„Wyśledzić moment historyczny, w którym liczydło dosięgło Rozumu, jest równie trudno, jak ów, co małpę przemienił w człowieka".
Stanisław Lem „GOLEM XIV"
Mikrokomputer składa się z pięciu najważniejszych dla użytkownika elementów: klawiatury, mikroprocesora, pamięci typu ROM, pamięci typu RAM 1 interfejsu, (rys. 1).
Zbiór linii sygnałowych, którymi przesyłane są dane między mikroprocesorem a pamięciami (ROM, RAM) i urządzeniami zewnętrznymi (poprzez interfejs I/O), nazywa się magistralą danych. Ponieważ komunikacja jest dwustronna więc magistrala nazywa się dwukierunkową. Komórki pamięci oraz urządzenia zewnętrzne muszą być wybierane przez mikroprocesor selektywnie, przez podanie ich adresu liniami adresowymi. Zbiór linii adresowych nazywa się magistralą adresowa. Jest to magistrala jednokierunkowa tzn. adres jest przesyłowy od mikroprocesora do pozostałych podzespołów. Ponadto w mikroprocesorze istnieje specjalny układ sterowania, który dekoduje rozkazy i generuje wewnętrzne sygnały sterujące, zapewniające właściwy przebieg operacji zdefiniowanej kodem rozkazu. Sygnały te, wspólnie z sygnałami wprowadzanymi do układu sterowania z urządzeń zewnętrznych przesyłane są tzw. magistralą sterującą.
MIKROPROCESOR
Zasadniczym i najbardziej skomplikowany elementem mikrokomputera jest mikroprocesor CPU (z ang. Central Proccesing Unit). Jeśli jednocześnie przetwarza się ośmiobitowe (bit to 0 lub 1) porcje informacji to nazywa się 8-bitowym, w przypadku gdy porcje ta są większe i wynoszą 16, 32 lub 64 bity mówi się o mikroprocesorach odpowiednio 16-, 32- i 64-bitowych. Oczywiście wraz ze wzrostem wielkości przetwarzanej informacji rośnie szybkość pracy mikroprocesora.
Mikrokomputer może operować na pamięci operacyjnej i ra rejestrach czyli pamięci umieszczonej w samym mikroprocesorze. Można wyróżnić 8 podstawowych typów rozkazów:
- Lądowanie i modyfikacja zawartości pamięci i rejestrów.
- Przesyłanie i przeszukiwanie obszarów pamięci.
- Operacje artrematyczne i logiczne.
- Rotacja i cyrkulacja zawartości komórek pamięci i rejestrów.
- Ustawianie poszczególnych bitów.
- Skoki, wywoływanie i powroty z podprogramów.
- Obsługa wejścia—wyjścia.
- Sterowanie stanem mikroprocesora.
Rozkaz jest wykonywany po przesłaniu do mikroprocesora informacji w postaci ciągu zer i jedynek, będącej kodem żądanego zlecenia. Każdemu rozkazowi odpowiada inny kod zero-jedynkowy, zrozumiały dla mikroprocesora.
Wykonywanie każdego rozkazu wymaga od 1 do 5 cykli mikroprocesora. Każdy cykl składa się z 3—5 taktów wbudowanego zegara. Częstotliwość zegara jest najważniejszym po architekturze czynnikiem wpływającym na szybkość wykonywanych operacji.
Dwa najbardziej, rozpowszechnione w Polsce mikrokomputery Sinclair Spectrum i Commodore 64 zbudowane są na dwóch różnych mikroprocesorach, pierwszy na Z80 firmy ZILOG, a drugi na 6510 (zgodny programowo z 6502 firmy MOS Technology). Polski mikrokomputer Compan-8, wytwarzany w zabrzańskim ZUK ma konstrukcję opartą na Intelu 8080A, a mikrokomputer Meritum 1 pracuje na mikroprocesorze U880D — NRD-owskim odpowiedniku Z80.
