Pobierz książkę „Kod: ukryty język sprzętu i oprogramowania komputerowego” autorstwa Charlesa Petzolda. Jest niesamowity, łatwy do przeczytania i odpowie na wiele z tych pytań.

Jeśli nie stać cię na książkę Petzolda, sprawdź „How Computers Work” autorstwa Rogera Younga. Obejmuje wiele tych samych rzeczy, a wersje HTML i PDF są bezpłatne.

Nie ma potrzeby używania przetwornika cyfrowo-analogowego. Napięcia są używane do reprezentowania 1 i 0 zgodnie z konwencją, że wszystko poniżej 0,8 V (AKA „niskie”) to zero, a wszystko powyżej 2,4 V (AKA „wysokie”) jest równe jedynce. Tworzenie obwodów wykonujących logikę na tych reprezentatywnych napięciach jest stosunkowo proste.

Na przykład obwód może wyprowadzać coś w zakresie od 2,4 V do 5 V, aby reprezentować „1”, jeśli na którymkolwiek wejściu jest powyżej 2,4 V lub mniej niż 0,8 V w przeciwnym razie, a masz bramkę LUB. Jeśli wymaga obu wejść reprezentujących 1 do wyprowadzenia 2,4 V, masz bramkę AND. Falownik po prostu wysyła stan wysoki, gdy wejście jest niskie i odwrotnie. Możesz budować proste bramki, takie jak te, z zaledwie kilkoma tranzystorami i wykonywać kombinatoryczną logikę boolowską. Używając grup bitów do reprezentowania liczb, możesz nawet budować obwody do dodawania liczb z logiką kombinatoryczną, bez oprogramowania.

Gdy pracujesz z bramkami, możesz konstruować przerzutniki, a na ich podstawie rejestry i liczniki. Japonki pozwalają na przechowywanie 1 i 0 z jednego punktu w czasie i używanie ich później. Rejestry i liczniki to obwody, które wykonują funkcje na grupach bitów reprezentujących liczby. Rejestr przechowuje numer, dopóki nie załadujesz do niego nowego numeru. Licznik jest podobny do rejestru, ale ma inne wejście, które powoduje zwiększenie przechowywanej liczby. (Zmniejszenie też jest możliwe). To stawia Cię w królestwie automatów stanowych i logiki sekwencyjnej, jednak żadne oprogramowanie nie jest wymagane.

Systemy pamięci są sposobem na przechowywanie ogromnej liczby bitów. Na poziomie komponentów część pamięci jest zbudowana jak ogromna kolekcja przerzutników, ale częściej istnieje inna technologia (DRAM), która nie jest dokładnie przerzutnikiem, ale robi to samo.

Jako kolejny krok możesz zbudować system logiki sekwencyjnej i kombinatorycznej, który może wykonywać operacje w zależności od bitów przechowywanych w systemie pamięci, w tym zapisywać nowe wartości do tego systemu pamięci. Teraz doszedłeś do poziomu procesora, a wszystko, co robi, to tylko sprzęt wykonujący wiele prostych zadań. (niezależnie od mikroprogramowanych rdzeni). W tym miejscu poszczególne kombinacje bitów, które umieszczasz w systemie pamięci, można uznać za oprogramowanie języka maszynowego.

Rozważmy NPN BJT; tranzystor. Jeden z pierwszych odkrytych.

Teraz podłączasz go tak, że kolektor jest podłączony do wejścia o zmiennej logice, a emiter jest podłączony do innego wejścia logicznego z rezystorem połączonym szeregowo. Następnie rezystor od emitera do masy.

  logika | 10k | / logika - / \ / \ / - | NPN | > + - wyjście | / \ 10k / | --- -  

Właśnie skonstruowałeś bramkę AND. Wyjście jest wysokie tylko wtedy, gdy oba wejścia są w stanie wysokim. Nie jest w żaden sposób doskonały, ponieważ zależy od danych wejściowych do kolektora i ponieważ nie jest dobrze rozłożony, ale daje wyobrażenie o tym, jak tranzystory mogą być używane do obliczania funkcji.

Następnie możesz również skonstruować bramkę NOT;

  5V | / \ 10k / + - wyjście | 10k | / logika - / \ / \ / - | NPN | > | --- -  

Dodanie tego do wyjścia właśnie zbudowanej bramki AND daje nam bramkę NAND, a być może wiesz, że z bramką NAND możesz skonstruować dowolną formę logiki. Ma również tę zaletę, że sygnał jest buforowany, co zwiększa przepustowość i zdolność łączenia w łańcuch.

Prawdziwe procesory rzadko używają BJT, ale zamiast tego logika CMOS, ale obowiązują te same zasady.

