Применение процессора КР580ВМ80А

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В истории развития микропроцессорной техники выделяют восемь поколений микропроцессоров.

Процессоры первого и второго поколения. Первым МП, на основе которого стали создавать персональные компьютеры, был МП 8080. Он был 8-разрядным, имел тактовую частоту 2 МГц и содержал 6 тыс. транзисторов.

Затем фирмой Intel был разработан МП 80186, не получивший распространения, а в 1982 г. -- МП 80286, ставший основой компьютера PC AT, появившегося на рынке в 1984 г. Если МП 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, то МП 80286 уже 134 тыс. Этот МП имел ту же разрядность, но более высокие тактовую частоту и объем адресуемой памяти (до 16 Мбайт).

Процессоры третьего поколения. В 1985 г. был представлен 32-разрядный МП 80386, который с учетом более совершенных модификаций базового МП выпускался до 1992 г. Этот МП содержал 275 тыс. транзисторов. Процессор работал с более высокой тактовой частотой. Удвоение разрядности адресов обеспечивало адресацию физической памяти до 4 Гбайт, а виртуальной -- до 64 Гбайт. У МП 80386 впервые была обеспечена работа с внешней КЭШ-памятью, выполненной на основе быстродействующих статических ЗУ.

Процессоры четвертого поколения. МП 80486, появившийся в 1989 г., содержал уже 1,2 млн. транзисторов и в течение долгого времени являлся стандартом для высококлассных компьютеров. МП 8086 имел встроенный в микросхему математический сопроцессор, обеспечивавший эффективные вычисления с вещественными числами. в МП была реализована конвейеризация вычислений, при которой каждая последующая команда начинала выполняться сразу же после прохождения первой ступени конвейера предыдущей командой.

Процессоры пятого поколения. Первый МП этого поколения был выпущен в 1993 г. МП имеет 3,1 млн. транзисторов.

Был разработан ряд модификаций МП Pentium, у которых внутренняя тактовая частота в 1,5, 2, 2,5 и 3 раза больше, чем тактовая частота работы материнской платы.

По сравнению с первыми МП пятого поколения он отличается следующими изменениями архитектуры:

вдвое большим размером внутренней КЭШ-памяти команд и данных ( по 16 кбайт);

увеличенной на один шаг длиной конвейера (6 ступеней);

новым блоком формирования адресов переходов;

Процессоры шестого поколения. В 1995 г. фирмой Intel был разработан МП 80686, получивший название Pentium PRO. В этом МП, содержащем 5,5 млн. транзисторов, наряду со старыми были применены новые приемы повышения производительности.

Новый МП имеет не четырнадцать ступеней конвейера, число же самих конвейеров возрастает с двух до трех, применены новые приемы заблаговременного определения адресов переходов. МП обладает двухуровневой КЭШ-памятью.

Процессоры седьмого поколения. Этот МП работает с тактовой частотой 500 МГц и содержит 22 млн. транзисторов.

Главные отличия МП этого семейства заключаются в следующем:

новая системная шина работает с тактовой частотой до 400 МГц;

расширен объем КЭШ-памяти первого и второго уровней. Объем КЭШа команд и данных первого уровня составляет по 64 кбайт, а второго уровня варьируется от 512 кбайт до 8 Мбайт;

процессор содержит по три конвейерных блока для выполнения операций с целыми числами и операций с вещественными числами. Число конвейеров, таким образом, возросло вдвое;

расширен набор инструкций для работы с целыми числами и КЭШ-памятью.

Процессоры восьмого поколения. Длина конвейера по сравнению с К-7 была увеличена с 10 ступеней до 12. Удвоено число регистров общего назначения, ставших 64-битными.

1. ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

1.1 Назначение процессоров и микропроцессов

Процессор -- это главная часть цифровой ЭВМ, осуществляющая сложную переработку информации. В него входит также устройство управления ЭВМ. Процессор не только обрабатывает информацию и управляет данным процессом, но и обеспечивает при этом взаимодействие с устройствами памяти ввода и вывода.

