I. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
1. Системы исчисления, информация, принципы построения микропроцессорных систем
1.1. Системы исчисления
Под системой исчисления понимают совокупность приемов для представления и записи чисел с помощью определенного количества знаков. При этом, выделяют позиционные и непозиционные системы. Позиционная система – это такая система, в которой значение символа зависит от его позиции в записи числа. Наиболее распространенными позиционными системами являются двоичная, восьмеричная, десятичная и шестнадцатеричная. Примером непозиционной системы является римская система исчисления.
Пример представления чисел в различных системах:
Десятичная
255
15
240
Двоичная
11111111
00001111
11110000
Шестнадцатеричная
FF
0F
F0
Существуют методики перевода числового значения из одной системы в другую. Перевод десятичного числа в двоичное осуществляется путем целочисленного деления исходного числа на 2. При этом, остатки от деления образуют отдельные знаки (знак – один символ) двоичного числа. Обратное преобразование осуществляется суммированием произведений значения бита на двойку в степени, соответствующей порядковому номеру бита в двоичном числе. Нумерация знаков осуществляется с права на лево, начиная с нуля. Аналогичным образом осуществляется преобразование чисел из других систем исчисления. При этом, в изложенной выше методике перевода, необходимо лишь изменить основание системы исчисления (2 – двоичная, 8 – восьмеричная, 10 – десятичная, 16 – шестнадцатеричная и т.д.).
Пример:
– перевод из десятичной системы исчисления в двоичную:
128
2
128
64
2
0
64
32
2
0
32
16
2
0
16
8
2
0
8
4
2
0
4
2
2
0
2
1
0
Результат: 128 > 10000000
– обратное преобразование:
7
6
5
4
3
2
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
В микропроцессорных системах используется двоичная система исчисления, что обусловлено простотой реализации таких математических действий, как сложение, вычитание, умножение, деление на уровне электрических сигналов. Например, сложение двух чисел осуществляется следующим образом:
+
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
Данный процесс легко реализовать с помощью простейшей электрической схемы, основанной на логическом сравнении двух сигналов: высокого уровня (3,5 .. 5 В), соответствующего логической «1», и низкого уровня (0,2 .. 0,8 В), соответствующего логическому «0».
1.2. Единицы измерения информации
За элементарную единицу измерения информации принят бит - двоичное число, представленное одним знаком и принимающее одно из двух значений «0» или «1». Для представления чисел в большем диапазоне значений используется двоичное число, состоящее из нескольких бит. Последовательность из 8-ми бит образует байт, который может представлять число из диапазона 0..255. Именно столько различных комбинаций нулей и единиц можно составить.
Для измерения больших объемов информации используются такие единицы как килобайт (kВ), мегабайт (МВ) и гигабайт (GB). Соотношение между этими единицами:
1 kB = 1024 B
1 MB = 1024 kB = 1024 x 1024 B
1 GB = 1024 MB = 1024 x 1024 kB = 1024 x 1024 x 1024 B
1.3. Структурная схема микропроцессорной системы
Центральное место в любой микропроцессорной системе (МПС) занимает микропроцессор (МП), содержащий следующие основные элементы:
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – реализует простейшие математические операции над двумя двоичными числами, такие как сложение, вычитание, деление, умножение, сравнение, операции сдвига и т.д.
Регистры (Р1-Р8) – предназначены для хранения исходных чисел и результатов выполнения математический операций, осуществляемых с помощью АЛУ. Например, сложение двух чисел осуществляется следующим образом: первое число заносится в регистр Р1, второе число заносится в регистр Р2, АЛУ выполняет сложение содержимого регистров Р1 и Р2, результат заносится в регистр Р3. Заметим, что управление процессом вычисления осуществляется с помощью специальных команд микропроцессора, которые будут рассмотрены позднее. Количество регистров и их разрядность могут быть различными и зависят от типа МП.