|
|
||||
|
Günümüzde mikrodenetleyiciler, basit ve ucuz üretim maaliyetleri dolayısıyla bir çok firma tarafından üretilmektedir. Bunlardan en önemlilerine; Intel firması tarafından üretilen
8051 serisi, Motorola tarafından üretilen 68HC11 serisi ve Microchip tarafından üretilen ve
kısaca PIC denilen 16X/18X serisi örnek olarak verilebilir.
19
Mikroişlemcili sistemin tasarımı ve kullanımı mikrodenetleyicili sisteme göre daha karmaşık ve masraflıdır.
Mikrodenetleyicili bir sistemin çalışması için elemanın kendisi ve bir osilatör kaynağının olması yeterlidir.
Mikrodenetleyicilerin küçük ve ucuz olmalası, bunların tüm elektronik kontrol devrelerinde kullanılmasını sağlamaktadır.
Bir mikroişlemcili systemi meydana getiren temel bileşenlerden mikroişlemci, bellek ve G/Ç birimlerinin, bazı özellikleri kırpılarak (azaltılarak) tek bir entegre içerisinde üretilmiş biçimine mikrodenetleyici (microcontroller) denir. Denetim teknolojisi gerektiren uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış olan mikrodenetleyiciler, mikroişlemcilere göre çok daha basit ve ucuzdur. Endüstrinin her kolunda kullanılan mikrodenetleyiciler; otomobillerde, kameralarda, cep telefonlarında, fotokopi ve çamaşır makinelerinde, televizyonlarda, oyuncak vb cihazlarda sıklıkla kullanılmaktadır (Şekil 1.16).
18
Şekil 1.16: Mikrodenetleyicilerin kullanım alanları
Yalnız okunabilen birimlere ROM (Read Only Memory) bellekler denir. Bu bellek elemanlarının en büyük özelliği enerjisi kesildiğinde içindeki bilgilerin silinmemesidir. ROM belleklere bilgiler üretim aşamasında yüklenir. Kullanıcıların bellek içindeki bilgileri değiştirmesi mümkün değildir.
PROM’lar bir kez programlanabilir. Bu bellek elemanı entegre şeklindedir. Kaydedilen bilgiler enerji kesildiğinde silinmez. Üzerine program kodlarını veya verileri yazmak için PROM programlayıcı cihazlara ihtiyaç vardır. Bu bellek elemanının yapısında küçük sigorta telleri bulunur. Bellek hücrelerinde, hepsi sağlam durumda bulunan sigortalar “1”i temsil eder. Yazılacak olan bilginin bit düzeninde “0”lara karşılık gelen hücredeki sigorta, küçük bir elektrik akımı ile aktarılır. Bu şekilde PROM programlanır.
17
EPROM’lar bellek hücrelerine elektrik sinyali uygulanarak programlama işlemi yapılır. Kaydedilen bilgiler enerji kesildiğinde silinmez. EPROM içindeki programın silinmemesi için cam pencereli kısım ışık geçirmeyen bantla örtülmelidir. Eprom belleğe yeniden yazma işlemi yapmak için EPROM üzerindeki bant kaldırılıp ultraviyole altında belirli bir süre tutmak gerekir. Bu şekilde içindeki bilgiler silinebilir. (Şekil 1.15)
Şekil 1.15: Bir
EPROM Bellek
Böylece tekrar programlanabilir hâle gelen ürün tekrar tekrar farklı programların denenmesi ve cihazın çalıştırılması için kullanılabilir. Silme işlemi esnasında belirli şartlara dikkat edilmemesi (gereğinden fazla süre UV ışığa maruz kalmak, yüksek ışık şiddetine sahip UV ampul kullanmak gibi) hâlinde silinebilme ömrü kısalan entegreler bir süre sonra kullanılamaz (silinemez) hâle gelmektedir.
