Глава 10. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ

10.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОМПЛЕКТОВ

Для реализации устройств обработки информации (УОИ) используют аппаратные, программные и аппаратно-программные средства. При аппаратных получают УОИ с «жесткой» логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие, но требуются большие аппаратные затраты. При программных УОИ реализуется в виде программы для типовой универсальной микро-ЭВМ, предназначенной для встраивания непосредственно в разрабатываемые блоки. При аппаратно-программных предполагается разработка как программных, так и аппаратных средств на базе микропроцессоров (МП).

Рис. 10.1.

Микропроцессор представляет собой функционально закопченное устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС и предназначенное для выполнения операций по обработке информации и управления вычислительным процессом. На рис. 10.1 изображена структура микропроцессорного устройства (системы). Следует отметить, что такую же структуру имеют микроЭВМ широкого назначения. Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который подобно процессору обычных ЭВМ непосредственно выполняет арифметические и логические операции над данными, программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Структура, изображенная на рис. 10.1, отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств. Отдельные блоки (ПЗУ, ОЗУ) являются законченными функциональными модулями в виде одной или нескольких БИС.

Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей) адреса, данных и оборудование (УВВ и внешние ЗУ) подсоединяется к шинам МП не непосредственно, а через программно-управляемые интерфейсные БИС — контроллеры (контроллер прямого доступа к памяти КПДП, программируемый параллельный интерфейс ППИ, программируемый последовательный интерфейс связи ППИС, программируемый контроллер приоритетных прерываний ПКПП, программируемый таймер ПТ и т. п.). При этом в каждый данный момент возможен обмен информацией только между двумя модулями системы [19; 37; 48; 50; 75; 78]. В схеме имеется генератор тактовых импульсов ГТИ.

Рис. 10.2.

В МП обрабатываются машинные слова, представленные в двоичном коде. Машинные слова бывают двух типов: информационные (данные) и командные (команды). Информационные слова (данные) представляют собой числа, над которыми выполняется цифровая обработка. Длина слова данных определяется диапазоном чисел, обрабатываемых МП, и способом кодирования (двоичный или двоично-десятичный код). Командное слово состоит из кода операции и операнда (рис. 10.2,а). Код операции — это закодированное название операции, которую должен выполнить МП. Совокупность кодов операции образует набор команд МП. Число разрядов выделенных для кодов операций, определяется набором команд: . Операнд — адрес информационного слова или само информационное слово. Адрес — месторасположение машинного слова в памяти.

В МП используются преимущественно две формы представления чисел: с фиксированной запятой — естественная форма (рис. ) и с плавающей запятой — показательная форма (рис. 10.2,в). При записи чисел с фиксированной запятой положение запятой фиксируется в определенном месте разрядов числа (например, перед старшим разрядом или после младшего разряда) и сохраняется неизменным для всех чисел, с которыми оперирует МП. При этом старший разряд используется в качестве знакового, в нем записывается код знака числа (0 — положительного, 1 — отрицательного). Остальные разряды числа используются для представления модуля числа: для положительного числа соответствуют записи прямого кода, для отрицательного значения — дополнительного кода. Поэтому если машинное слово имеет бит, то () бит используется для представления до .

Для представления больших чисел можно использовать два или несколько слов: например, число (отрицательное десятичное число) (отрицательное двоичное число) (2 — с фиксированной запятой, модуль числа в обратном коде) (2 — с фиксированной запятой, модуль числа в коде дополнения до двух); число (отрицательное двоично-десятичное число) — с фиксированной запятой, модуль числа в коде дополнения до 9).

При записи чисел с плавающей запятой число выражается порядком и мантиссой (рис. 10.2,в). Числа с плавающей запятой, как правило, нормализуются, т. е. запятая ставится перед старшим разрядом мантиссы, содержащим 1.

Рис. 10.3.

Например, . При использовании чисел с плавающей запятой довольно просто реализуются операции умножения и деления, при сложении и вычитании необходимо выполнить преобразование чисел так, чтобы они имели равные модули порядка. При такой форме записи диапазон чисел определяется прежде всего модулем порядка, а точность — разрядностью мантиссы.