PAMIĘĆ
Sam mikroprocesor to jednak za mało, gdyż pracować może dopiero po przyłączeniu do niego pamięci. Zgodnie z intuicją, pamięć jest urządzeniem służącym do przechowywania informacji cyfrowych. Najprostszym modelem takiej pamięci jest rząd latarni wzdłuż wąskiej uliczki. Należy założyć, jak to zresztą często bywa, że nie wszystkie latarnie muszą się palić jednocześnie i to, że jeśli pewna latarnia się pali, to nie ma żadnego wpływu na inne. Każda latarnia jest teraz pojedynczą komórką i może znajdować się w dwóch stanach — zgaszona = 0 lub zapalona = 1. O takiej pamięci mówi się, że ma organizację bitową. Słowo bit oznacza cyfrę dwójkowa tzn. 0 lub 1 (zgaszoną lub zapalona latarnia).
W mikrokomputerach wyróżnia się pamięć wewnętrzną (operacyjną) i zewnętrzną. Pamięć operacyjna zbudowana jest z elementów półprzewodnikowych i służy do przechowywania danych i programów używanych na bieżąco przez mikroprocesor. Każdy mikrokomputer ma dwa rodzaje pamięci operacyjnej: pierwsza przeznaczona jest wyłącznie do czytania tzn. pobierania z niej informacji i nazywa się pamięcią stałą lub ROM (z ang. Read Only Memory), druga zapisywalno-odczytywalna daje możliwość dodatkowo zapisu informacji i nazywa się RAM (z ang. Random Access Memory).
Pamięć ROM zawiera stałe programy i dane, które umożliwiają mikroprocesorowi rozpoczęcie pracy natychmiast po włączeniu zasilania. Zawartość ROM-u jest niezmienna i nie do skasowania. Natomiast zawartość pamięci RAM jest tracona w momencie odłączenia zasilania.
Ilość pojedynczych komórek pamięci określa jej pojemność. Jeżeli przez 1 bit rozumie się pojemność jednej komórki, to bajt oznacza pojemność 8 komórek pamięci czyli 8 bitów. Pojemność pamięci przyjęło się wyrażać w bajtach lub kilobajtach, jednostkach 1024 razy większych niż 1 bajt.
Pojemność RAM-u większości średniej klasy mikrokomputerów wynosi do 64 kB tzn. 64 z 1024 bajty, czyli 64 x 1024 x 8 = 524283 to dużo, czy mało? Aby wyobrazić sobie co oznacza 64 kB, trzeba wiedzieć, że zapis kodu każdego znaku alfanumerycznego zajmuje 8 bitów czyli jeden bajt pamięci. Tak samo zapisanie dowolnej liczby od 0 do 255 wymaga jednego bajtu pamięci. To oznacza, że można zapisać w pamięci około 65 tysięcy liter lub liczb mniejszych od 255. Przeciętna strona maszynopisu tekstu lub książki średniego formatu zawiera - tysiące znaków, czyli w pamięci pojemności 6kb kB można zapisać 32,5 strony maszynopisu lub 63 tysięcy liczb z przedziału 0—205.
PERYFERIA
Aby mikrokomputer stał się przydatny do pracy musi mieć możliwość komunikowania się z otoczeniem. Powyższe zadanie realizowane jest przez tzw. urządzenia zewnętrzne lub peryferyjne. Wszystkie urządzenia zewnętrzne łączone są z mikroprocesorem przez specjalny przyrząd nazywany układem wejścia-wyjścia lub Interfejsem.
Mikrokomputer może współpracować z następującymi urządzeniami:
- magnetofonem kasetowym lub szpulowym
- wzmacniaczem i głośnikami
- monitorem lub telewizorem kolorowym i czarno-białym
- stacją dysków elastycznych
- drukarką lub maszyną do pisania
- modemem.
Monitor, telewizor i głośniki są urządzeniami zewnętrznymi, wyjściowymi, których mikrokomputer używa do przekazywania użytkownikowi informacji.
