače se z nich vytváří koncem šedesátých let • 1971 - mikroprocesor 4004 Intel - 4 bity • 1972 - mikroprocesor 8008 Intel – 8 bitů stavebnice MCS 4, MCS 6 (8)

3. Historie (2) • 1974 – mikroprocesor 8080 • 1976 - I 8085, Z 80, M 660 • 1978 - I 8086, Z 8000, M 6800 – 16 bitůjednočipové mikropočítače I 8048 • 1984 - I 80286 – 16 bitů až 16 MB RAM,2 módy práce (reálný x chráněný) • 1985 - I 80386 – 32 bitů (80386 SX vnitřně) až 4 GB RAM

4. Přehled použití µP • měřící a regulační technika – měřící ústředny, regulátory, řídicí systémy … • výpočetní technika – procesory, terminály … • číslicové řízení strojů – obráběcí stroje, vstřikovací stroje, dopravníky, vlastní výroba µ elektronických součástek • řízení robotů a manipulátorů

5. Přehled použití µP • automobily – řízení zapalování, signalizace, (úspora energie) • registrační pokladny – digitální zobrazovače, mincové automaty, prodej jízdenek, systémy rezervace letenek … • domácnosti – tzv. domácí počítače • hračky – využití nedokonalých obvodů

9. Základní pojmy (1) Mikroprocesor - základní část mikropočítače, - centrální jednotka CPU (Central Procesing Unit), - obsahuje aritmeticko logickou jednotku ALU (Aritmetic Logic Unit), pracovní registry vyrovnávací paměti a řídicí obvody – řadič.

10. Základní pojmy (1) Mikropočítač: • mikroprocesor, • operační paměť, • obvody zajišťující komunikaci s okolím (V/V zařízení), Mikropočítačový systém: • technické vybavení • programové vybavení

11. Základní pojmy (2) Programové vybavení: • základní • aplikační Základní: • programovací jazyky • strojově orientované • problémově orientované • překladače jazyků • operační systémy pro práci v reálném čase • služební programy • testovací a diagnostické programy • problémově orientované knihovny

12. Základní pojmy (2) Aplikační: • vytváří si uživatel sám • universální aplikační moduly (pro řešení stejné třídy úloh) • technologicky orientované moduly (pro jistý typ aplikace)

13. Základní pojmy (3) Délka slova mikroprocesoru • 8 byte; 4,8,16,32 max.č. 255 • větší čísla – použití více bitů zobrazení • vyjádření malých a velkých čísel – aritmetika s pohyblivou čárkou • výhody mikroprocesorů s větší délkou slova: • vyšší rychlost • větší rozsah čísel, které lze v jednom slově vyjádřit a zpracovat jednou instrukcí.

14. Registry CPU • Registr – logický obvod pro dočasné uložení informace • Registry přístupné programátorovi • Registry nepřístupné programátorovi (interní registry mikroprocesoru) • Osmibitový registr • Šestnáctibitový registr

15. Základní registry (přístupné programátorovi) • Čítač instrukcí (program counter) – obsahuje vždy adresu instrukce, která se bude realizovat v příštím kroku programu

16. Základní registry (přístupné programátorovi) • Universální registry – mají obvykle délku jeden nebo dva byte a jsou určeny k uložení dat, která slouží jako operandy při provádění instrukcí.. • Indikační registry – obvykle jednobitové registry, které indikují stav výsledků provedených instrukcí, např. příznak znaménka nuly, přenosu, parity.

17. Základní registry (přístupné programátorovi) • Ukazatel zásobníku (stach pointer)- SP – aktuální adresa, na kterou se bude ukládat (nebo vybírat) hodnota (do zásobníku - část paměti určeno pro rychlé, dočasné ukládání dat). SP obsahuje (podle systému) adresu posledního uloženého byte nebo prvního místa v zásobníkové paměti.

18. Registry nepřístupné programátorovi • Instrukční registr – obsahuje instrukci, která se právě provádí. • Adresový registr paměti – obsahuje adresu místa paměti, s níž se právě pracuje. • Datový registr paměti – slouží k uložení informací (dat nebo instrukcí) přenášených mezi hlavní pamětí a CPU.

20. Instrukce • Každá dílčí činnost programu – operace – je uskutečněna jednou instrukcí. • Počet instrukcí u současně používaných µ - procesorů je max 255.

21. Instrukce • Součásti instrukce: • instrukční kód udává, jaká operace se má provést • definice způsobu adresování • operandy date, se kterým instrukce pracuje (nepovinná položka pro všechny instrukce) • Délka instrukce 1 – 3 byty.