Основной функциональный блок микроЭВМ — процессор. Рассмотрим принцип работы процессора на примере выполнения арифметических операций . Пусть программа для выполнения приведенного примера находится в ячейках оперативной памяти с номерами , а данные — в ячейках с номерами (рис. 10.3) Программа содержит следующие команды: LDA — поместить содержимое ячейки памяти с адресом 301 в аккумулятор; — сложить содержимое ячейки 302 с содержимым аккумулятора и результат поместить в аккумулятор; — умножить содержимое ячейки 303 на содержимое аккумулятора; — загрузить содержимое аккумулятора в ячейку памяти с адресом 304. Для последовательного выполнения отдельных операций блок управления Б У должен обеспечить реализацию следующих функций: считывание команды;

Дешифрацию кода операций; установку адреса операнда; установку счетчика команд СК для выборки последующей команды; выполнение команды, заданной кодом операции.

Прежде всего надо загрузить в счетчик команд адрес 201. Затем по сигналу ПУСК устройство управления передает адрес 201 в оперативную память (линия а). Командное слово, хранимое по этому адресу, пересылается в регистр команд РК устройства управления (линия ). Код операции LDA дешифратором команд обеспечивает выработку соответствующих управляющих сигналов для загрузки в аккумулятор арифметико-логического устройства содержимого соответствующей ячейки памяти (линия с). По адресу (в адресной части команды), хранимому в регистре команд, извлекается через регистр адреса содержимое ячейки с номером 301 из оперативной памяти (линия d). Содержимое данной ячейки (число 5) передается в аккумулятор АЛУ (линия ) АЛУ выдает в устройство управления информацию об окончании операции (линия ), вследствие этого содержимое счетчика команд увеличивается на единицу, т. е. становится равным 202. Рассмотренная последовательность должна повториться по командному слову, хранимому в ячейке памяти с адресом 202 и т. д.

Совокупность микропроцессорных и интегральных микросхем (ПКПП, КПДП, ППИ, , ПТ и др.), совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для использования при построении микропроцессорных систем, микроЭВМ и других вычислительных устройств называется микропроцессорным комплектом интегральных схем (МПК ИС). МПК состоит из четырех групп БИС: 1) базовый МПК; 2) БИС запоминающих устройств (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ); 3) БИС для связи между МП и УВВ (дисплеи, АЦПУ, внешние накопители информации — гибкие диски и БИС для связи с объектом (ЦАП, АЦП, преобразователи и т. д.).

К основным параметрам МПК БИС относят: тип микроэлектронной технологии (КМОП, МОП, ТТЛШ, ЭСЛ, ); количество кристаллов, образующих МП; длину (количество разрядов гг) слова, обрабатываемого МП; быстродействие МП (тактовая частота, время выполнения команд основных операций); емкость адресуемой памяти; эффективность системы команд (количество команд, выполняемые операции, возможные способы адресации и т. ); число уровней прерываний; возможность прямого доступа к памяти; номинальные параметры используемых сигналов; число входящих в МПК дополнительных БИС и выполняемые ими функции; количество и уровни питающих напряжений; мощность рассеяния МП.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают аналоговые и цифровые МПК. Сами МП — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные АЦП и ЦАП. Поэтому аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают выход. Такие МП называются аналоговыми микропроцессорами (АМП) Они выполняют функции любой аналоговой (например, генерацию колебаний, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном времени и т. д.).

Микропроцессорные БИС можно разделить на: однокристальные МП (табл. 10.1) с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и, как правило, с управляющим устройством со «схемной» логикой;

Таблица 10.1

(см. оригинал)

Таблица 10.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 10.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 10.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 10.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Продолжение табл. 10.1

Многокристальные (секционные) микропрограммируемые МП (табл. 10.1) с изменяемой разрядностью слова и с фиксированным набором микроопераций; однокристальные микроЭВМ (табл. 10.2), имеющие в своем составе центральный процессор с фиксированной структурой и системой команд, ОЗУ и ПЗУ; аналоговые микропроцессоры (табл. 10.3) для цифровой обработки сигналов.

Таблица 10.2

Многокристальные (секционные) микропрограммируемые МП обеспечивают большую гибкость при разработке универсальных специализированных ЭВМ, реализующих различные системы команд в УОИ в реальном времени.

Таблица 10.3

Однако при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие команды, и занести их в управляющую память МП. Использование микропрограммируемых МП связано с определенными трудностями и требует от разработчика высокой квалификации в вопросах программирования и схемотехнического проектирования. Наиболее широко используют однокристальные МП с фиксированной разрядностью и однокристальные микроЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение получили -разрядные МПК и -разрядные . Поэтому рассмотрим эти типы МПК, так как построение микроЭВМ на базе МПК позволяет легко освоить работу других аналогичных МПК.