В ЭВМ первых поколений, построенных на дискретных (т.е. отдельных) элементах (электронных лампах, полупроводниковых триодах), процессор представлял собой большое устройство, состоявшее из нескольких электронных плат с размещенными на них навесными компонентами радиоэлектроники. Кроме ламп и транзисторов на этих платах находились диоды, резисторы, конденсаторы. Все соединения между отдельными компонентами осуществлялись с помощью пайки и проводов, а позднее -- печатным монтажом.

В 1970-х годах появилась СБИС, которая в значительной степени была способна выполнять функции процессора. Такая интегральная схема получила название микропроцессор (МП).

Если к микропроцессору добавляется память (запоминающее устройство) и устройство ввода -- вывода, то такая система может выполнять функции ЭВМ. Созданные на основе микропроцессора вычислительные машины стали называться микроЭВМ. Именно благодаря появлению микропроцессоров удалось сделать доступные для многих ЭВМ, получившие название «персональный компьютер».

Микропроцессор -- это выполненное по интегральной технологии цифровое устройство, обрабатывающее информацию, в соответствии с программой и управляющее вводом и выводом информации. Наибольшее распространение получили микропроцессоры, выполненные на одном кристалле, или однокристальные МП.

1.2 Архитектура и структура микропроцессора

Архитектура микропроцессора -- это совокупность сведений о составе его компонентов, организации обработки в нем информации и обмена информацией с внешними устройствами ЭВМ, а также о функциональных возможностях микропроцессора, выполняющего команды программы.

Структура микропроцессора -- это сведения только о составе его компонентов, соединениях между ними, обеспечивающих их взаимодействие. Таким образом, архитектура является более общим понятием, включающим в себя кроме структуры еще и представление о функциональном взаимодействии компонентов этой структуры между собой и с внешней средой.

Команды, при выполнении которых имеют место операции со стеком, называются командами обращения к подпрограммам. Их использование позволяет переходить к широко используемым (так называемым стандартным) программам из различных частей основной программы.

Сигналы, вызывающие операции со стеком, называются сигналами прерываний. В процессе обращения к подпрограмме или обработки прерываний в счетчик команд СК заносится новый адрес команды. Затем выполняется программа, начинающаяся с этого адреса и заканчивающаяся так называемой командой возврата из подпрограммы, посредством которой хранившееся в стеке значение программного счетчика извлекается («выталкивается») из стека. После этого возобновляется выполнение программы в прерванной последовательности. При каждом занесении в стек содержимое указателя стека УС автоматически увеличивается на единицу (инкрементируется), а при каждом извлечении из стека -- уменьшается на единицу (декрементируется).

В основе архитектуры любого процессора можно выделить несколько характерных частей: кэш команд и данных, предпроцессор и постпроцессор, называемый также блоком исполнения команд.

В вычислительной технике слово «кэш» обозначает сверхоперативное запоминающее устройство, обращение к которому происходит очень быстро. Объем кэш-памяти ограничен, поэтому иногда различают кэш 1-го уровня и кэш 2-го уровня.

На рисунке 1 показана более подробная структурная схема МП. В регистр команд РК записывается код команды, который преобразуется в управляющие сигналы дешифратором команд ДшК. Исходные данные и промежуточные результаты записываются в регистры общего назначения РОН, один из которых более тесно взаимодействует с АЛУ.

Рисунок 1 - Детальная структурная схема микропроцессора

1.3 Характеристики и классификация процессоров и микропроцессоров

К важнейшим характеристикам процессора, определяющим его вычислительные свойства, относятся:

-разрядность;

-емкость адресуемой памяти;

-длина конвейера;

-назначение (универсальный или специализированный);

-число внутренних регистров;

-способ управления;

-число уровней прерывания;

-тип стековой памяти;

-состав резидентного и программного обеспечения.

По назначению МП подразделяют на универсальные и специализированные.

К универсальным относят МП, имеющие широкое применение в различных областях при выполнении самых разных задач. В персональных компьютерах используются именно универсальные МП.

Наличие дополнительного специализированного МП позволило уменьшить время выполнения некоторых операций (например, извлечение корня или вычисление тригонометрических функций) в десятки и сотни раз. Однако для большого числа пользователей, которым подобные вычисления не требуются, вполне достаточно только основного МП.

