Материалы сайта
Это интересно
Курсовая работа по микропроцессорам (ККЭП) 3 курс
зоваяию этих средств в различных системах управления, чти дает значительный экономический эффект за счет существенного улучшения качества управления технологическими процессами и промышленными установками. ЭВМ за время своего существования прошли значительный путь развития элементной базы, архитектуры и организации вычислительных процессов. Различают четыре поколения ЭВМ. ЭВМ 4-го поколения строятся на базе последних достижений микроэлектроники. По имеющимся прогнозам доля БИС в ЭВМ 4-го поколения составит 50—70 %. Это по корпусам. По числу элементарных вентилей (И, ИЛИ, НЕ) доля БИС еще выше, 90—98 %. Ядро элементной базы больших интегральных схем составляют схемы памяти и микропроцессорные наборы. В связи с широким развитием средств вычислительной техники на основе БИС для них появилась своя терминология. Рассмотрим содержание основных терминов и понятий. Микропроцессорный набор — это комплект БИС, разработанных для различных микропроцессорных систем. В него, как правило, входят следующие типы БИС: микропроцессор (МП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), блок микропрограммного управления (МПУ), схемы сопряжения с внешними устройствами. Микропроцессор — это процессор, реализованный в виде одной или нескольких БИС. По архитектуре и структуре МП аналогичен процессору — блоку обработки информации по программе (или микропрограмме). МикроЭВМ - - конструктивно завершенное вычислительное устройство, реализованное на базе МП-набора БИС, оформленное в виде автономного прибора со своим источником питания и интерфейсом ввода, вывода. Микропроцессорная система — это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, построенная на базе микропроцессорного набора БИС. Микроконтроллер — программируемое устройство логического управления, построенное на базе МП-набора. Микроэлектронный управляющий вычислительный комплекс (микро- УВК)—комплекс, который включает в себя микроЭВМ, агрега-тируемую устройствами связи с измерительными преобразователями и исполнительными устройствами. Микропроцессорные наборы представляют собой универсальные v гибкие технические средства для построения различных систем обработки информации. Это достигается тем, что все функции обработки информации реализуются в них гибкими программными, а не жесткими аппаратурными средствами. Однако применение микропроцессоров не всюду эффективно. Это связано с особенностями организации БИС и ограниченностью заложенных в них ресурсов. Упрощенная структура микропроцессора показана на рис. 3-31. Она содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и блок регистров. Блок регистров, как и в обычных процессор содержит некоторое число управляющих регистров, регистр признаков, указатель верхушки стека, индексные регистры, регистры кода условий перехода, накапливающий регистр, а также регистры общего назначения (РОН) — сверхоперативную внутреннюю память. Для связи с другими БИС МП имеет три типа шин: управляющих сигналов (ШУ), адреса (ША) и данных (ЩД). В настоящее время разработано больше 80 различных типов МП-БИС. В СССР серийно выпускается 8 типов микропроцессорных наборов БИС. [pic] По структуре все МП БИС можно разделить на 2 класса, с фиксированной и наращиваемой разрядностью (секционные). Разработаны МП БИС с фиксированной разрядностью на 2, 4, 8, 12 и 16 разрядов. Разрядность микроЭВМ на базе секционных МП БИС может быть любой, кратной разрядности одной секции. По способу организации управления вычислительным процессом МП БИС делятся на три типа: 1) с фиксированной системой команд и жестким управлением; 2) с заданной системой команд и микропрограммным управлением; 3) с фиксированной системой микрокоманд и возможностью реализации любых команд на их основе. Первый тип обеспечивает наибольшее быстродействие при реализации команд. Недостатком является жесткость системы. Изменение команд исключается. Во втором типе микропрограммы хранятся в ПЗУ или ПЛМ (программируемых логических матрицах). При этом обеспечивается большая гибкость системы команд. Изменение в командах требует перепрограммирования ПЗУ или ПЛМ. Следует заметить, что в готовых МП этого типа изменение микропрограмм уже невозможно. В третьем типе МП микропрограммы не заданы и их можно разрабатывать применительно к определенному классу задач. Это увеличивает гибкость системы команд, но усложняет проектирование, так как требует разработки микропрограмм. Далее все МП можно разделить на несколько типов в зависимости от применяемой технологии изготовления. Используются следующие типы технологии производства интегральных микросхем: 1. /^-канальная технология МДП-структур. Это самая простая и дешевая технология. Ее недостатком является низкое быстродействие. 