22. Formáty instrukcí

23. Paměti • Charakteristické parametry pamětí • kapacita – množství dat, které lze do paměti umístit (byty, kB – nás. 1024, MB – nás. 1048 576). • cyklus paměti – minimální časový interval mezi po sobě jdoucími příkazy k činnosti paměti • vybavovací doba – časový interval mezi požadavkem na přenos informace z paměti a objevením informace na výstupu paměti • cena jednoho bitu – podíl ceny a kapacity paměti

24. Typy polovodičových pamětí Paměti pro uložení dat • RAM – (Random Access Memory), RWM – (Read Write Memory) • výběr i uložení • po vypnutí napájení ztrácí informaci • po zapnutí náhodný obsah • použití pro data • při ladění programu • ROM – (Read Only Memory) • data ukládá při výrobě IO

25. Typy polovodičových pamětí • PROM – (Programmable Read Only Memory) • data si zavádí uživatel Paměti pro uložení programů a konstant • EPROM – (Eraseable PROM) • opakované nahrávání (omezený počet) uživatelem, • mazání UV zářením • EEPROM – elektronicky mazatelné pevné paměti

26. Zásobníková paměť • vymezený úsek paměti RAM pro uchování (dočasné) dat. Využívá se: • automaticky • při volání podprogramů, • při obsloužení přerušení • uživatelsky – dočasné odkládání mezivýsledků prováděných operací

27. Zásobníková paměť Zásobníková paměť typu LIFO (last in- first out) Ukazatel zásobníku (SP) obsahuje adresu vrcholu zásobníku.

29. Číselné soustavy Požívané soustavy • desítkové • dvojkové (binární • osmičkové (octalová) • šestnáctkové (hexadecimální)

30. Číselné soustavy • Zobrazení čísla N, kde r je základ soustavy • Př: ai – koeficienty číselné soustavy 0 ÷r ai = 0 – 9; r = 10

31. Číselné soustavy • Desítková (dekadická) soustava • je třeba zobrazit 10 stavů • Dvojková (binární) soustava • používá pouze 2 stavy (např. vypnuto – zapnuto, vyšší úroveň signálu – nižší úroveň signálu apod…)

32. Převod desítkového čísla na dvojkové 102:2=51 zbytek 0 51:2=25 1 25:2=12 1 12:2=6 0 6:2=3 0 3:2=1 1 1:2=0 1 Zkouška:

33. Binární soustava Pravidla dvojkové aritmetiky: • 0+0=0 • 0+1=1 • 1+0=1 • 1+1=0 (1) Nevýhody: • čísla jsou dlouhá • časté chyby • špatně se pamatují

34. Binární (dvojková) soustava max

35. Octalová (osmičková) soustava max tři číslice : nejvyšší řád 0÷3 zbývající řády 0÷7

36. Hexadecimální (šestnáctková) soustava

37. Hexadecimální (šestnáctková) soustava vyšší hex. číslice nižší hex. číslice max dvě hex. číslice 0 ÷ F

38. Dvě číslice 0 ÷ 9 Max BCD kód (Binary Coded Decimal) vyšší dek. číslice nižší dek. číslice

39. Základní logické funkce (1) • Logický součet (NEBO, OR) A + B = CA U B

40. Základní logické funkce (2) • Logický součin („A“, AND) A * B = CA ∩ B

41. Základní logické funkce (3) • Negace

42. Základní logické funkce (4) • Ekvivalence

43. Základní logické funkce (5) • Exklusive - OR

44. Zobrazení číselných hodnot (1) • Zobrazení ve dvojkovém doplňkovém kódu • kladné hodnoty v přímém dvojkovém kódu • záporné hodnoty – dvojkové doplňky • 7. bit stability představuje znaménko 0 - + 1 - ̶ • Vytváření dvojkového doplňku = negace kladného čísla a přičtení 1 k nejvyššímu řádu.

45. Zobrazení číselných hodnot (2) Při práci s většími čísly slučujeme několik slabik vedle sebe (znaménkový bit je nejvyšší). Zobrazení čísel od

46. Zobrazení v přímém kódu • kladná i záporná čísla v přímém kódu na bitech 0 ÷ 6; 7.bit znaménkový • Př.: • Při práci pouze s kladnými hodnotami zobrazení v rozsahu 0 ÷ 255

47. Dosazování příznaku přenosu (C) Sečítání: • C=1, když vznikne přenos z nejvyššího řádu: • jsou-li vstupní operandy sčítání v rozsahu (127, -128) je vždy C=1 při součtu dvou záporných čísel • jsou-li operandy nezáporné čísla (0 – 255) je C=1 při vzniku výsledku většího než 255

48. Př.: (- 3) + (- 5) = (- 8)

49. Př.: 255 + 1 = 256 (>255) Sčítání s operandy většími než jedna slabika se provádí podprogramy, které využívají instrukce sečítání s přenosem.

50. Odečítání • U instrukcí odečítání se do C dosadí negovaná hodnota bitu přenosu. („výpůjčka„)