По разрядности МП подразделяют на МП с фиксированной и изменяемой разрядностью слова (модульные). Постоянное совершенствование микроэлектронных технологий позволяет непрерывно увеличивать разрядность МП. Для многокристальных секционированных МП характерно то, что операционная часть, содержащая АЛУ и регистры, разделена (секционирована) на равные части, представляющие собой 2-, 4- или 8-разрядные слои со своими адресными и информационными шинами.

Управление выполнением операций осуществляется от отдельного кристалла микропрограммного управления, причем микропрограммное слово поступает на все секции. В зависимости от требуемой разрядности может быть выбрано число секций, обеспечивающее 16, 32 и более разрядов.

Современные МП имеют кэш-память (или кэш) 1-го и 2-го уровней.

Кэш 1-го уровня - это память с минимальным временем обращения. Его объем невелик (например, 16 Кбайт), тогда как объем кэш 2-го уровня достигает нескольких мегабайт.

Быстродействие МП характеризуется тактовой частотой.

Производительность МП является его интегральной характеристикой, которая зависит от тактовой частоты работы процессора, его разрядности, а также от особенностей архитектуры.

2. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

2.1 Назначение устройства управления

Процессор является главной частью цифровой ЭВМ не только потому, что именно в нем выполняется сам процесс обработки информации, но и потому, что он управляет в ходе этого процесса работой других частей машины -- в первую очередь, устройствами ввода и вывода и запоминающими устройствами. Процессор является конечным автоматом и в общем случае его можно представить в виде некоторого цифрового устройства, состоящего из двух частей: операционной и управляющей (рисунок 2). В операционной части совершаются элементарные действия по обработке информации: запись слов в регистры; передача слов из регистра в регистр; сдвиг содержимого регистров влево или вправо; определение состояния регистров; инвертирование содержимого регистров; логические операции при поразрядном сравнении содержимого регистров и т.д. Все эти операции производятся под воздействием сигналов управляющей части процессора и синхронизируются тактовыми сигналами.

Рисунок 2 - Схема взаимодействия операционной и управляющей частей процессора

2.2 Аппаратное управление

Аппаратное управление осуществляется последовательно-цифровым устройством (ПЦУ), построенным на принципах схемной логики. В соответствии с управляющими сигналами ПЦУ выполняются микропрограммы, поэтому его можно назвать микропрограммным автоматом. Для каждой операции в ПЦУ имеется свой набор логических схем, вырабатывающих определенные управляющие сигналы для выполнения микроопераций в заданные моменты времени. При указанном построении управляющего ПЦУ микрооперации осуществляются за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому такие устройства называются процессорами с жесткой логикой управления.

В состав управляющего устройства входят следующие основные узлы:

регистр команд;

счетчик команд;

дешифратор операций;

адресный сумматор;

индексные регистры;

шины адресов, команд и данных.

Регистр команд обеспечивает хранение кода команды. Часть разрядов регистра команд (регистр кода операции) предназначена для хранения кода выполняемой операции, остальные разряды (для хранения кодов адресов операндов) связаны с регистром адреса запоминающего устройства. Они могут быть связаны также со счетчиком команд и другими устройствами ЦВМ в зависимости от ее структуры.

Счетчик команд обеспечивает хранение кодов адресов команд, поступающих из ОЗУ на регистр команд, и осуществляет управление переходом к выполнению следующей команды в соответствии с программой вычислений.

В МП может быть один или несколько регистров результата РгР (накапливающих регистров или аккумуляторов). Блок универсальных регистров общего назначения БРгОН, или регистрово-сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), расширяет возможности МП по хранению данных и управляющей информации. Счетчик команд СчК, регистр команд РгК, блок индексных регистров БРгИ позволяют организовать программное управление, переходы в программе и индексирование команд. При этом сама индексация может происходить в АЛБ. С помощью схемы инкремента--декремента (схемы увеличения или уменьшения содержимого индексного регистра на единицу) содержимое индексных регистров может изменяться на «проходе», т.е. при пересылке значения индекса из индексного регистра в АЛБ и обратно. Это экономит время работы АЛБ при индексации команд.

Для работы с подпрограммами может быть организован стек С. Если он расположен в ОЗУ, то достаточно иметь только регистр -- указатель стека. В качестве счетчика команд СчК и индексных регистров могут быть использованы универсальные регистры блока БРгОН, что позволяет программным способом гибко использовать регистровые ресурсы процессора и уменьшать общее число элементов и связей в кристалле МП за счет исключения таких специализированных ресурсов МП, как регистр--указатель стека, БРгИ, СчК и др.