2. /г-канальная технология МДП-структур. При этом обеспечивается более высокое быстродействие (в 4-5 раз), чем в схемах на МОП-транзисторах с каналом типа р. 3. Технология комплементарных Мдп-структур (КМДП). В основу схем на КМДП- структурах положен ключ, содержащий два последовательно соединенных МДП- транзистора: усилительный и нагрузочный. Причем эти транзисторы имеют различные типы каналов: р и п. В таких ключах всегда один транзистор закрыт, а другой — открыт. За счет этого обеспечивается малое потребление энергии и сравни- тельно большое быстродействие. В сравнении с р- и га-канальной технологией технология КМДП-схем сложнее и дороже. Но эти схемы отличаются малым потреблением энергии, хорошим быстродействием, высокой помехоустойчивостью и устойчивостью к изменениям напряжения источников питания. 4. Технология схем ТТЛШ — транзистор-транзисторная логика с диодами Шоттки. Такая технология сложна, но при этом обеспечивается высокое быстродействие. Уровень интеграции схем с ТТЛШ ниже, чем с МДП- транзисторами. Поэтому эта технология используется для производства секционных МП-БИС с небольшим числом разрядов в секции. Таблица 3-1 | | | |Число| | | |Серия|Число|'о,|КОМПН|Чис|Техно| |МП-на| |икс|Д |ло |логия| |бора |разря| |{микр|тип| | | |дов | |окома|ов | | | | | |нд) |БИС| | |К580 |8 |2 |78 |1 |П | |К584 |4п |1,5|(512)|1 |ИЛ | |К587 |4п |2 |(168)|4 |кмдп | |К588 |\6п |2 |(96) |2 |кмдп | |К589 |2п |0,1|— |7 |ТТЛШ | | | |5 | | | | |К 536|С? |10 |(149)|14 |р | |К 582|4 |1,5|— |1 |ил | |К581 |16 |1,6|(512)|4 |п | | |(12) | | | | | 5. Технология схем с инжекционной логикой (ИЛ). В основу схем с инжекционной логикой положена комплементарная структура из двух биполярных транзисторов с различным типом проводимости (р—п—р и п—р—п). При этом обеспечивается достаточно высокое быстродействие и упрощение технологии по сравнению с ТТЛШ. В табл. 3-1 приведены основные параметры микропроцессорных наборов, выпускаемых в СССР. Для характеристики быстродействия указано время ^п суммирования операндов, находящихся в регистре общего назначения МП. Более подробное описание микропроцессорных наборов можно найти в [4]. Микропроцессоры с фиксированной разрядностью отличаются большей конструктивной завершенностью, чем секционные МП, но имеют ограниченное число разрядов, что не всегда обеспечивает необходимую точность вычислений. Для уменьшения стоимости БИС за счет упрощения технологии их изготовления требуется увеличение однородности схемы и уменьшение числа внешних выводов. Из-за ограничений на число внешних выводов используются последовательные пересылки информации и мультиплексирование шин. Для шины данных (ШД на рис. 3-31) используется полудуплексный режим работы (передача сигналов в двух направлениях, но в режиме разделения времени). В управляющей и адресной шинах (ШУ, ША) используется однонаправленная передача сигналов (симплексный режим работы). В наи-[pic] более широко распространенном МП серии К580 шина данных имеет 8 разрядов, ША— 16 разрядов, ШУ— 12 разрядов. ША позволяет адресовать ячейки ОЗУ объемом 32К слов. ШУ используется для выдачи и приема управляющих сигналов. При этом в МП поступают тактовые импульсы и сигналы внешнего управления, характеризующие состояние других блоков ЭВМ. МП выдает управляющие сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы всех блоков в соответствии с определенной временной диаграммой. Рис. 3-32. Структура одной секции микропроцессора серии К589 Логическая структура многокристальных секционированных МП отличается от структуры однокристальных МП с фиксированной разрядностью (см. рис. 3- 31). На рис. 3-32 показана структурная схема одной двухразрядной секции микропроцессора серии К.589. Она содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), мультиплексоры операндов А и В, регистр адреса (РА) и накопительный регистр (РН), связанные с выходами АЛУ и с буферами выдачи адреса и данных, регистры общего назначения (РОН) — внутреннюю сверхоперативную память микропроцессора, дешифратор микрокоманд. Данные могут поступать по одной •из трех шин: М, В, К. Шина М используется для ввода данных из памяти, шина В для ввода и вывода данных от внешних устройств, шина К для подачи маски при выполнении операций маскирования информации. Вывод информации осуществляется по шинам данных (Д) и адреса (А). Для связи секций между собой предусмотрены выводы СП\ (связь с левой секцией) и СПо (связь с правой секцией). Через них осуществляется передача информации при сдвиге вправо. Выводы Со и С^ используются для выдачи и приема сигналов переноса. Выводы В А, ВД используются для разрешения выдачи адреса и данных. На вход Р поступает семиразрядный код микрокоманды, а на вход С—тактовые импульсы. Дешифратор микрокоманд формирует необходимую последовательность управляющих сигналов, которые определяют работу всех операционных элементов микропроцессорной секции. Основные отличия структуры МП по рис. 3-32 от структуры МП