Принципы действия микрокомпьютеров

Параллельный ввод-вывод (PIO). Микросхема PIO предназначается для передачи данных через 8-битные порты во внешние устройства. Функции контактов типичной микросхемы PIO приведены нарте. 1.7. Сигналы подключаются к шинам ЦП аналогично подключению микросхемы ЗУПВ. Байт данных передается по шине данных, а две подключенные линии шины адреса обеспечивают следующие четыре адреса в микросхеме PIO:

 

A1	A2
0	0	Порт А
0	1	Порт В
1	0	Порт С
1	1	Регистр управления

 

регистр управления применяется  для выбора направлений портов, т. е. программист должен поместить управляющий байт в регистр управления до инициирования передач байтов через порты.

Отметим, что микропроцессоры, микросхемы памяти и программируемые микросхемы ввода-вывода производятся по МОП- или КМОП-технологлям, которые называются технологиями интегральных схем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС). Однако существует и непрограммируемая альтернатива микросхем PIO в виде 8-битного регистра ТТЛ-семейства, в которой содержатся дополнительные схемы для клапанирования и некоторые управляющие схемы. Например, в качестве входного порта можно использовать микросхему SN74244 с восемью входными (подключаются к внешнему устройству, например восьми кнопкам) и выходными линиями соединяются с шиной данных) и двумя управляющими линиями (одна из них, применяется для выбора микросхемы и подключается к дешифратору адреса).

В качестве примеров типичных применений параллельных выходных портов можно привести:

8-битное подключение к 7-сегментным  индикаторам (с десятичной точкой);

вывод от 1 до 8 бит для управления индикаторами на светодиодах (лампочках) или управления электрическим двигателем (соленоидом);

вывод в цифро-аналоговый преобразователь  для получения аналогового сигнала, подаваемого в сервопривод, графопостроитель или клапан;

8-битное подключение к параллельному  принтеру. Стандартный интерфейс  Centronics для параллельного принтера  состоит из 8 бит данных, 1 бита  квитирования в принтер и 1 бита квитирования из принтера.

В параллельных входных портах допускается ввод из аналого-цифрового преобразователя для считывания в компьютер аналогового сигнала из прибора и ввод от 1 до 8 бит от кнопок или переключателей (сигналы о замыкании контактов).

Последовательный ввод-вывод. Универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП или UART) применяется вместо микросхемы PIO, когда требуется передать 8 бит данных по одной последовательной, а не по восьми параллельным линиям. Хотя при этом достигается определенная экономия кабельных соединений, недостаток такой организации ввода-вывода заключается в уменьшении скорости передачи. Последовательная передача применяется для подключения к компьютерам дисплеев, в линиях связи между компьютерами, а также для некоторых принтеров.

Типичные функции контактов UART показаны на рис. 1.8. Способы подключения  микросхемы UART к ЦП аналогичны ранее  рассмотренным для микросхемы PIO плюс дополнительно подается сигнал синхронизации, чтобы произвести передачу восьми последовательных бит байта данных. Подключения внешнего периферийного устройства, например дисплея, осуществляются по линиям Tx (выход) и Rx (вход). Имеются также четыре квитирующих сигнала, показывающих, что внешнее устройство закончило обработку предыдущего байта данных (CTS) и готово к передаче (DSR). Интерфейс с последовательными устройствами обычно соответствует стандарту RS-232C. Подключения для 25-контактного разъема в этом стандарте приведены справа на рис. 1.8. В микросхеме UART обычно имеются следующие четыре адреса:

 

 

A1	А0
0	0	Тх (последовательный выход)
0	1	ах (последовательный вход)
1	0	Регистр управления
1	1	Регистр состояния (например, символ передан, символ принят)

 

8-битный символ данных окаймляется  стартовым (логический 0) и стоповым (логическая 1) битами. Программа должна инициализировать регистр управления до передачи байта данных для выбора таких параметров, как скорость последовательной передачи в бодах бит/с), обычно 600, 1200, 2400, 4800 или 9609 бод, число стоповых бит (1, 1,5 или 2), число бит данных. (5, 6 или 7; обычно 7 и UART добавляет 1 бит паритета), паритет или четность (добавляется после бит данных; применяется четный или нечетный паритет).

