Jednočipové Mikroprocesory

(omlouvám se za občasné niance v úpravě textu - je to vytaženo z mých poznámek, které na rozdíl od tohoto dokumentu obsahují i doprovodné obrázky)

Jednočipové mikropočítače

Pomocné obvody mP

8243 – expander DIL 24, 4x4 bitové I/O, 3-stavové brány, lze standardně připojit USART 8251
nebo PPI 8255 (programable periferal interface)
6548 – RWM
2716 až 2764 – EPROM – 16KB až 64KB

Vlastnosti 8048 – 8 bit data, 20 000 T, DIL 40, +5V, MOS – HCMOS – maximálně 6, 144 Mhz
- Programovatelná paměť 1KB – adresovaná čítačem instrukcí mC
- Signálem EA=1 (external access) – lze vnitřní paměť programu odpojit a připojit vnější paměť až 4KB
- Datová paměť 64B RWM (lze rozdělit na paměti typu RAM, LIFO(stack-zásobník), FIFO(fronta)
- 3 I/O obousměrné 8bitové porty
- používá se nejčastěji jako vyrovnávací paměť BUFFERS nebo pro řetězené struktury PIPELININGS
- příkon 750 mW
- odběr I v režimu STBY je 15mA uchovává RWM
- řízení generátoru taktovacích impulsů
[ jednočipové mC 8048 čtou dvanáctibitovou adresu v jednom taktu a proto při volání podprogramu ukládají do zásobníku jako návratovou adresu an+2 a současně do 16b zásobníku ukládají i 4 hlavní bity PSW => STACK, takže v podprogr. už není třeba. U jednočipů řady 8048 se zásobník plní zdola nahoru. ]

Jednočipový mP 8051 – 8bit, DIL 40
- v malých aplikacích může nahradit univerzální mP s celou skupinou podpůrných obvodů.

CPU – obsahuje BOOLEANOVSKÝ procesor a má navíc instrukci COMPLEMENT.
MULtiplikation – násobení
DIVide – dělení
BOOLEANOVSKÝ koprocesor – tvoří základ průmyslových automatů označovaných PLC – Programable Logic Control, roboty, manipulátory, logické celky.
INT0 a INT1 – žádost přerušení
SFR – adresy 128-255 – ohromně využívají log. Výkonnost (lepší než 8048 ale i Z80).
TxD – sériový vstup dat (asynchronně), nebo výstup synchronizace pro synchronní přenos.
RxD – sériový výstup dat (asynch.), nebo synch. I/O dat pro synch. přenos.

MCS-96 – je poslední jednočip od INTELU
Firma ATMEL vyrábí jč. Řady 51 technologií HCMOS pod označením AT 89C2051
Jejich další čip: C8252 obsahuje i WATCHDOG
Nejnovější řada jč. ATMEL (mřadičů)
A905 – využití architektury RISC
Další významní výrobci jč. jsou MOTOROLA s jejich 68HC05, 68HC11, 68HC16
Firma MICROCHIP….. PIC16C74 – má navíc na čipu vlastní 8b A/D převodník a 8 multiplexovaných vstupů.
K programování jč. používá překladač A51 nebo vývojové prostrědí.
Používá symboly # (kříž) – uvádí přímí operant (zasunout konkrétní číslo)
@ - (komerční „a“) – uvádí nepřímou adresu
% - označení parametru instrukce – hlavní využití monolitických jč. v průmyslové elektronice: Televizory, Foťáky, Kamery, Tiskárny, Faxy, Měřící přístroje, Regulátory, Auta …
Výhodou CMOS technologie je, že při nečinnosti IDLE MODE lze odběr mC snížit na 1% příkonu bez ztráty dat ve vnitřní RWM – jinak ale CMOS lineárně zvyšuje spotřebu s taktovacím kmitočtem. Např.
80C51 při f = 1,2 Mhz …. 2,4 mA
80C51 při f = 12 Mhz …. 24 mA
80C51 při IDLE …..……. 0,5 mA (udržuje RWM, PSW čítače, generátor CNT, OSC CLK, INT)
SLEEP or POWER DOWN mode … 10mA, 2V (RWM, PSW)

Počítače standardu IBM PC (1974 – IBM PC)
CPU – I8088 … 8bit, 4,77Mhz (Apple 2 Mhz)
IBM PC XT 8086 … 16bit
PC AT 286 – Advanced Technology … 16bit … 6 Mhz – 12 Mhz
386 – DX … 32bit, SX – 16bit, zúžená out data gate pro možnost použití na starších zákl. deskách
U 486tek DX obsahuje matematický koprocesor na rozdíl od typu SX, DX2 – zdvojovač takt.imp. a DX4 – strojovač.
I80486 DX2 / 60 MHz – Pracuje vnitřně 66 MHz … deska 33 MHz
Pentium – 16KB Cache (rychlá vnitřní vyrovnávací paměť)
+2x ALU … výce operací najednou – SUPERSKALÁR + RISC
Pentium MMX – 32KB Cache (+sada multimediálních instrukcí)
Pentium Pro – Spolupráce až 4 mP v jednom serveru
Pentium II (P6) – 333MHz, zákl. deska 66MHz, nebo 450/100, dva čipy v jednom pouzdru (SLOT1) cache L1 = 16KB
L2=512KB
Celeron – Nejlevnější verze (avšak nejpomalejší v plovoucí čárce) je to PII bez cache
Celeron 300 A – 300MHz + 128KB cache
P II Xeon – nejvýkonnější, používá SLOT2 4mP v 1 serveru
Mobile Pentium – pro notebooky – 300MHz, 1,8V, 5W

AMD – Advanced Micro Devices
K5 – podstatně levnější než podobně výkonné Pentium (K5 na 100MHz asi jako Pentium 133MHz
K6 – 300MHz pro desky 66MHz, 3D NOW!, rychlé práce v pohyblivé čárce (3D animace, videosekvence,obdoba MMX)
K7 – ATHLON – 700MHz
Cyrix – Klony IBM – obdobné patentové typy mP Intel od 486 po pentia
MII – obsahuje MMX
Media GX – na čipu obsahuje zvukovou i grafickou akcelerační jednotku.

Napájecí zdroje
Síťově napájecí zdroje – spínané
Jsou podstatně lehčí a účinnější než lineární zdroje se síťovým Transformátorem
Principiální schéma – u starších mainboardů se zdroje připojují přes dva konektory, novější desky jsou ATX

PS_ON – Power switch ON
PW_OK – Power OK – zpětné hlášení
SV_SB – Switch Stand By (STBY)

P8, P9 – namátkou z kontaktů

Ochrana proti přepětí
a) varistory
b) bleskojistky, výbojky
napěťové špičky (SPIKE), napěťové rázy (SURGE)

úspory energie – snížení taktovací frekvence, snižování nebo vypínání napětí (u disků to není dobré), hlavní úspora spočívá ve vypínání monitoru, až 3/2 výkonu celé sestavy.
Nastavení např. v power manegment setupu.
USA – udělují hodnocení agentury pro životní prostředí ENERGY STAR, GREEN POWER
Výce zařízení spojovaných s PC potřebuje dobrou společnou zem

Zálohovací napájecí zdroje

a) SPS (Standby Power Supply) – levnější varianta (tipy)
Náročná instrukce na elektronický výkonový zesilovač

b) UPS – (Uninterubable Power Supply) – vyrábějí se výkonové od 250 W do 3kW. Napřiklad 600 W má 20 kg. V ovládacím programu se nastaví za jak dlouho udělá SHUT DOWN.

UPS – umí udržovat výst. U 230V 50Hz pro PC s přesností na 1 V v širokých mezích síťového U (140 – 300 V) avšak při prudkém výkyvu odběru I. např. při vypnutí a zapnutí monitoru dochází na OUT UPS k poklesu U cca. o 5 – 10V. Někteří výrobci to řeší přemostěním „by pass“ pomocí triaků přímo na síť po dobu impulsního přerušení.
Synusové zdroje – staré SPS záložní zdroje jsou obchodníky někdy označovány nesprávně
UPS Off Line