по рис. 3-31 заключаются в следующем: 1) МП не содержит управляю-щчх регистров и памяти микрокоманд, которые выделены в отдельный блок, реализуемый на других типах БИС; 2) с целью упрощения коммутации внутри МП секции используются три группы выводов для ввода данных и одна — для вывода; 3) предусмотрены выводы для связей МП-секций между собой с целью произвольного наращивания разрядов; 4) МП-секция не является законченным блоком программно управляемой обработки информации. [pic] На рис. 3-33 приведена структурная схема микропроцессора с наращиваемой разрядностью. Он содержит п соединенных между собой микропроцессорных секций. Обозначения выводов МП-секций на |Микропр|п м п 0 | |оцессор| | | |<И1 <Я1 ^11 ЛИ | | |ш| |Ж | |ш |•|)!Н|\| | | | |ПЗ| | |•| | | | | | |У | | |•| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |О| | | |Микрос| |Микрос| | | | | |З| | | |хема | |хема | | | | | |У| | | |сопряж| |сопряж| | | | | | | | | |ения | |ения | | |Т| | | | | | | | | | |У| | | | | | | | | | | | | | | | |)!. | | | | | |Перифе| |Перифе| | | | | |рийное| |рийное| | | | | |устрой| |устрой| | | | | |ство 1| |ство п| ШД ш/\ ШУ Рис. 3-34. Структура микропроцессорной системы рис. 3-33 соответствуют обозначениям, принятым на рис. 3-32. Схема содержит также блок микропрограммного управления (МП У), регистр микрокоманд и память микропрограмм (ПЗУ), три шины данных: для обмена с внешними устройствами, для передачи данных из микропроцессора в память и для приема данных, считанных из памяти, а также шину адреса памяти. По шине данных из памяти поступают команды и операнды. Код операции поступает в блок микропрограммного управления, и адресная часть команды — в микропроцессорные секции (в регистр адреса). Операнды поступают в микропроцессорные секции 107 и через АЛУ (рис. 3-32) записываются в РН либо в один из регистров общего назначения (РОИ). На рис. 3-34 приведена структурная схема микропроцессорной системы (МПС). Она содержит три шины: данных {ШД), адреса (ША) и управления (ШУ), микропроцессор, тактовое устройство (ТУ), оперативное (ОЗУ) и постоянное {ПЗУ) запоминающие устройства, а также п периферийных устройств, подключенных через микросхемы сопряжения. Шины используются для передачи сигналов между отдельными блоками в режиме разделения времени. Синхронизацию работы отдельных блоков и управление обменом информации между ними обычно выполняет микропроцессор. Аппаратура и программа для организации обмена информацией между микропроцессором (МП), ОЗУ и периферийными устройствами называется внешним интерфейсом. Наличие в структуре МПС специально выделенных микросхем сопряжения обусловлено сложностью интерфейсных функций, ограниченным числом внешних выводов МП и ограниченной нагрузочной способностью выходных формирователей МП. Внешний интерфейс осуществляет дешифрацию адреса периферийного устройства (ПУ) и кода команды, обеспечивающую подключение необходимого периферийного устройства и выбор режима его работы; синхронизацию МП и ПУ в процессе обмена; формирование запросов на прерывание микропрограмм; согласование сигналов по уровню, формату и времени. Для сопряжения используются либо специальные микросхемы, либо специальные печатные платы, называемые интерфейсными картами. В зависимости от выполняемых функций микросхемы сопряжения называются портами, программируемыми микроконтроллерами, адаптерами. Порты выполняют следующие функции интерфейса: дешифрацию адреса ПУ и кода команды, формирование запросов на прерывание, согласование уровней сигналов и синхронизацию. Они содержат буферные регистры. Преобразование форматов данных не производится. В некоторых микро-ЭВМ управление организовано таким образом, что порты ведут себя подобно адресам памяти. Программируемые микроконтроллеры выполняют все функции внешнегоинтерфейса, включая преобразования форматов данных. Таким образом, они производят независимо от МП первичную обработку информации. Интерфейсные микроконтроллеры используются в микропроцессорных системах сложной конфигурации с развитой и разнотип-кой периферией. Непрограммируемые интерфейсные микроконтроллеры с жесткой логикой называют адаптерами. Связь МП с периферийными устройствами в МПС осуществляется одним из трех способов: посредством программно управляемой передачи данных; передачи данных в режиме прерывания микропрограмм; передачи через канал прямого доступа. Первый из перечисленных способов требует минимальных аппаратурных затрат, но наибольших затрат времени процессора. Он наиболее часто используется в МПС. Наибольших аппаратурных затрат требует организация прямого доступа к памяти от периферийных устройств. Для этого используется специальная аппаратура — канал прямого доступа к памяти (КПДП). КПДП осуществляет прямую пересылку данных из заранее заданных ячеек ОЗУ в ПУ (или наоборот) без непосредственного управления от микропроцессора Такой способ обмена используется в тех случаях, когда в систему входит быстродействующее внешнее запоминающее устройство (например, память на магнитных дисках) и требуется передача большого объема информации. Обычно за один период синхронизации КПДП обеспечивает передачу 1 байта информации. На это время работа МП приостанавливается. На базе микропроцессорных наборов в СССР разработаны и серийно выпускаются несколько типов микро-ЭВМ, перечень и общие характеристики которых приведены в табл. 3-2. Таблица 3-2 |Тип |Чис|Быстр|Емкос|Применени| |микро-ЭВМ |ло |одейс|ть |е | | |раз|твие,|памят| | | |ряд|тыс. |и, | | | |ов |оп. |килос| | | | | |лов | | | | |с | | | |«Элек|С5-0а| |10 10|8 |Микро-УВК| | |С5-12| | |0,128|Микрокон | |трони|С5-21|16 |150 |0,256|троллер | | | | | | |То же | |ка» |НЦ-0?|8 |100 |32 4 |Микро-УВК| | |60 | |250 |4 |То же | | | | |500 | |> » | |«Кристалл | | | | | |60» | | | | | Рассмотрим некоторые общие-вопросы применения микропроцессоров в системах управления. При этом в основном речь пойдет о МП с фиксированной разрядностью, отличающихся архитектурной и конструктивной законченностью. Типичным представителем таких МП является МП серии К580. Использование подобных МП накладывает жесткие ограничения на архитектуру микро-ЭВМ. Что касается МП-наборов секционного типа (например, серия К.589), то БИС этого набора не определяют архитектуры микро-ЭВМ и их можно рассматривать как расширение элементной базы, оставляющее достаточно большую свободу проектировщикам микро-ЭВМ. МП-наборы позволяют уменьшить число компонентов, из которых собирается управляющая вычислительная система. Это повышает экономичность, надежность, уменьшает трудоемкость и сроки проектирования. Специализация МПСдля управления различными объектами и процессами осуществляется записью соответствующей программы в постоянное или полу постоя чное ЗУ. Основная трудность проектирования при этом переносится на разработку и отладку программ. Следует отметить также, что вследствие ограниченной разрядности МП плохо приспособлены для выполнения вычислений, особенно если требуется высокая точность. Ограниченная разрядность приводит к необходимости использования многочисленных способов адресации, а также сравнительно большого числа различных команд управления и пересылок. Все это затрудняет программирование и снижает производительность. Если реализуемый алгоритм управления сравнительно прост, т. е. не требует большого числа входных и выходных переменных, а также большого числа шагов (состояний), то экономичнее традиционная реализация в виде конечного автомата с жесткой логикой. Правда, при этом желательно использовать также микросхемы высокого уровня интеграции (СИС и ВИС), включая и те типы, которые входят в некоторые микропроцессорные наборы. Более подробно эти вопросы рассмотрены в главе 4. Если в системе требуется решать задачи, связанные с большим объемом вычислений, а необходимый объем производства таких систем невелик, то целесообразно использовать стандартные мини- и микроЭВМ. При не очень сложных и неуниверсальных задачах, требующих, например, достаточно большой точности вычислений и сравнительно высокой производительности, и при большом объеме производства таких средств предпочтение следует отдавать специализированным управляющим мини- и микро- ЭВМ, структура, аппаратура и программы которых могут быть оптимизированы для решения определенного класса задач. Хорошие результаты при этом дают ЭВМ, организованные на базе многофункционального использования накопителя ОЗУ (см. § 3-3). Микропроцессоры, являясь универсальными преобразователями информации, занимают промежуточное положение между системами с жесткой логикой и специализированными мини- и микро-ЭВМ. Их целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется умеренная производительность и сравнительно небольшой объем вычислений при ограниченной точности (до 16 двоичных разрядов). Микропроцессоры выпускаются с начала 70-х годов. Накоплен определенный опыт их применения. Приведем некоторые рекомендации по применению МП, которые высказывают разработчики микропроцессорных систем [22]: 1. Универсальный МП по своей природе не является хорошим вычислителем. Для вычислений целесообразно подключать специальную микросхему вычислителя. 2. Ряд функций в МПС должен быть возложен на специализированные схемы, которые эти функции реализуют более экономно и эффективно, чем МП. 3. Для упрощения отладки программ их следует разбивать на модули и использовать методы структурированного программирования. 4. Для отладки написанной программы ее вначале следует ввести в оперативную память МПС. После отладки программа записывается в перепрограммируемое ПЗУ и некоторое время проверяется в реальных условиях работы МПС. Лишь после этого программу можно переписать в ПЗУ. Более подробно с микропроцессорами и микро-ЭВМ можно познакомиться по работе [22]. ПО