Üzerindeki bilgiler, elektriksel olarak yazılabilen ve silinebilen bellek elemanlarıdır. EEPROM’ u besleyen enerji kesildiğinde üzerindeki bilgiler kaybolmaz. EEPROM’daki bilgilerin silinmesi ve yazılması için özel silme ve yazma cihazlarına gerek yoktur. Programlayıcılar üzerinden gönderilen elektriksel sinyalle programlanır. EEPROM’la aynı özellikleri taşıyan fakat yapısal olarak farklı ve daha hızlı olan, elektriksel olarak değiştirilebilir ROM’lara flash bellek denir.
Mikroişlemcinin çalışması esnasında her türlü değişkenin üzerinde yer aldığı ve geçici işlemlerin yapıldığı birimi RAM belleklerdir. Özel bir sıra takip etmeden herhangi bir adrese erişildiği için rastgele erişimli bellek (Random Access Memory) – RAM olarak isimlendirilir. Ayrıca yığın olarak adlandırılan ve mikroişlemci programlarının çalıştırılması esnasında çeşitli alt-programlar kullanıldıkça geri dönüş adreslerinin, içeriklerinin değişmesinin istenmediği kaydedici içeriklerinin saklandığı bellek bölgeside yine RAM’da birimlerinde yer alır. RAM tipi entegreler hem yazmada hem okumada kullanıldıklarından CPU, bu entegreleri kontrol ederken okuma R (Okuma) ve W (yazma) sinyalleri göndermesi gerekir. (Şekil 1.15) Ayrıca entegrenin istendiği zaman aktif duruma geçmesinin sağlayacak entegre seçimi (CS =Chip Select) pini bulunmaktadır ve active low (aktif düşük, 0 Volt) ile çalışır. Her bir biti bir flip-flop devresi olan bu bellekler, yeni bir tetikleme işareti gelinceye kadar içindeki bilgiyi (0 veya 1’i) saklayabilme özelliği sebebiyle çok düşük güç tüketimi ile çalışmaktadır.
Dışardan devreye bağlanan bir pil yardımıyla içindeki bilgileri çok uzun süreler boyunca saklayabilme imkânı vardır. Yüksek maliyetli olmaları sebebiyle çok yüksek kapasitelerde üretilmez.
Şekil 1.15: RAM giriş/çıkış sinyalleri
Mikroişlemcili sistemde bulunan birimler arasındaki ilişkiyi düzenleyen sinyallerin iletilmesi amacıyla kullanılan hatlar kontrol yolu olarak adlandırılır. Her bir mikroişlemciye ait komut kümesi ve belirli amaçlar için kullanılan sinyallerin farklı olması sebebiyle, her mikroişlemcide farklı sayıda hattı içeren kontrol yolu bulunabilir. Kontrol yolunda bulunan sinyaller üç farklı işlemi gerçekleştirmek için kullanılır:
Sinyal seçimi: Sistemde kullanılacak sinyallerin ve sinyallerin uygulanacağı yerin belirlenmesi işlemini gerçekleştiren sinyaller.
Yön tayini: Sistemdeki verinin ne yöne gideceğini belirleyen sinyaller (okuma veya yazma).
Zamanlama: Yapılacak işlemlerin sırasını ve zamanlamasını belirleyen sinyaller. Kontrol yolunda bulunan hat sayısı, mikroişlemcinin bit sayısına bağımlı değildir.
Kontrol yolunu oluşturan hatların mikroişlemci içersinde ağ şeklinde yayılması sebebiyle,
kontrol yolu terimi yerine kontrol hatları terimi kullanılabilir. Mikroişlemcili sistemdeki birimlerin çalışması, kontrol hatları üzerinden iletilen tetikleme sinyalleri ile yönlendirilir. Mesela, bir bellekten veri okunacağı zaman, ilgili bellek entegresine aktif olmasını sağlayacak yetkilendirme (CS-Chip select) sinyali ile birlikte, okuma işlemi için gerekli uygun R/W sinyalinin uygulanması gerekir.