2.3 Программное управление

При программном управлении некоторые функции управляющей части процессора реализуются аппаратным путем. В частности, в большинстве ЭВМ используется естественный порядок следования команд, при котором применяется счетчик команд. В начале работы по данной программе в счетчик засылается адрес первой команды этой программы, а при исполнении каждой очередной команды содержимое счетчика возрастает на единицу. Исполнение команд условного или безусловного перехода вызывает замену содержимого счетчика. В него засылается первый адрес новой программной последовательности.

Микрокоманда (МК) содержит три поля: адреса,

условных переходов, управляющих сигналов. По содержимому поля адреса определяется адрес следующей МК. В поле условных переходов указывается наличие безусловного или условного перехода, а в случае условного перехода отмечаются условия определения адреса очередной МК.

Поле управляющих сигналов МК служит для организации функционирования ОЧ.

По способу кодирования различают команды с фиксированным и расширяющимся полем кода операций.

Автоинкрементная адресация основана на вычислении исполнительного адреса так же, как и при косвенной регистровой адресации, с последующим увеличением содержимого регистра на некоторую константу.

При автодекрементной адресации сначала из содержимого регистра вычитается константа, затем полученный результат используется в качестве исполнительного адреса. Совместное применение автоинкрементной и автодекрементной адресаций обеспечивает использование любого регистра в качестве стека. Ко второй группе относятся такие способы адресации, в которых используется содержимое адресной части команды и нескольких регистров для формирования исполнительного адреса. Таковыми являются страничная, индексная и относительная адресации.

При страничной адресации память разбивается на ряд страниц одинаковой длины. Адресация страниц осуществляется с помощью регистра страниц, а адресация ячеек памяти внутри страниц -- с помощью адреса в команде. Номера всех страниц могут находиться в таблице страниц, которая представляет собой нулевую страницу.

Индексная адресация используется при обращении к массивам слов и таблиц. Для образования исполнительного адреса к адресной части команды прибавляется смещение (индекс) из регистра, называемого индексным. Содержимое индексного регистра можно изменять; это позволяет изменять исполнительный адрес без модификации адресной части команды.

При относительной адресации исполнительный адрес образуется сложением базового адреса с адресом команды. В качестве базового адреса используется содержимое программного счетчика. Такая адресация позволяет создавать свободно перемещаемые к памяти программы

2.4 Алгоритм управления

Алгоритмы играют важную роль в вычислительной технике. По существу ЭВМ не решает какие бы то ни было задачи, она только выполняет алгоритм, предложенный ей в виде программы. Первоначальное понятие алгоритма возникло в математике при поисках общих принципов решения одинаковых по типу математических задач. Понятие алгоритма можно сформулировать следующим образом. Алгоритм -- это точное предписание, представляющее собой набор указаний (шагов) о выполнении в определенном порядке некоторой системы операций, позволяющее решать совокупность задач определенного класса.

Любому алгоритму присущи три основных свойства: определенность, результативность и массовость. Под определенностью подразумевается однозначность указаний алгоритма. Многократное применение этих указаний для однотипных исходных данных приводит к идентичным по своему характеру результатам.

Результативность означает, что при использовании алгоритма в условиях, для которых он разработан, искомый результат возникает после конечного числа сравнительно несложных шагов.

Свойство массовости заключается в том, что значимость алгоритма тем выше, чем шире возможность его применения для решения любой задачи, относящейся к задачам определенного класса.

Запись алгоритма на языке машины представляет собой программу решения задачи. Для относительно сложных задач переходить сразу от алгоритма к программе на языке машины затруднительно. При таком непосредственном переходе теряется связь между отдельными частями программы, становятся трудно различимыми принципиальные и несущественные детали программы. В этих условиях легко возникают ошибки, отыскание и ликвидация которых весьма сложны и требуют значительного времени.

На первых этапах разработки программы целесообразно применять схемы этих программ. Схема программы -- это укрупненное описание программы, части которой изображаются в виде отдельных блоков, представляющих собой соответствующие геометрические фигуры. В состав этих фигур входят прямоугольники, ромбы, овалы, круги и т. п.

