Материалы сайта
Это интересно
Курсовая работа по микропроцессорам (ККЭП) 3 курс
Один ЦП может управлять от 1 до 16 ПЗУ, до !6 ОЗУ и несколькими СР, обеспечивающими вместе с портами МС-4001 и МС-4002 обслуживание 128 линий входа-выхода. На рис. 8.2 приведена схема объединения трех микросхем: 4004, 4001 и 4002 общей 4-разрядной шиной. Ф] и Фа — два периодических импульсных сигнала, вырабатываемых генератором и не перекрывающихся по фазе. Ф\ и Фа подаются на все микросхемы. ЦП, кроме этого, вырабатывает для всех МС сигналы синхронизации SYNG и 5 управляющих сигналов: 4 для МС ОЗУ 4002 и 1 для блока ПЗУ. Сигнал RESET служит для сброса системы и начала работы с нулевого адреса. На рис. 8.3 дан основной командный цикл микропроцессорной системы 4004/4004. Генератор импульсов [pic] выдает 2 не перекрывающихся по фазе сигнала Ф; и Фа с тактовой частотой 1,35 мкс. Из них формируется синхронизирующая серия основного цикла системы с тактом 10,8 мкс и сигналы управления памятью. На основе сигналов SYNC, Ф\ и Фа микросхемы 4001 и 4002 формируют тактовые сигналы внутренней синхронизации. Одноцикловая операция выполняется по тактам следующим образом. В течение 3-х тактов Л^аЛз ЦП выдает по шине данных адрес в ПЗУ в виде 3-х полубайтов. По этому адресу выбирается микросхема и в ней — одно слово из 8 бит. В течение тактов М\, М-г. по 4-битовой шине данных в ЦП на регистр команд выдается 8- битовая команда. В тактах Х\, Ху, Хз производится выполнение команды, причем один операнд берется из аккумулятора, второй — из ОЗУ, результат остается в аккумуляторе. Во время этих же тактов производится увеличение на 1 содержимого счетчика команд, чем подготавливается выборка команды для следующего цикла. Если выполняется команда ввода-вывода, то в течение такта Х-2 происходит обмен данными между аккумулятором ЦП и внешним устройством ВУ по 4-м линиям ввода-вывода ПЗУ. Рассмотрим более подробно структуру ЦП 4004. Она изображена на рис. 8.1. В сумматор АЛУ со сквозным переносом поступают операнды из временного регистра (в прямом или обратном кодах) и из аккумулятора (с учетом триггера флажков, в прямом или обратном кодах). Результат из сумматора через внутреннюю шину выдается в аккумулятор и флажок переноса. Аккумулятор снабжен цепями сдвига влево и вправо, триггеры флажков реагируют на нулевой результат суммы, на нулевое состояние аккумулятора, на наличие сигнала переноса, на увеличение содержимого индексного регистра, на пропуск по нулю и выполнение команды условного перехода. Регистр команд (8 бит) загружается через мультиплексор с внутренней шины и хранит команду, извлеченную из ПЗУ. Команда раскоди-руется в дешифраторе и обеспечивает управление различными функциональными блоками. Система команд ЦП 4004 состоит из 45 команд, распределенных между тремя группами: — 16 машинных команд (5 из них двойной длины); — 14 аккумуляторных команд; — 15 команд ввода-вывода и адресации портов. Среди арифметических машинных и аккумуляторных команд есть только команды сложения и вычитания. Умножение, деление, извлечение квадратного корня выполняются программно. Это еще больше понижает и так невысокое быстродействие микропроцессора. Полный машинный цикл ЦП 4004 составляет 10,8 мкс. Команды выполняются за 1 или 2 цикла. Среднее быстродействие системы составляет 50 000 коротких операций в секунду для 4-разрядных операндов. На МПК 4004/4004, как следует из описания междумодульных интерфейсов, можно легко создать микро-ЭВМ. Из 4-разрядной микро-ЭВМ можно сделать 16-разрядную микро-ЭВМ, производя последовательно операции над 4-разрядными числами и передавая сигналы переноса из младшей группы в старшую, но быстродействие ее будет на порядок меньше, чем 4- разрядной. Микро-ЭВМ 1-го поколения имели ряд