UPS On Line

Sběrnice mC

1) lokální (propojuje mP s pomocnými obvody na základní desce)
2) Systémová (umožňuje spojení mP s okolím PC, slouží k tomu normalizované konektory (sloty) do kterých lze zasunout rozšiřující desky (karty) umožňující připojení periferního zařízení)
parametry sběrnice –
a) typ mP
b) šířka dat adres
c) řídící kmitočet
d) možnosti provozu (multimastering, bustmastering, superDMA) – sdílení sběrnice a její řízení přídavnými kartami s odlehčením mP.
e) Režim BURST – sdruží data směřující na stejnou adresu a přenese je najednou (zrychlení přenosu)
f) způsob konfigurace přídavných karet 1) ručně (Jumpery, Switche)
2) programově SETUP
3) automaticky PLUG & PLAY
BUS PC – přehled sběrnic
Pro PC XT (1981)
8088 (vnější data 8b, uvnitř rozšířený 16b – taktk. F= 4,77 MHz s Turbo 7,16 MHz
8b data – 20b adres (220 … 1MB paměti) – 1b rozlišovací adresa (MEM nebo I/O)
několik pomocných vodičů pro čtení
napájení +5V, -5V, +12V, -12V, fí1, fí2, refresh + řídící vodiče ( IRQ 2 … IRQ 7 )
IRQ 0 a IRQ 1 na desce existuje, ale není uživatelsky přístupné
DMA 1 až DMA 3

ISA – Industry Standard Archytecture
Pro PC AT (I 286) (1985) 8,33MHz
+4 adresy (celkově 24b => 224 = 220*24= 16MB
+4 kanály DMA
+5 IRQ (10, 11, 12, 14, 15)
IRQ 13 je rezervováno pro matematický koprocesor I287
IRQ 8 – využívají hodiny

Sběrnice MCA – IBM 1987 pro I386, PS/s systém
Micro chanel archytecture (mikrokanál)
- softwarová konfigurace
- multimastering
- sdílení přerušení

EISA (Extend ISA) – 1989 – JOINT VENTURE (Compaq, HP, NEC, Epson, Olivetti…)
Vytvořili novou sběrnici EISA protože MCA byl moc drahý a patentně chráněný.
EISA – zachovává kompatibilitu s ISA a má dobré vlastnosti
Vlastnosti EISA – v.r. 1995 pro 486 = 120$
- Data i adr - 32b
- 64b I/O (4GB MEM)
- programové nastavení desek – 8,33MHz
- pořád nejde používat pro přídavné karty (pomalý přenos)
- BUS mastering
- Horní patro ISA dolní EISA
- IRQ stejné jako ISA
Lokální BUS - 1) VESA – ( Video Equipment Standard Asociatoin )
Slot VLB je přidán jako rozšíření ke slotu ISA a je určen pro přídavné paměťové karty, grafické karty, SCSI, popř. LAN Skupina podniků, které začala vyrábět grafickou sběrnici VLB 50.
Větší počet zapojených slotů snižuje frekvenci vznikla pro 486tky 50 MHz
VLB je buzen přes oddělovací předzesilovače přímo z lokální sběrnice 486tky.
Technologie výroby IO – IIL – injekční logika - Injection Integrated Logic
invertory s otevřeným kolektorem umožňují jednoduše skládat složitější logické sítě.
velkou úsporu plochy čipu zajišťuje společný invertor pro 4 sousední tranzistory.
Nejobtížnějším prvkem technologie IIL je společný injektor (resp. jeho výroba jako stranového laterálního tranzistoru NPN.
Je velmi těžké udržet do stran velmi tenkébáze PNP tranzistorů.

PCI ( Peripheral Component Interconnect )
Komunikuje s CPU prostřednictvím přemosťovaných obvodů ( bridge circuit ), které současně působí jako vyrovnávací paměť. PCI byl vyroben Intelem pro Pentium Ucc = +3,3V.
Umožňuje aut. konfiguraci způsobem P&P.
Čím více je obsazeno slotů PCI tím menší je kmitočet.
Univerzálně použitelná pro PC, Mackintosh, Alpha s RISC, má 64 b DATA BUS, takt. kmitočet 33-60 nebo 100 MHz
( datová průchodnost PCI při 33 MHz 264 MB / sec
100 MHz 800 MB / sec )
Obvody bridge cricruit se svými buffery podporují nejen PCI ( zákl. desku lze pak snadno vyrobit se všemi typy slotů těchto sběrnic). PCI umí též sdílené řízení sběrnic.