Условные графические обозначения (символы) в схемах алгоритмов и программ отображают основные операции обработки данных и программирования для вычислительных машин. Внутри каждого блока программист описывает содержание той части программы, которой соответствует этот блок. Связи между блоками показывают линиями, означающими передачу управления. Условия этой передачи отображаются соответствующими записями.

Схема программы представляет собой вспомогательный материал, используемый программистом на промежуточном этапе разработки программы. Программист сам определяет, какие этапы вычислительного процесса включать в тот или иной блок, какие этапы вычисления описывать в блоках детально, а какие в укрупненном масштабе. Для задач, значительных по своим объемам и сложности, целесообразно сначала разработать укрупненную схему всего вычислительного процесса, а затем для ее отдельных блоков выполнить детальные схемы.

2.5 Процедура выполнения команд

Принципиальным достоинством микропроцессора (МП) является его программируемость. Это означает, что, подавая на вход МП команды, можно обеспечить нужную последовательность операций, т.е. реализацию определенного алгоритма. Алгоритм решаемой задачи может быть сколь угодно сложным, необходимо лишь, чтобы он был разбит на шаги в соответствии с системой команд МП. Наличие или отсутствие какой-либо команды или группы команд может существенно повлиять на выбор МП для конкретного применения.

Более подробная схема на рисунке 3 позволяет понять, как именно выполняются команды.

Прежде всего рассмотрим содержимое регистров программной памяти с адресами от 100 до 105. В эти регистры предварительно были загружены три команды:

ВВОД -- ввести данные, поступающие из порта 1;

ЗАПОМНИТЬ данные, поступающие из порта 1, т.е. записать их в ячейке памяти данных с адресом 200;

ВЫВОД -- вывести данные через порт вывода 10.

Программа, содержащая три указанные команды, размещается в шести ячейках. Это обусловлено тем, что каждая из этих трех простых команд поделена на две части. Например, первая часть первой команды говорит, что надо выполнить операцию ВВОД (ввести данные), а вторая часть указывает, откуда подлежащие вводу данные поступают (из порта 1). Первая часть -- это и есть код операции, а вторая часть -- операнд. Код операции ВВОД содержится в ячейке памяти с адресом 100, код операции ЗАПОМНИТЬ -- в ячейке 102, код операции ВЫВОД -- в ячейке 104.

В МП на рисунке 3 показаны только аккумулятор и регистр команд. Поскольку никаких арифметических действий эта простая программа не предусматривает, то и нет нужды показывать сумматор. Напомним, что именно МП является центром всех преобразований данных и операций.

Рисунок 3 - Процедура выполнения команд

2.6 Система прерывания

Ранее рассматривалась процедура выполнения команд, при которой происходил обмен данными между устройствами ввода--вывода, микропроцессором и памятью. В процессе выполнения основной программы (вычислительной или обрабатывающей информацию) МП приходится время от времени отображать ход ее выполнения на мониторе или получать новые указания с клавиатуры. Следовательно, обмен данными между УВВ и МП происходит весьма часто. Для обеспечения такого обмена в ходе выполнения основной программы служит система прерываний.

Система прерываний позволяет УВВ обменивается данными с МП. Для этого МП должен иметь вход, периодически опрашиваемый управляющей частью МП (обычно после выполнения каждой команды). Сигнал прерывания на этом входе заставляет МП отложить выполнение основной программы и перейти в режим обслуживания прерывания. Организация системы прерываний требует решения следующих задач:

идентификация (т.е. определение, опознание) устройства, от которого поступил запрос на прерывание;

сохранение в памяти состояния активных регистров МП, тик как оно может потребоваться после возобновления выполнение основной программы;

восстановление состояния этих регистров после окончания обслуживания прерывания.

Если в МП поступает несколько сигналов прерывания от paзличных УВВ, то необходимо провести анализ возникшей ситуации и определить, в какой последовательности должны быть вы полнены поступившие запросы на прерывание.

Различают два способа реализации перечисленных функций: программный и аппаратный.