Może powinieneś poszukać odniesień do systemów cyfrowych lub zajrzeć do rzeczy takich jak VHDL. MCU jest zasadniczo zaprojektowany z blokami konstrukcyjnymi, które mogą być różnymi bramkami logicznymi i (mniejszymi) blokami konstrukcyjnymi. Ostatecznie wszystko sprowadza się do bramek logicznych, które rzeczywiście składają się z tranzystorów. Typowy prosty MCU, taki jak PIC18F lub coś innego, nie obsługuje systemu operacyjnego. Program, który do niego ładujesz, to zbiór instrukcji maszynowych, które PIC wykonuje w sposób ciągły. Całe przetwarzanie odbywa się sprzętowo.

Zwykły procesor zwykle ma jednostkę ALU (oblicza wynik określonej instrukcji) i więcej bloków wokół niej, które ładują instrukcje, zarządzają stosem i zarządzają pamięcią. Procesor ma kilka rejestrów do samodzielnej pracy, głównie do ładowania danych wejściowych i przechowywania wyników. Możesz nie zobaczyć tego wiele w C lub innym języku, ale dużo w asemblerze.

ALU obsługuje instrukcje z określonymi kodami operacji i danymi wejściowymi. Na przykład typową instrukcją może być ADD 12 1, co oznacza 12 + 1 = 13. Wynik jest przechowywany w rejestrze samego procesora.

W zależności od architektury, jednostka ALU ma na przykład 8 bity szerokie. Prosty sumator 8-bitowy może składać się z 8 sumatorów 1-bitowych połączonych ze sobą (używając bloków do zbudowania większego bloku). 1-bitowy sumator można łatwo zapisać do bramek logicznych za pomocą algebry boolowskiej. Ręczne zapisywanie całego 8-bitowego dodatku tylko przy użyciu bramek logicznych byłoby szaloną pracą. To tak, jakby pisać program bez możliwości użycia jakiejkolwiek funkcji lub podprogramów.

Aby systemy cyfrowe działały poprawnie, większość bloków jest zaprojektowana w oparciu o zegar. Każdy system cyfrowy ma określony czas potrzebny do osiągnięcia stanu końcowego. Wynika to z opóźnień w przełączaniu tranzystorów i stanów wpływających na inne stany. Sygnał zegara to coś, z czym powinieneś się zapoznać, prędkość, z jaką działa procesor. Timer może być naprawdę prostym urządzeniem, które ma mały blok sumujący i zwiększa się o 1 za każdym razem, gdy pojawia się takt zegara.

To duży temat i nie mogę udzielić prostej odpowiedzi, ale ...

Możesz podejść do tej odpowiedzi trochę bliżej, robiąc coś podzielonego i podbijającego, a ponieważ druga odpowiedź próbuje Aby zaatakować ten problem z punktu widzenia HW, spróbuję z perspektywy SW wysokiego poziomu.

Jeśli piszesz jakieś oprogramowanie w kodzie powiedzmy c (bardzo wysoki poziom abstrakcji), tak naprawdę nie widzisz to, co się dzieje, nie do końca rozumie wszystkie zakochane rzeczy, o które pytasz.

Ale i tak zacznijmy.

Prosty program, który po prostu zawiera zmienną.

  int main (void) {int i = 0; while (1) {i ++; }}  

Następnie musimy pobrać kod asemblera, abyśmy mogli zrozumieć, co się dzieje. Ten krok można wykonać na dowolnej platformie, z której korzystasz, ale dla uproszczenia używam gcc na komputerze (ale to nie ma znaczenia ...)

  gcc -O0 -S main.c -o main.lst  

Następnie kończymy coś takiego:

  .file "main.c" .text.globl main .type main, @functionmain: pushl% ebp movl% esp,% ebp subl $ 16,% esp movl $ 0, -4 (% ebp) .L2: addl $ 1, -4 (% ebp) jmp .L2 .size main,.-Main .ident "GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3" .section. note.GNU-stack, "", @ progbits  

Następnie próbujesz zrozumieć każdy wiersz kodu i co on robi.

A potem zaczynasz przyglądać się jak każda instrukcja jest wdrażana ... Na przykład podrzędna

  subl $ 16,% esp  

W tym momencie jest inaczej na różnych architekturach i x86, ramię, pic jest trochę inne ... Ale ponieważ moim przykładem był x86.

• http://en.wikipedia.org/wiki/X86_assembly_language

  subl $ 4,% esp / * przydziel 4 bajty miejsca na stosie zmienne lokalne tej funkcji * /

I na tym poziomie, kiedy czytasz kopię, większość działań będzie wyglądać tak, jakbyś po prostu przesuwał liczby i w pewnym sensie to jest to, co dzieje się. Mamy predefiniowany program, przez który przechodzimy, ten program jest przechowywany w jakiejś pamięci flash, która jest zwykle rodzajem logiki elektronicznej, która uwięzi jeden poziom logiczny.

