“单板机”或称“单板电脑”(SBC, Single Board Computer),将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上,包括微处理器/存储器/输入输出接口,还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等其他外部设备。功能比单片机强,适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作,适用于教学。
单板机与单片机大的不同在于系统组成。
单板机是把微型计算机的整个功能体系电路(CPU、ROM、RAM、输入/输出接口电路以及其他辅助电路)全部组装在一块印制电板上,再用印制电路将各个功能芯片连接起来。
单片机就是一块集成电路芯片上集成有CPU、程序存储器、数据存储器、输入/输出接口电路、定时/计数器、中断控制器、模/数转换器、数/模转换器、调制解调器等部件。
单片机用途
单片机由于体积小,成本低等特点,大量用于了生活设备现代化中。像我们日常生活中的智能电器,汽车等等。
控制板和控制系统
控制系统:理解为多块控制板拼到一起装成的设备,那就是一个控制系统;如3个人就组成了一个群体,3台电脑联在一起,就组成了一个网络一样的意思。控制系统的组成,是设备之间操作更方便,生产设备自动化,节省了人员的操作,提高企业的产能、效率。控制系统用于如下行业:如工业物联网控制系统、农业物联网控制系统、大型玩具模型控制器、人机界面控制系统、大棚智能温湿度控制器、水肥一体控制系统、PLC非标自动化测试设备控制系统、智能家居控制系统、医疗护理监控系统、MIS/MES车间自动化生产控制系统(推进工业4.0)等。
计算机(computer)俗称电脑,是现代一种用于高速计算的电子计算机器,可以进行数值计算,又可以进行逻辑计算,还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行,自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。
由硬件系统和软件系统所组成,没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类,较的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。
计算机约翰·冯·诺依曼。计算机是20世纪的科学技术发明之一,对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响,并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从初的军事科研应用扩展到社会的各个领域,已形成了规模的计算机产业,带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革,计算机已遍及一般学校、企事业单位,进入寻常百姓家,成为信息社会中的工具。
计算机的应用在中国越来越普遍,以后,中国计算机用户的数量不断攀升,应用水平不断提高,特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用取得了不错的成绩。1996年至2009 年,计算机用户数量从原来的630万增长至6710 万台,联网计算机台数由原来的2.9万台上升至5940万台。互联网用户已经达到3.16 亿,无线互联网有6.7 亿移动用户,其中手机上网用户达1.17 亿,为全球位。
运算器
运算器是指计算机中进行各种算术和逻辑运算操作的部件, 其中算术逻辑单元是中央处理核心的部分。 [2]
(1)算术逻辑单元(ALU)。算术逻辑单元是指能实现多组 算术运算与逻辑运算的组合逻辑电路,其是中央处理中的重要组成部分。算术逻辑单元的运算主要是进行二位元算术运算,如加法、减法、乘法。在运算过程中,算术逻辑单元主要是以计算机指令集中执行算术与逻辑操作,通常来说,ALU能够发挥直接读入读出的作用,具体体现在处理器控制器、内存及输入输出设备等方面,输入输出是建立在总线的基础上实施。输入指令包含一 个指令字,其中包括操作码、格式码等。 [2]
(2)中间寄存器(IR)。其长度为 128 位,其通过操作数来决定实际长度。IR 在“进栈并取数”指令中发挥重要作用,在执行该指令过程中,将ACC的内容发送于IR,之后将操作数取到ACC,后将IR内容进栈。 [2]
(3)运算累加器(ACC)。当前的寄存器一般都是单累加器,其长度为128位。对于ACC来说,可以将它看成可变长的累加器。在叙述指令过程中,ACC长度的表示一般都是将ACS的值作为依据,而ACS长度与 ACC 长度有着直接联系,ACS长度的加倍或减半也可以看作ACC长度加倍或减半。 [2]
(4)描述字寄存器(DR)。其主要应用于存放与修改描述字中。DR的长度为64位,为了简化数据结构处理,使用描述字发挥重要作用。 [2]
(5)B寄存器。其在指令的修改中发挥重要作用,B 寄存器长度为32位,在修改地址过程中能保存地址修改量,主存地址只能用描述字进行修改。指向数组中的个元素就是描述字, 因此,访问数组中的其它元素应当需要用修改量。对于数组成来说,其是由大小一样的数据或者大小相同的元素组成的,且连续存储,常见的访问方式为向量描述字,因为向量描述字中的地址为字节地址,所以,在进行换算过程中,应当进行基本地址 的相加。对于换算工作来说,主要是由硬件自动实现,在这个过程中尤其要注意对齐,以免越出数组界限。 [2]