Отметим, что микросхема UART работает с напряжением ТТЛ-уровней (логическая 1 соответствует +5 В, а логический 0 - 0 В), но спецификация интерфейса RS-232C требует других сигналов (алогическая 1 соответствует -12 В, а логический 0 - +12 В). Поэтому для соединения микросхемы UART с разъемом RS-232C необходима схема преобразования уровней.

Таймер/счетчик. Микросхема таймера/счетчика (СТС) представляет собой программируемый счетчик, в который ЦП может загружать и считывать информацию. Обычно в микросхеме СТС имеется от 1 до 4 таких счетчиков. Иногда один счетчик включается в микросхему PIO.

На рис.1.9.а доказан счетчик, который автоматически перезагружается при достижении нуля. В этом случае генерируется равномерный поток импульсов. В счетчике на рис. 1.9.б формируется сигнал прерывания, заставляющий ЦП выполнять специальную программу прерывания. Последняя может модифицировать счетчики в памяти, содержащие время дня, а другие программы либо пользуются такими часами, либо вызываются в конкретное время. В счетчике на рис. 1.9.в программа может считать содержимое счетчика, а также сбросить счетчик на нуль. Такой способ счета событий, например за определенный промежуток, эффективнее программной реакции на каждое событие (реакция обычно вызывается прерыванием).

Некоторые микросхемы СТС допускают  программирование (инициализацию) на инкремент или декремент. Кроме того, входной сигнал синхронизации можно разделить на программируемое двоичное число до инкремента/декремента счетчика.

 

Микропроцессорные устройства на основе МПК серии КР580

СОСТАВ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА

 

Микропроцессорный комплект серии КР580 содержит набор БИС для построения микропроцессорных устройств относительно невысокого быстродействия, работающих с тактовой частотой до 2,5 МГц. В основном на МПК данной серии строятся микропроцессорные устройства, решающие задачи, связанные с управлением разнообразными технологическими процессами.

Комплект имеет следующие особенности. В нем предусмотрена БИС центрального процессора, содержащая в одной микросхеме операционное и управляющее устройства. Это существенно упрощает построение микропроцессорного устройства. Кроме того, из соображений упрощения программирования для управления микросхемами МПК применяется фиксированный набор команд. Использование такого фиксированного набора команд, облегчая составление программ, в то же время является фактором, снижающим быстродействие микропроцессорного устройства. Это связано с тем, что предлагаемый пользователю стандартный набор команд может оказаться плохо приспособленным для описания действий, требуемых для решения конкретной задачи.

Все микросхемы, входящие в состав МПК, выполнены по nМоп-технологии, однако входные и выходные сигналы соответствуют уровням логических схем ТТЛ - технологии. Это упрощает переходы между микросхемами серии КР580 и микросхемами ТТЛ - технологии любых серий. Следовательно, не возникает трудностей, если при построении микропроцессорного устройства используются также некоторые микросхемы ТТЛ - технологии, имеющие широкое применение.

Микросхемы МПК КР580 и их функции представлены в табл. 2.1.

Микросхемы характеризуются следующими параметрами: температурный диапазон: КР580 -10... -1-70 °С; 580 -60... ... + 85 °С;

потребляемая мощность: КР580ИК80 1,25 Вт; 580ВМ80 1,7 Вт: остальные БИС 0,7 Вт:

напряжение питания: КР580ИК80, 580ВМ80 +5, +12, -5В, остальные БИС + 5В;

допустимое отклонение напряжения: КР580 ±5 %; 580 ±10%; нагрузочная способность каждого выхода БИС - один вход элемента ТТЛ;

время спада и нарастания входных  напряжений на выводах БИС 30 нс.