Bellek
Merkezi İşlem Birimi
Giriş /Çıkış
Birimi
Şekil 1.14: Kontrol sinyallerinin kontrol yolu kullanılarak bellek birimine iletimi
Verinin alınacağı (okunacağı) veya verinin gönderileceği (yazılacağı) adres bölgesini temsil eden bilgilerin taşınmasında kullanılan hatlar, adres yolu olarak isimlendirilir. Adres yolu, tek yönlüdür ve paralel iletişim sağlayacak yapıdadır.
Bellek
RAM ROM
Tamponlar
Merkezi İşlem Birimi
Tamponlar
Tamponlar
Giriş
/Çıkış
Birimi
.
Şekil 1.13: Verilerin iletileceği bölgenin adres yolu kullanılarak tespiti
CPU’da işlenen verilerin, bellekte saklanması veya diğer elemanlara gönderilmesi gerekebilir. Bu durumda, verinin saklanacağı veya gönderileceği yerin adresi, mikroişlemci içerisindeki PC yardımı ile adres yolu üzerine yerleştirilir. Yerleştirilen bilginin temsil ettiği adres bölgesi dahili bellekte olabileceği gibi, harici bellekte de olabilir. Yerleştirilen bilginin kodu çözülerek ilgili adres bölgesi bulunur ve bulunan adres bölgesindeki veri, veri yoluna konur. Yapılan bu işlemlerin düzgün ve kontrollü olarak gerçekleştirilmesinden, zamanlama ve kontrol birimleri görevlidir.
Adres yoluna yerleştirilen bilgi, mikroişlemcinin kapasitesine ve adreslenebilecek bölge sayısına bağlı olarak değişir. Bir mikroişlemci tarafından adreslenebilecek maksimum bellek kapasitesi ‘2n’ formülü ile hesaplanabilir. ‘n’ adres hattı sayısını gösterir.
Bu durumda;
216 = 65536 Bayt = 64 KBayt adres bölgesi,
220 =1048576 Bayt = 1MBayt adres bölgesi ve
232 = 4 GBayt adres bölgesi adreslenebilir.
15
Mikroişlemci veri yolu ve adres yolu farklı sayıda hattı içerebilir. Veri yolu 8 hattan oluşan bir mikroişlemcili sistemde, adres yolu 16 hattan (16 bit) oluşabilir. Günümüz mikroişlemcilerinde sürekli veri yolları artırılırken adres yolları hattını büyük oranda korumaktadır. Adres yolları hatlarının fazla artmamasının sebebi, şu anda kullanılar adresleme kapasitesinin çok yüksek ve ileriye yönelik olmasındandır.
Merkezi işlem biriminden bellek ve giriş / çıkış birimlerine veri göndermede ya da bu birimlerden işlemciye veri aktarmada kullanılan hatlar, veri yolu olarak isimlendirilir. Veri yolu genişliği, mikroişlemcinin yapısı, mikroişlemci kaydedici genişliği ve kullanılan kelime uzunluğu ile doğrudan ilişkilidir. 8-bitlik mikroişlemcilerde veri yolu 8 hattı içerirken, 16- bitlik işlemcilerde 16 hattı içerir. Mikroişlemciye işlenmek üzere iletilen veriler veri yolu üzerinden iletildiği ya da mikroişlemcide işlenen veriler veri yolu üzerinden ilgili birimlere yollandığı için, veri yolunda iki yönlü iletişim mümkün olmaktadır.
Merkezi İşlem Birimi
Tamponlar
Bellek
RAM ROM Tamponlar
Tamponlar
Giriş
/Çıkış
Birimi
Şekil 1.11: Bellek biriminden işlemciye veri yolu kullanarak veri aktarımı
Bellekte bulunan ve CPU tarafından işlenmesi istenilen veriler, veri yolu üzerinden iletilir. (Şekil 1.11) Bellekteki verilerin hatlara yerleştirilmesinde veya hatlardan gelen verilerin CPU’ya aktarılmasında, verileri kısa süre tutmak amacıyla kullanılan tamponlardan faydalanılır. Tampon olarak kaydediciler kullanılır. CPU’da işlenen verilerin harici elemanlara iletilmesinde veya harici elemanlardan gelen verilerin CPU’ya gönderilmesinde ara birim olarak giriş/çıkış (G/Ç) birimi kullanılır. CPU ile G/Ç birimi arasında veri iletiminde, veri yolundan faydalanılır. Veri yolu üzerinden G/Ç birimine gelen veriler, tamponlar kullanılarak veri yolu üzerinden klavye, monitör, yazıcı ve tarayıcı gibi birimlere gönderilir veya bu birimlerden gelen bilgiler CPU’ya aktarılır.