ECC – dokáže zjistit a opravit chybu v jednom bitu.
SIMMy se kombinují vkládáním do konektorů (banků)

Pro osazení banků obecně platí : obsadit všechny patice
SIMMy od jednoho výrobce
stejná vybavovací doba
stejný způsob REFRESH

Druhy REFRESH : Fast Page Mode
Extendid Data Output - ( prodloužená doba přístupu mP k datům )
EDO Burst - ( Nejrychlejší )

ECC –do paměti se kromě informačních bitů zapisují kontrolní (paritní bity) podle kterých lze lokalizovat (zjistit polohu) jednu chybu a pomocí inverze ji opravit. Umí také detekovat dvojnásobnou chybu.

informační bity kontrolní bity
4 3
8 5
16 6
32 7
64 8
Samoopravný rozšířený HAMMINGŮV KÓD-
připojení paritních bytů k informačním –
P1 P2 I4 P3 I3 I2 I1
čtyřka se pak zapíše asi takto 1001100 „ 4 “
kontrolní paritní bity se vypočtou podle rovnic
XOR (exklusive)
2) P1=I4+I3+I1
P2=I4+I2+I1
P3=I3+I2+I1
3) P1´=P1+I4+I3+I1
P2´=P2+I4+I2+I1
P3´=P3+I3+I2+I1
P1´, P2´, P3´ - tvoří tzv. CHYBOVÝ SINDROM
př: do paměti chceme vložit číslo 6 => 6(DEK) = 0110(BIN) - 0 1 1 0 = I4 I3 I2 I1
6(DEK) = 1100110(HAM) P1=0+1+0=1
P2=0+1+0=1
P3=1+1+0=0
při čtení z paměti vznikne např. chyba v pátém bitu, pomocné obvody na desce současně vypočtou:
CHYBA: 1100010 P1´=1+0+0+0=1
P2´=1+0+1+0=0
P3´=0+0+1+0=1 - 101 = 5
chybový syndrom ukazuje na pátý špatný bit. (a už není problém tento bit invertovat)

SIMM – montují se do paměťových modulů
přístup na stránku přístup na stránce kmitočet
FPM 50ns 40ns 33 MHz
EDO 50ns 25ns 50 MHz
EDO burst 50ns 15ns 66 MHz

Paměti RIMM ( Ram Inline Memory Module )
dlouhé paměti, velikost prvku 0,18 mm, velmi rychlé, CPU+cache L2- na jednom čipu
pro čipovou sadu INTEL ITANIUM – (AGP 4x), logická organizace paměti je souhrn pravidel pro přidělování paměti.
1) Hardware (BIOS)
2) OS (operation systém)
3) USER PROGRAM (aplikace)

Organizace paměti pro DOS ( Disk Operation Systém )
TSR – (Terminate & Stay Rezident )
nahrávají se do paměti při startu Počítače podle programu Autoexec.bat
Drivers – spouštějí se v programu config.sys EMM- ( Expanded Memory manager ) 1 MB – 32 MB
HIMEM.SYS – ( Extended )
LIM - Lotus
Intel
Microsoft

k adresování se používá hexadecimální kód – přehlednější avšak náročnější na počet bitů je BCD (binárně dekadický kód – Binary Code Decade ), který každou desítkovou číslici samostatně převádí ve čtyřech bytech dvojkovým kódem.
V kódu BCD běžně počítají mP v pevné řádové čárce a používají přitom své obvody dekadické korekce.
malou úspornost kódu BCD řeší hexadecimální kód. Má k dispozici 4 bity pro jeden znak.

Rezervovaná pamět 640KB – 768KB … video RAM
768KB – 1MB (C0000 – FFFFF) … Rezidentní oblast pro vyrovnávací paměť přídavných desek
a jejich BIOSy.
je to oblast pro 1) cache – Buffery – vyrovnávací paměť nebo frames (rámy)
2) pro systémový software přídavných desek BIOS (perif.)