Jeśli widzisz coś w rodzaju „ Flip-flop” za każdym razem, oznacza to, że jesteś blisko, a wtedy potrzebujemy ich dużo. Tutaj zaczynamy znajdować jedynki i zera.

Następnie, aby wykonać jakąś akcję, dodajemy fajną logikę, która może przekształcić jedną liczbę w inną liczbę (sam procesor).

Następnie postępujemy zgodnie z programem krok po kroku i aby wiedzieć, gdzie jesteśmy, mamy licznik programów (PC). I cofnij liczby do tyłu i do czwartej i przechowuj je w innej pamięci, która jest także rodzajem siatki z przerzutnikami.

Wróćmy jednak do konkretnego przykładu, aby trochę lepiej zrozumieć procesor możemy rzucić okiem na ALU i to uproszczone zdjęcie. Gdzie widać, że kiedy przenosimy dane do tego bloku logicznego i wybieramy jakąś operację za pomocą pinów OP, otrzymamy nowy wynik na wyjściu, który z kolei możemy przenieść z powrotem w jakieś miejsce w pamięci.

I przeklinam, że twoja jednostka ALU w części procesora twojego MCU jest o wiele bardziej złożona niż ta, ale działa na tej samej podstawowej zasadzie.

W tym momencie możemy zobaczyć jakiś obwód logiczny, który „działa” po jednej stronie, a trochę pamięci po drugiej. Pamięć składa się z dwóch części, jednej przeznaczonej na program, a drugiej na dane. Ale jak właściwie to „przenosimy”, te muszą być w jakiś sposób połączone ...

I tu się łączymy te części z jakąś magistralą.

Magistrala to tylko kilka przewodów, które łączą ze sobą różne części, a następnie logika sterowania mówi pamięci, jakie dane mają wysłać na tę magistralę i jaką część procesora powinien nasłuchiwać tych danych, które zostały wysłane. Odbywa się to za pomocą kilku równoległych linii kontrolnych, które włączają / wyłączają różne części.

...

Więc jeśli weźmiesz swój wybrany MCU i przeanalizujesz bardzo mały program, i dopóki nie rozumiesz, co się dzieje, analizujesz to jeszcze dokładniej, aż uzyskasz ładną małą łamigłówkę, której można użyć do stworzenia „MCU”.

I nie zapomnij przeczytać arkusza danych dla Twojego MCU i sprawdź, z jakich części został on wykonany, np. z jaką pamięcią, aluminium, autobusami itp.

Mam nadzieję, że to trochę pomoże ???

Dobrze szczęście

Tak naprawdę nie musisz wiedzieć tych rzeczy, chyba że masz zamiar samodzielnie zaprojektować procesory, ale wszystko sprowadza się do ogromnej maszyny stanów zaimplementowanej sprzętowo.

Największym problemem związanym z tego rodzaju pytaniami jest to, że odpowiedź jest ogromna i zajmuje kilka lat kursów uniwersyteckich, więc każda odpowiedź, którą tu uzyskasz, będzie tylko powierzchowna.

Jeśli naprawdę chcesz wiedzieć, co trafia do procesora, zapoznaj się z kodem źródłowym vhdl / verilog pod adresem: http://opencores.org/projects

Just learning vhdl i verilog będą same w sobie dużym zadaniem, więc czeka Cię długa lektura :)

Chodzi mi o to, czy te 1 i 0 są konwertowane na odpowiednie napięcie logiczne (5 V i 0) przez DAC?

Nie, nie DAC. 1 i 0 nigdy tak naprawdę nie istnieją. To tylko matematyczna abstrakcja, której używamy, aby ułatwić programowanie. Rzeczywiste napięcia cyfrowe mogą wynosić 5 V, 3,3 V lub 1 V, w zależności od sprzętu. Ostatecznie komputer to tylko logika cyfrowa. Pamięć przechowuje jedynki i zera jako logikę cyfrową, cyfrowy obwód logiczny przekazuje je z pamięci do procesora, procesor to cyfrowy obwód logiczny, który może dodawać, odejmować lub porównywać liczby binarne itp.

jak działa ten mały kawałek krzemionki

Krzem a to szkło, mieszanina krzemu i tlenu. Chipy są wykonane z czystego silikonu on , z zanieczyszczeniami dodanymi w określonych miejscach, aby wytworzyć wszystkie tranzystory.

Rozumiem, że każdy pojedynczy układ scalony jest wykonany z bramek logicznych

Cyfrowe układy scalone są wykonane z bramek logicznych, a nie układów analogowych.

Jak więc te tranzystory reagują na różne kombinacje 5v i 0v?

Przeczytaj najprostszy przykład, falownik CMOS.