достоинств: — высокая степень интеграции, при этом большое количество соединений выполняется внутри кристалла, следовательно, меньше наружного монтажа, обеспечивается повышенная надежность; — малые геометрические размеры и масса, что позволяет встраивать микро- ЭВМ для управления такими объектами, как фотоаппарат, рентгеновский аппарат (компьютерная томография), контроллеры промышленных САУ и т. п.; — повышенная надежность выполнения основных программ с размещением их в ПЗУ; — дешевизна (примерно на 2 порядка дешевле мини-ЭВМ с такими же параметрами). Наряду с этим имелись и недостатки, связанные с ограниченными архитектурными возможностями: — относительно низкое быстродействие как из-за использования элементной базы р-МОП технологии, так и из-за программного выполнения сложных команд; — трудности программирования и «зашивки» программ в ПЗУ; — невозможность использования накопленного на мини-ЭВМ прикладного программного обеспечения; — малый объем ОЗУ. Поэтому в течение долгого времени микро-ЭВМ не оказывали серьезной конкуренции мини-ЭВМ в традиционных областях применения мини-ЭВМ, но завоевывали себе новые позиции в системах автоматического регулирования, управления и в бортовых системах. Существенное продвижение в микроэлектронике было связано с развитием систем автоматического проектирования и автоматизированного изготовления радиоэлектронной аппаратуры (САПР РЭ). Благодаря средствам САПР стало возможным практически безошибочно и в значительно более короткие сроки проектировать БИС и сверхбольшие ИС (СБИС) с плотностями размещения элементов на кристалле в несколько десятков и даже сотен тысяч. Претерпела изменения и развилась технология изготовления СБИС такой плотности. Кроме применявшейся для создания первых МП р-МОП технологии получили развитие другие технологии, обеспечивающие значительно большее быстродействие. Трудности, с которыми пришлось столкнуться при создании микро-ЭВМ для решения задач, решавшихся на мини-ЭВМ, постепенно преодолеваются, и микроЭВМ вторгаются в те области, где ранее господствовали мини-ЭВМ. На следующем этапе развития микро-ЭВМ в них стала закладываться классическая архитектура, хорошо отработанная на мини-ЭВМ. Разрядность микроЭВМ повысилась и стала равна 16с достаточно полным набором команд, обеспечивающим не только эффективное быстрое выполнение разнообразных функций, ранее выполнявшихся мини-ЭВМ, но и эффективную трансляцию с языков высокого уровня на внутренний язык процессора микро-ЭВМ. 8.1.3. Отечественные 8- и 16-разрядные микропроцессорные наборы. В нашей стране выпускаются МПК достаточно широкого профиля. Вопросы архитектурного построения микро-ЭВМ из МПК могут решаться двумя способами: или за счет все большей интеграции внутри кристалла, или интеграцией кристаллов на базе многошинной архитектуры. Даже сам микропроцессор может быть реализован на одном, двух или более кристаллах. Интеграция микропроцессора может быть или поразрядная (секционная), или функциональная. Например, функции операций с плавающей запятой выделяются в специальный сопроцессор. Подобно тому как в обычных ЭВМ наиболее удачные архитектурные решения образуют программно совместимые семейства и ряды, так и в микропроцессорной технике вокруг наиболее удачных микропроцессоров происходит наращивание МП модулей, и на базе этих МПК строятся различные микро-ЭВМ и персональные ЭВМ. На рис. 8.4 показана типовая схема применения 8-разрядного МПК серии К580. Секционный микропроцессор в своей конструкции предполагает возможность наращивания разрядности ЦП из процессорных модулей. Так, в МПК К587 АЛУ выполнено 4-разрядным с возможностью наращивания путем простого объединения одинаковых секций без дополнительного оборудования. Другим примером микропроцессорного