 

Таблица 2.1

Тип микросхемы	Назначение микросхемы	Выполняемая функция
КР580ИК80А 580ВМ80	Восьмиразрядный параллельный процессор	Центральный процессор с фиксированной  системой команд для обработки параллельной 8-разрядной информации
КР580ИК51 580ИИ51	Программируемый последовательный интерфейс	Универсальное синхронно-асинхронное  программируемое приёмо-передающее устройство последовательной связи
КР580ВИ53 580ВИ53	Программируемый таймер	Формирует программно-управляемые временные задержки для синхронизации управляемых объектов в реальном масштабе времени
КР580ИК55 580ВВ55	Программируемый параллельный интерфейс	Программируемый ввод-вывод параллельной информации различного формата
КР580ИК57 580ВТ57	Программируемый контроллер прямого доступа к памяти	Высокоскоростной обмен информацией  между памятью МПУ и периферийными  устройствами
КР580ВН59 580ВН59	Программируемый контроллер прерываний	Обслуживает до 8 запросов на прерывание от внешних устройств
КР580ГФ24 580ГФ24	Генератор тактовых импульсов	Формирует две последовательности тактовых импульсов, необходимые для работы центрального процессора
КР580ВК28 580ВК28 КР580ВК38 580ВК38	Системный контроллер	Формирует сигналы, предназначенные  для управления различными устройствами, входящими в состав МПУ
КР580ВА86	Шинный формирователь	Двунаправленный 8-разрядный шинный формирователь с не инвертирующим  выходом с высокой нагрузочной способностью и тремя состояниями
КР580ВА87	Шинный формирователь	То же с инвертирующим выходом
КР580ИР82	Буферный регистр	8-разрядный буферный регистр  с не инвертирующим выходом с тремя состояниями
КР580ИР83	Буферный регистр	То же с инвертирующим выходом
КР580ВГ75	Программируемый интерфейс ЭЛТ	Контроллер вывода информации из памяти МПУ на экран ЭЛТ
КР580ВГ79	Программируемый интерфейс клавиатуры и дисплея	Контроллер ввода-вывода для клавиатуры и дисплея

 

МИКРОПРОЦЕССОР КР580ИК80

 

БИС КР580ИК80 представляет собой 8-разрядный процессор, в котором совмещены операционное и управляющее устройства. Управляющая память недоступна пользователю, в ней уже в процессе изготовления БИС записываются микропрограммы операций (микропрограммы, по которым выполняются команды). Таким образом, предусматривается использование некоторой фиксированной системы команд. в которую пользователь не может внести изменений. В связи с этим данный микропроцессор относится к числу немикропрограммируемых. т. е. программируемых не на уровне микрокоманд, а на уровне команд.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

 

На рис. 2.1 приведена структурная  схема БИС КР580ИК80. Опишем кратко ее узлы.

Регистры данных. Для хранения участвующих в операциях данных предусмотрено семь 8-разрядных регистров. Регистр А, называемый аккумулятором, предназначен для обмена информацией с внешними устройствами (т. е. либо содержимое этого регистра может быть выдано на выход, либо со схода в него может быть принято число), при выполнении арифметических, логических операций и операций сдвига он служит источником операнда (числа, участвующего в операции), в него помещается результат выполненной операции. Шесть других регистров, обозначенных В, С, D, Е, Н, L, образуют так называемый блок регистров общего назначения РОИ (название связано с тем, что эти регистры могут использоваться для хранения как данных, так и адресов). Эти регистры могут использоваться как одиночные 8-разрядные регистры. В случаях, когда возникает необходимость хранить 16-разрядные двоичные числа, они объединяются в пары BC, DE, HL.

Регистры БР₁, БР₂, W, Z используются как буферные, программно-недоступные регистры (т. е. регистры, к которым программист при составлении программы не может обращаться).

Указатель стека SP (16-разрядный) служит для адресации особого Лида памяти, называемого стеком (организация стека будет рассмотрена ниже).

Счетчик команд PC (16-разрядный) предназначен для хранения адреса команды; после выбора из оперативной памяти текущей команды содержимое счетчика увеличивается на единицу и таким образом формируется адрес очередной команды (при отсутствии безусловных и условных переходов).

При обращении к памяти в качестве адреса может использоваться и содержимое любой пары регистров блока РОИ.

При выдаче адреса содержимое соответствующих  регистров передается в 16-разрядный регистр адреса РА, из которого далее через буферы БА адрес поступает на 16-разрядную шину адреса. С этой шины адрес может быть принят в оперативную память. Число кодовых комбинаций 16-разрядного адреса равно 2", каждая из этих кодовых комбинаций может определять адрес (номер) одной из ячеек оперативной памяти. Таким образом, обеспечивается возможность обращения к памяти, содержащей до 8-разрядных слов (байт).