14
Merkezi İşlem Birimi
Tamponlar
Bellek
RAM ROM Tamponlar
Tamponlar
Giriş /Çıkış
Birimi
Şekil 1.12: İşlemcide işlenen verilerin, veri yolu kullanılarak G/Ç birimine iletilmesi
Mikroişlemcide işlenmesi gereken komutları taşıyan hatlar yanında, işlenecek verileri taşıyan hatlar ve kesme işlemlerini kontrol eden sinyalleri taşıyan hatlar bulunur. İşlenecek verileri işlemciye yollamak veya işlenen verileri uygun olan birimlere aktarmak için aynı hatlardan faydalanılır. Tüm bu yollara iletişim yolları adı verilir.
13
VERİ YOLU
Tampon Tampon Tampon
Mikroişlemc i
KONTROL YOLU
Bellek
KONTRO L
Giriş
Çıkış
ADRES YOLU
Şekil 1.10: Mikroişlemcili sistemde birimler arasında iletişimi sağlayan yollar
Mikroişlemcinin en önemli kısmını aritmetik ve lojik birimi (ALU) oluşturur (Şekil
2.5).Bu ünite kaydediciler üzerinde toplama, çıkarma, karşılaştırma, kaydırma ve döndürme işlemleri yapar. Yapılan işlemin sonucu kaydediciler üzerinde saklanır. Bazen de yalnızca durum kodu kaydedicisini etkiler. ALU’daki bir işlem sonucunda durum kodu kaydedicisindeki bayrakların birkaçı etkilenebilir veya hiçbiri etkilenmez. Programcı için çoğu zaman ALU’da yapılan işlemin sonucunda etkilenen bayrakların durumu daha önemlidir. Gelişmiş mikroişlemcilerin içindeki ALU’lar çarpma ve bölme işlemlerini yapabilmektedir. ALU’nun işlem yapabileceği en büyük veri, mikroişlemcideki kaydedicilerin veri büyüklüğü ile sınırlıdır. 8 bitlik mimariye sahip bir mikroişlemcideki ALU en fazla 8 bitlik sayılar üzerinde işlem yapar.
BELLEK
DAH İLİ VERİ YOLU
A DR
ALU
BA YRAKLAR
Şekil 1.9: Aritmetik ve mantık birimi
ALU’nun yapabildiği işlemler iki grupta toplanır.
12
Aritmetiksel işlemler
ALU’da yapılan aritmetiksel işlemler mikroişlemcinin yapısına göre çeşitlilik gösterebilir. 8-bitlik mimariye sahip bir mikroişlemcide toplama, çıkarma, çarpma, bölme işlemleri ve ondalıklı sayılarla matematiksel işlemler yapılabilmektedir. Gelişmiş işlemcilerde büyük ondalıklı sayılarla işlem yapmak için ayrıca matematik işlemci mevcuttur.
Mantıksal işlemler
Mantıksal çarpma VE işlemi Mantıksal toplama VEYA işlemi Özel VEYA, XOR işlemi
Değil, NOT işlemi
Karşılaştırma (=, =<, =>, <> gibi) ve kaydırma gibi işlemler bu ünitede yapılır.
Sağa veya sola kaydırma ve döndürme işlemleri
İçerik artırma veya azaltma işlemleri
Bütün bu işlemler teknolojik yapısı değişik kapı ve flip-flop’lardan oluşan bir sistem tarafından yürütülmektedir.