控制器
控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和 改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动与反向的主令装置。控制器由程序状态寄存器PSR,系统状态寄存器SSR, 程序计数器PC,指令寄存器等组成,其作为“决策机构”,主要任务就是发布命令,发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。 控制的分类主要包括两种,分别为组合逻辑控制器、微程序控制器,两个部分都有各自的优点与不足。其中组合逻辑控制器结构相对较复杂,但优点是速度较快;微程序控制器设计的结构简单,但在修改一条机器指令功能中,需对微程序的全部重编。 [2]
指令集的方式
CPU的分类还可以按照指令集的方式将其分为精简指令集计算机(RISC)和复杂指令集计算机(CISC)。RISC指令长度和执行时间恒定,CISC指令长度和执行时间不一定。 RISC 指令的并行的执行程度更好,并且编译器的效率也较高。CISC指令则对不同的任务有着更好的优化,代价是电路复杂且较难提高并行度。典型的CISC指令集有x86微架构,典型的RISC指令集有ARM微架构。但在现代处理器架构中RISC和CISC指令均会在译码环节进行转换,拆分成CPU内部的类RISC指令 [4]
嵌入式系统CPU
传统的嵌入式领域所指范畴非常广泛,是处理器除了服务器和PC领域之外的主要应用领域。所谓“嵌入式”是指在很多芯片中,其所包含的处理器就像嵌入在里面不为人知一样。 [8]
近年来随着各种新技术新领域的进一步发展,嵌入式领域本身也被发展成了几个不同的子领域而产生了分化。 [8]
是随着智能手机(Mobile Smart Phone)和手持设备(Mobile Device)的发展,移动(Mobile)领域逐渐发展成了规模匹敌甚至超过PC领域的一个立领域。由于Mobile领域的处理器需要加载Linux操作系统,同时涉及复杂的软件生态,因此,其具有和PC领域一样对软件生态的严重依赖。 [8]
其次是实时(Real Time)嵌入式领域。该领域相对而言没有那么严重的软件依赖性,因此没有形成的垄断,但是由于ARM处理器IP商业推广的成功,目前仍然以ARM的处理器架构占大多数市场份额,其他处理器架构譬如Synopsys ARC等也有不错的市场成绩。 [8]
后是深嵌入式领域。该领域更像前面所指的传统嵌入式领域。该领域的需求量非常之大,但往往注重低功耗、低成本和高能效比,无须加载像Linux这样的大型应用操作系统,软件大多是需要定制的裸机程序或者简单的实时操作系统,因此对软件生态的依赖性相对比较低。 [8]
大型机CPU
大型机,或者称大型主机。大型机使用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大型机一词,初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计算机系统,以用来同小一些的小型机和微型机有所区别。 [9]
减少大型机CPU消耗是个重要工作。节约每个CPU周期,不仅可以延缓硬件升级,还可以降低基于使用规模的软件授权费。
大型机体系结构主要包括以下两点:高度虚拟化,系统资源全部共享。大型机可以整合大量的负载于一体,并实现资源利用率的大化;异步I/O操作。即当执行I/O操作时CPU将I/O指令交给I/O子系统来完成,CPU自己被释放执行其它指令。因此主机在执行繁重的I/O任务的同时,还可以同时执行其它工作。 [9]
中央处理器强大的数据处理功有效提升了计算机的工作效率,在数据加工操作时,并不仅仅只是一项简单的操作,中央处理器的操作是建立在计算机使用人员下达的指令任务基础上,在执行指令任务过程中,实现用户输入的控制指令与CPU的相对应。随着我国信息技术的快速发展,计算机在人们生活、工作 以及企业办公自动化中得到广泛应用,其作为一种主控设备,为促进电子商务网络的发展起着促进作用,使 CPU 控制性能的升级进程得到很大提高。指令控制、实际控制、操作控制等就是计算机 CPU 技术应用作用表现。 [2]
(1)选择控制。集中处理模式的操作,是建立在具体程序指令的基础上实施,以此满足计算机使用者的需求,CPU 在操作过程中可以根据实际情况进行选择,满足用户的数据流程需求。 指令控制技术发挥的重要作用。根据用户的需求来拟定运算方式,使数据指令动作的有序制定得到良好维持。CPU在执行当中,程序各指令的实施是按照顺利完成,只有使其遵循一定顺序,才能计算机使用效果。CPU 主要是展开数据集自动化处理,其 是实现集中控制的关键,其核心就是指令控制操作。 [2]
(2)插入控制。CPU 对于操作控制信号的产生,主要是通过指令的功能来实现的,通过将指令发给相应部件,达到控制这些部件的目的。实现一条指令功能,主要是通过计算机中的部件执行一序列的操作来完成。较多的小控制元件是构建集中处理模式的关键,目的是为了更好的完成CPU数据处理操作。 [2]
(3)时间控制。将时间定时应用于各种操作中,就是所谓的时间控制。在执行某一指令时,应当在规定的时间内完成,CPU的指令是从高速缓冲存储器或存储器中取出,之后再进行指令译码操作,主要是在指令寄存器中实施,在这个过程中,需要注意严格控制程序时间。 [2]