комплекта с возможностью объединения процессорных модулей с наращиванием по 2 разряда является серия 589. Эта [pic] Рис. 8.4 серия выполнена на базе транзистор-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ). В состав МПК входят 9 интегральных модулей: центральный процессорный элемент, микропрограммное ЗУ на 1024 бита, схема ускоренного переноса, блок микропрограммного управления, многорежимный буферный регистр, блок приоритетного прерывания, многофункциональное синхронизирующее устройство, шинный формирователь и шинный формирователь с инверсией. Для всех модулей используется один номинал питания 5 В. По уровню сигналов модули совместимы со всеми серийными интегральными схемами логики ТТЛ (серии К.155, К555 и др.). Времена задержки сигнала в модулях от 0,15 мкс (процессор) до 0,02 мкс (перенос и формирователи). Быстродействие модулей МПК К589, хорошая совместимость с другими электронными устройствами, выполненными на схемах ТТЛ, возможность выбора оптимальной разрядности ЦП от 2 до 16 бит делают комплект К589 очень удобным для создания широкого спектра электронных управляющих быстродействующих систем, контроллеров и микро-ЭВМ. Наращиваемый секционный 4-разрядный микропроцессор является основой МПК серии К584. Комплект изготовлен на основе технологии интегральной инжек- ционной логики И^Л. К преимуществам БИС этой технологии относятся также допустимые условия эксплуатации: — широкий диапазон температур эксплуатации (от —10° до +20 °С) при многократном изменении температуры в указанном диапазоне; — работа при высокой влажности воздуха окружающей среды (до 99 % при +35 °С); — линейные нагрузки до 150 g и вибрационные нагрузки с ускорением до 20 g в диапазоне частот 1 — 3000 Гц. БИС ИМС работают от одного низковольтного источника питания при малой потребляемой мощности. БИС серии К584 совместимы по входным-выходным характеристикам сигналов с ИС ТТЛ серий К133, К155, К555 и др. Помимо центрального процессорного элемента в серию входит блок микропрограммного управления и блок контроллера состояний. Центральный процессорный элемент может выполнять 8 логических и 8 арифметических операций. МПК используется как для построения простых контроллеров и систем управления, так [pic] Рис. 8.5 и для создания сложных ЭВМ. В сочетании с блоком микропрограммного управления, контроллера состояний, а также и с БИС других МПК (ОЗУ, блок ускоренного переноса и др.) может быть образована 16-разрядная ЭВМ с общим числом разновидностей машинных операций до 512. На рис. 8.5 представлена структура такой ЭВМ. МПК К581, состоящий из пяти БИС, предназначен для построения 16- разрядного процессора популярной микро-ЭВМ «Электроника-60». Эта ЭВМ архитектурно [pic] Рис. 8.6 близка семейству мини-ЭВМ СМ-4 и вместе с ним образует комплексы. На рис. 8.6 представлена схема микропроцессора МПК К581. 8.2. Персональные ЭВМ 8.2.1. Структура ПЭВМ. На рис. 8.7 приведен общий вид ПЭВМ в типовой для ПЭВМ 2-го поколения компоновке. В основании ПЭВМ размещаются платы с микропроцессором, ОЗУ, ПЗУ и блоками управления и питания. Клавиатура или выполняется в виде отдельного блока, или монтируется перед центральным блоком. Наверху находится монитор с монохромной или цветной трубкой. В глазной панели расположены также ВЗУ на гибких магнитных дисках (ГМД) и винчестерский МД. Графопостроитель или мозаичная печать и устройства управления курсором на мониторе («мышь», световое перо, рукоятка управления курсором — джостик) выносятся за пределы главного блока. Для расширения ресурсов ПЭВМ отводятся места для дополнительных плат памяти, интерфейсов, сопроцессоров. Но основные параметры ПЭВМ определяет главный микропроцессор. На дешевых ПЭВМ стоят 8-разрядные микропроцессоры. Обычно для получения