Magnetofon jest urządzeniem zarówno wejściowym jak i wyjściowym, które nie służy do bezpośredniej komunikacji, ale do przechowywania programów i danych, taśma magnetofonowa jest nośnikiem informacji i spełnia rolą pamięci zewnętrznej. Analogiczna jest rola dyskietki elastycznej i stacji dysków, czyli „drivera". Pojemność pamięci z jednej strony dyskietki wynosi około 170 kB (dla Commodore 64) czyli około 100 stron maszynopisu.
Informacja może zostać również utrwalona na papierze, dzięki wykorzystaniu do tego celu drukarki lub maszyny do pisania. Aby zapewnić możliwość kontaktu dwóch mikrokomputerów, których nie można połączyć jednym przewodem stosuje się modem — urządzenie wykorzystujące linię telefoniczną do uzyskiwania bądź przesyłania informacji.
JĘZYKI
Wykonanie każdego zadania poleca na zrealizowaniu pewnej sekwencji rozkazów nazywanej programem. Czy zatem znajomość listy rozkazów dla danego typu mikroprocesora, czyli jego języka wewnętrznego, jest niezbędnym warunkiem korzystania z mikrokomputera? Na szczęście nie. Istnieje wiele tzw. języków programowania wyższego poziomu, umożliwiających precyzowanie działania „maszyny" w znacznie bardziej syntetycznej postaci i zapisywanie ich w sposób zbliżony do języka potocznego (najczęściej angielskiego).
Program napisany w języku wyższego poziomu, aby mógł być wykonany, musi zostać zanalizowany przez inny program zwany translatorem (kompilatorem lub interpreterem) albo programem tłumaczącym. Translator rozkłada program źródłowy (w języku wyższego poziomu) na proste operacje w postaci rozkazów zrozumiałych dla danego mikroprocesora. Różnica pomiędzy kompilatorem a interpreterem polega na tym, że kompilator zamienia cały program źródłowy w ciąg rozkazów w postaci dwójkowej, natomiast interpreter pobiera po jednej linii programu źródłowego, zamienia ją na kod dwójkowy i zleca wykonanie. Oczywiście program skompilowany wykonuje się dużo szybciej niż program interpretowany.
W ROM-ie większości mikrokomputerów zapisany jest na stale interpreter języka Basic. Dodatkowo dostępne są translatory innych języków wysokiego poziomu — Pascal, Logo, Forth, Fortran, Pilot, Prolog, Ada, C i inne.
WOJCIECH PENCZEK
Słowniczek
- adres - ciąg symboli, bitów lub liczba identyfikująca rejestr, komórkę pamięci lub urządzenie.
- algorytm — jednoznaczny przepis na rozwiązanie zadania
- asembler — program komputera używany do tłumaczenia programu wyrażonego w języku adresów symbolicznych na język procesora
- bajt — najkrótszy, adresowalny ciąg bitów, traktowany jako niepodzielna całość; składa się z ośmiu bitów (ewentualnie plus bit kontrolny)
- bit — cyfra dwójkowa (0 lub 1) jednostka ilości informacji
- hardware - sprzęt komputerowy Interfejs — urządzenie wyjścia lub wejścia kilobajt — kB. 1024 bajty
- kod ASCII - obowiązujący w USA i szeroko stosowany w innych krajach znormalizowany kod 8-bitowy (7 bitów informacji i 1 bit parzystości)
- kompatybilność - wymienność oprogramowania dla różnych modeli komputerów (zgodność)
- megabajt — MB, 1024 x 1024 bajtów
- modem - urządzenie umożliwiające transmisję danych przez łącza telekomunikacyjne
- procesor - urządzenie w komputerze cyfrowym, które może wykonywać autonomiczny ciąg rozkazów
- program — ciąg instrukcji w określonym języku programowania
- software — oprogramowanie(e.p.)
WOJCIECH PENCZEK