Микропроцессорная техника

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

И МИКРО-ЭВМ

КОНСПЕКТ  ЛЕКЦИЙ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

И МИКРО-ЭВМ

КОНСПЕКТ  ЛЕКЦИЙ 
 

ВВЕДЕНИЕ 

   Целью изучения дисциплины “Микропроцессоры и микро-ЭВМ” является формирование  у студентов знания общей методологии,  а также конкретных методов проектирования основных разновидностей  современных микропроцессорных  средств. 

   Необходимо  учитывать, что современное техническое  оборудование предполагает обязательное использование ЭВМ в профессиональной деятельности инженера, конструктора или технолога. Уникальность применения МПС состоит прежде всего в том, что, не изменяя как таковое физическое устройство ЭВМ, ее аппаратуру, можно заставить компьютер выполнять самые различные функции, превращая его либо в систему автоматического проектирования сложных устройств, либо в обучающее устройство, либо в игровой автомат.

   Важно помнить, что главный смысл компьютерной революции заключается в качественно  новом характере повышения уровня автоматизации в большинстве сфер производственной деятельности, что позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость выпускаемой продукции и значительно сократить ручные операции.

   При создании автоматизированных симстем  различного назначения в качестве их основы широко используются два класса  средств цифровой техники:

   а) устройства с жесткой структурой,  выполненные на базе цифровых логических схем;

   б) электронные вычислительные машины (ЭВМ).

   Устройства  с  жесткой  структурой обычно содержат большое число интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти схемы устанавливаются на платах,  а их выводы соединяются в соответствии с реализуемыми функциями.  Любое изменение функций  требует  изменения схемы (т.  е.  перепайки соединений, замены ИС), конструкции, проверочных тестов. Поэтому главные недостатки устройств с жесткой структурой - большое время проектирования и изготовления и трудности внесения изменений.

   Системы на  основе ЭВМ могут легко  перестраиваться с реализации одной  функции на другую,  для этого  достаточно составить и занести в память новую  программу.  При  использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки системы. Однако высокая стоимость ЭВМ часто делает экономически нецелесообразной разработку цифровых систем на основе этого подхода.

   Успехи  полупроводниковой технологии привели  к появлению больших интегральных схем (БИС) с плотностью размещения компонентов  до  десятков тысяч  транзисторов на кристалле.  Использование БИС позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем  -  увеличить их производительность и надежность,  уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность.  Таким образом появляется возможность устройства с жесткой аппаратной  логикой выполнять на основе заказных специализированных БИС. Но стоимость заказных БИС, определяемая объемом их выпуска, является слишком высокой для изготовителей БИС.  Поэтому, как правило, заказные БИС экономически невыгодны ни для изготовителей ИС ни для изготовителей цифровых систем.  Применение заказных БИС может быть оправдано или при весьма ответственном назначении цифровой системы или при высокой серийности системы или отдельных БИС,  например калькуляторов, электронных часов.

   Указанные обстоятельства  привели  к появлению  нового подхода к проектированию цмфровых систем - на основе  программируемой логики. Этот подход  предполагает  использование при построении систем стандартной универсальной БИС (одной  или  нескольких),  работающих под программным управлением,  которая  получила название микропроцессора (МП). Таким образом,  если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой  для реализации необходимых функций может пользоваться только аппаратными средствами,  то при построении  систем  на основе программируемой  логики  он  получает в свое распоряжение как аппаратные, так и программные средства.

   При изучении дисциплины будем использовать следующие основные понятия и  определения:

   Процессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ или вычислительной системы, которое выполняет арифметические и логические операции,  управляет вычислительным процессом и  координирует работу периферийных устройств системы.

   Микропроцессор - это обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным  управлением обработку информации,  включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

   Микропроцессорная БИС - интегральная микросхема, выполняющая функцию МП или его части (БИС с процессорной организацией, разработанная для построения микропроцессорных систем).

   Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микро-ЭВМ и других средств вычислительной техники.