BIOS – (Basic Input Output Systém) – je umístěn v pamětech ROM nebo EPROM. Je to řada zákl. programů (rutin) pro ovládání hardaru. (spolupráce mP se zákl. deskou, popř. s přídavnýmy kartami (každá karta má svůj vlastní BIOS.
Hlavní výrobci BIOSů: PHOENIX SOFTWRE, AWARD SOFTWARE, AMERICAN MEGATREND INC (AMI)
Při modernizaci PC (upgrade) je třeba vyměnit i BIOS (velká pouzdra 24-28 pinů – mají většinou nálepku.
-evidovat a zapisovat u svěřených PC (zapisovat si pečlivě nastavení BIOSu).
U PC s Pentiem a u většiny notebooků se upgrade BIOSu neprovádí výměnou čipu, ale programově. BIOS je zde uložen v paměti FLASH RAM (EEPROM) a modernizace se provádí spuštěním aktualizačního programu pro BIOS.
Všechny novější PC podporující Plug&Play mají BIOSy na základních i na rozšiřujících deskách v paměti FLASH RAM.

Celou oblast nad konvenční pamětí 640KB – 1MB Microsoft nazývá: UMA – Upper Memory Array
UMB – Upper Memory Block
a jeho zpřístupnění umožňují paměťové managery HIMEM.SYS a EMM386.EXE, které sem přesunou ovladače a rezidentní programy a tím uvolní více místa pro DOSovské programy v konvenční paměti do 640KB

Paměť nad 1 MB – Stránková – rozšířená (EXPANDED) - EMS – Specifikation, EMM, LIM
I s úzkou adresovou, sběrnicí 20b byl schopen paměťový manager EMM386 obhospodařovat paměť až 30MB
(ve dvou kartách – nejprve adresa stránky pak adresa buňky na stránce.)
Tento manager podle potřeby z paměti LIM přetáhl vždy 4 stránky do rezervované oblasti RAM a podle potřeby je přepisoval či vyměňoval.
První 64KB nad 1 MB se nazývá HMA (High Memory Area)
Umí ji využít DOS i některé DOSovské programy a tím ušetří další část konvenční paměti.

Nestránková paměť – přídavná (EXTEND) (XMM, XMS)

Logická organizace paměti ve Windows 95
Windows 95 je „nový“ OS bez vazby s DOSem, umí pracovat s programy v DOSu … 8 bit
ve Win 3,11 … 16 bit
ve Win 95 … 32 bit
Win 95 umí spustit a obsluhovat více programů.
MULTITASKING – pokud aplikace pracují pod různými OS, Win 95 jim přidělí chráněnou oblast paměti a část strojového času mP. (jakoby vlastní obsluhující PC ) – VM – Virtual Machine.
Programy pro Win 3,11 a Win 95 dokáže obsluhovat 1 společný VM,pro každý DOSovský program Win spustí nový VM

Náčrt přidělení VM – postupnou obsluhu aplikačních programů zajišťuje správce VM a to tzv. VMM managery. (zajišťuje – řízení procesů, stránkování pamětí a podpora programů v DOSu.

Samotný DOS uměl pracovat pouze s jedním programem.
Win 3.11 prováděl tzv.KOOPERATIVNÍ MULTITASKING, kdy mP obsloužil jeden program, který pak předal řízení programu následujícímu (nevýhodou bylo, že při „zakousnutí“ jednoho programu se musel restartovat celý PC.
Win 95 provádí již tzv. PREEMPTIVNÍ MULTITASKING, kdy každému programu předem přidělí čas a pravidelně programy přepíná, když se jeden z programů „kousne“, Win 95 a vyšší umožňuje jeho samostatné ukončení.
CTRL+ALT+DELLETE (DEL) VYPNOUT – pozor vypíná bez dotazu uložení

DOSové aplikace ve Windows 95 ( a výšších )
každý program v DOSu zpuštěný z Win 95 dostane přidělen jeden VM.
S automaticky přednastavenou pamětí DEFAULT, při nestabilitě programu nastavíme přidělenou pěměť ručně.
DMPI – při zablokování práce počítače s DOS programem, v tomto chráněném režimu se nastaví celkem:
(Dos Protected Mode Interface)
Zbytek v KB (maximum paměti – konvenční – přídavná EMS – XMS.
Většinou automatické nastavení vyhovuje (XMS automat volí 64MB v HMB).