   Контроллер - это микро-ЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами,  обедненной периферией и упрощенной системой команд ориентированная не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием. Контроллеры часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки,  машины, технологические процессы.

   Микроконтроллер - это микропроцессорное устройство  ориентированное не на производство вычислений, а на реализацию заданной функции управления.

   Микро-ЭВМ -  это вычислительная или управляющая система выполненная на основе одного или нескольких МП содержащая БИС постоянной и оперативной памяти,  БИС управления вводом и выводом информации и оснащенная необходимым периферийным оборудованием (дисплей, печатающее устройство, накопители на магнитных дисках и т. п.).

   Мини-ЭВМ (малая ЭВМ) - малогабаритные ЭВМ общего применения малой или средней производительности используемые главным образом для решения несложных  инженерно-технических  задач.  Специализированные мини-ЭВМ используются в системах автоматического управления.

   Микропроцессорная система (МП-система) - специализированная информационная или управляющая система,  построенная на основе микропроцессорных средств, т. е. набора микропроцессорных схем. 

   1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ  В МИКРО-ЭВМ И

     СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 

   Цифровые  электронные устройства строятся  на  схемах  способных находиться в двух состояниях. Если этим состояниям поставить в соответствие символы 1 и 0,  то любому числу,  букве или  символу  можно приписать определенное сочетание единиц и нулей. Представление чисел с помощью двух цифр 1 и 0 получило название  двоичной  или  бинарной системы счисления (в основании системы лежит число 2). Каждый разряд двоичной записи числа называют битом.

   Любое число  в системе с любым  основанием можно записать в виде суммы, где слагаемыми являются весовые  коэффициенты  умноженные  на значащую цифру.

   Например, число 245 в десятичной системе можно записать так:

   

Аналогично, число 45 в двоичной системе можно  представить как 

   В первом случае весовые коэффициенты могут  принимать  значения от 0  до  9 и в основании системы  лежит число 10 (десятичная система  счисления), а во втором случае весовые коэффициенты могут  принимать значения только 0 и 1, а в основании системы лежит число 2 (двоичная система счисления). 

   2 Классификация ЭВМ 

   Существуют  различные критерии для классификации  ЭВМ, из которых наиболее распространены следующие:

   По  назначению: общего пользования (универсальные),  ориентированные на решение разнообразных задач.

   По  быстродействию: малые  (до  100  тыс.  операций в секунду), средние (до 500 тыс.),  большие (до 1,5 млн.),  сверхбольшие  (свыше 1,5 млн. операций в секунду).

   Здесь указано быстродействие центрального процессора.  Реальное быстродействие ЭВМ существенно ниже за счет “медленных” устройств ввода-вывода.

   По  составу оборудования: базовые, включающие стандартный минимальный комплект для поставки потребителю; типовые, включающие комплект оборудования,  наиболее используемый в настоящее время; специализированные, включающие  комплект  оборудования,  поставляемого по спецификации заказчика.

   Следует иметь ввиду, что классификация  ЭВМ постоянно изменяется. 
 

   3 ТИПОВАЯ СТРУКТУРА  МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ

      УСТРОЙСТВ.  РЕЖИМЫ  ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 

   Применение  МП позволило создать новый класс  вычислительной техники - микропроцессорные  системы, обобщенная логическая структура  которых приведена на рисунке 1.

   Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

   Показанный  на рисунке 1 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.

   Представленная  на рисунке 1 структура отражает магистрально-модульный  принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.

   Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации. 

   

   Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Как видно из рисунка 1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения для модулей памяти (постоянных и оперативных запоминающих устройств) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода).

   В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, магнитофоны, гибкие и жесткие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства, клавиатура и т.п.

   Периферийное  устройство подсоединяется к шинам  МП не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МП-системе.

   Постоянное  запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые  для управления процессом обработки.  В  оперативном  запоминающем  устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.

   Работа  МП синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы МПС с ее клавиатуры.