Программная реализация системы прерываний отличается простотой и характеризуется минимальным числом сигналов для идентификации источника прерывания. Как правило, все запросы на прерывание поступают по общей шине и устанавливают в состояние 1 триггер прерывания. Единичное состояние этого триггера запрещает другие прерывания и приводит к выполнению одного или нескольких шагов, в течение которых содержимое программного счетчика (ПС), а в некоторых МП -- и других регистров, засылается для сохранения в определенные ячейки памяти; ПС после этого устанавливается в состояние, соответствующее адресу первой команды программы обслуживания прерываний.

При выполнении программы обслуживания прерываний прежде всего должно быть записано в память содержимое программно-доступных регистров, если такое сохранение данных не реализовано аппаратным способом. Затем эта программа должна определить, какое именно УВВ вызвало прерывание, и передать управление программе обработки запроса от этого устройства. После выполнения данной программы должно быть восстановлено содержимое регистров и ПС, сброшен в 0 триггер прерывания и разрешено поступление новых запросов на прерывание.

2.7 Понятие о состоянии процессора

Сигналы состояния процессора содержат информацию о внутреннем функционировании МП и иногда могут использоваться в качестве сигналов управления устройствами микропроцессорной системы. Они вместе с сигналами контрольной аппаратуры позволяют оператору ЭВМ получить более полное представление о работе системы. Сигналы этой группы, которые в пределах конкретной системы не используются, могут быть в определенных ситуациях некорректными, не приводя к неправильному функционированию системы в целом. Например, выходная цепь схемы выработки какого-то сигнала может выйти из строя и соответствующий сигнал состояния будет иметь при этом постоянный низкий уровень, но МП по-прежнему будет выполнять свои функции.

В конкретном МП обычно используется несколько сигналов состояния, информирующих о различных ситуациях, возникающих в процессе его работы. Каждый сигнал является индикатором соответствующей ситуации, т.е. он несет информацию о том, возникла данная ситуация или нет. Следовательно, каждый индикатор содержит только один бит информации. Несколько индикаторов образуют регистр состояния, который можно также назвать регистром индикаторов. Например, элементарный МП содержит в своем регистре состояния только индикаторы нуля и переноса, но в современных МП обычно используется большее число индикаторов.

На рисунке 4 показан в качестве примера регистр состояния (или индикаторов), имеющий восемь одноразрядных индикаторов D0 - D7, в пяти из которых содержится информация, относящаяся к состоянию МП. Эта информация используется условными ветвлениями программы, вызовами подпрограмм и возвратами подпрограмм.

Индикатор переноса C (разряд устанавливается в 1 или сбрасывается в 0 в результате выполнения арифметических операций). Его состояние проверяется командами программы. Переполнение 8 бит при сложении устанавливает С в 1. При выполнении вычитания наличие 1 в индикаторе С указывает, что вычитаемое больше уменьшаемого.

Индикатор нуля Z (разряд D6) устанавливается в 1, когда результатом некоторых операций является 0; в противном случае он сбрасывается в 0.

Индикатор знака S (разряд D7) устанавливается в 1 или сбрасывается в 0 в зависимости от состояния знакового бита после выполнения арифметических или логических команд. Эти команды используют самый старший бит данных для представления знака числа, содержащегося в аккумуляторе. Нахождение индикатора в состоянии 1 соответствует отрицательной величине, в состоянии 0 -- положительной.

Рисунок 4 - Регистр состояния МП Intel 8805

Индикатор паритета, или четности, Р (разряд D2) проверяет число единиц в аккумуляторе. Если это число четное (четный паритет), то он устанавливается в 1; если нечетное (нечетный паритет) -- сбрасывается в 0. Например, если выполнение команды СЛОЖИТЬ дает в аккумуляторе результат 00110011, то в индикаторе Р будет установлена 1, так как число единиц (4) четное. Если в аккумуляторе результат 10101110, то индикатор Р сбрасывается в 0, потому что число единиц (5) нечетное.

Все рассмотренные одноразрядные индикаторы в совокупности называют флаговым регистром. По мере совершенствования МП во флаговый регистр добавляются и другие разряды, информирующие о состоянии МП и особенностях кодовой информации, записанной в регистры общего назначения, прежде всего в регистр-аккумулятор.

Среди многочисленных выводов МП (а их у современных МП может быть несколько сотен) имеются такие, которые информируют подключаемые устройства: о получении запроса на прерывание, выполнении в данный момент времени записи или считывания из памяти, записи (считывания) из УВВ и других состояниях МП.

3. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МИКРО-ЭВМ НА ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МП БИС

3.1 Микропроцессорный комплект серии К580

В МПК серии К580 процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированные разрядность и систему команд, «зашитую» в БИС МП. Микро-ЭВМ, построенная на МПК с фиксированной разрядностью и ограниченным количеством магистралей, имеет типичную для данного типа МПК структуру. Изучение особенностей построения микро-ЭВМ на МПК серии К580 позволит легко освоиться с работой других аналогичных МПК.

Микропроцессорный комплект серии К580 включает в себя микросхемы:

1. Микропроцессорная БИС.

2. Программируемое устройство ввода -- вывода параллельной информации различного формата КР580ВВ55.

3. Программируемый блок приоритетного прерывания КР580ВН59.

4. Программируемое устройство прямого доступа к памяти КР580ВТ57.

5. Интегральный таймер КР580ВИ53.

6. Универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемопередатчик КР580ВВ51.

7. Программируемый контроллер электроннолучевой трубки КР580ВГ75.

8. Программируемый контроллер клавиатуры КР580ВВ79.

9. Системный контроллер КР580ВН28.

Схемы выполнены по «К-МОП-технологии, входные и выходные сигналы соответствуют уровням работы ТТЛ-схем. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП БИС КР580ИК80.

Ограничения по количеству магистралей в МПК такого типа приводят к необходимости организации последовательной обработки информации, что обусловливает относительно медленное выполнение команд. При тактовой частоте генератора 2 МГц время выполнения команд колеблется от 2 до 8 икс.

3.2 Центральное процессорное устройство КР580ВМ80A

Микросхема (рисунок 5,6) представляет собой центральное процессорное устройство разрядностью 8 бит и предназначена для обработки информации в микропроцессорных системах, персональных компьютерах и других средствах вычислительной техники. Структурная схема состоит из функциональных узлов:

схемы обработки запросов прерывания;

схемы внутренней синхронизации;

схемы управления доступом к каналу;

буфера канала данных;

микропрограммного устройства управления;

блока регистров; 8-разрядного АЛУ;

буфера канала адреса;

схемы выбора режима; схемы управления буферами данных;

схемы управления расширением памяти.

Микросхема работает в двух режимах:

режим 0 -- обычный режим эмуляции (вывод СО подключен к выводу "общий") применяется при работе в однопроцессорных системах, реализует адресацию памяти до 64 Кбайт и до 256 устройств ввода/вывода, а также обмен данными через 8-разрядный канал данных;

режим 1-- расширенный режим непосредственного формирования сигналов управления обменом (вывод СО подключен к выводу +5 В) применяется в мультипроцессорных системах сложной конфигурации, реализует адресацию памяти до 128 Кбайт

Содержит 6000 интегральных элементов.

Рекомендации по применению

ИС по входам и выходам совместима со схемами ТТЛ и микросхемами серий КР580. При монтаже и эксплуатации необходимо принимать меры защиты от статического электричества. Допустимое значение статического потенциала 200 В. Замену ИС при ремонте аппаратуры, упаковку и извлечение из контактных приспособлений необходимо производить при отсутствии напряжения на выводах. К двунаправленным выводам ИС рекомендуется подключать специальные двунаправленные трех стабильные шинные формирователи типа КР1810ВА86, КР1810ВА87. Неиспользуемые входные выводы с активным напряжением высокого уровня необходимо подключать к шине 0 В, а с активным напряжением низкого уровня -- к шине 5 В через резистор 100 кОм. Неиспользуемые выходные и трех стабильные выводы должны закрепляться на плате без подачи на них каких - либо электрических сигналов. В непосредственной близости (не более 50 мм) от ИС по цепи питания рекомендуется устанавливать фильтрующие конденсаторы емкостью 0,022...0,15 мкФ. При работе ИС в режиме "0" выводы 15 и 28 должны оставаться свободными. Пайка ИС одножальным паяльником производится по следующему режиму: температура жала паяльника не более 280°С; время пайки каждого вывода не более 2,5 с; интервал между пайками соседних выводов не менее 3 с; интервал между пайками одних и тех же выводов не менее 20 с.

КР580ВМ80А(рисунок 5,6) - микросхема представляют собой параллельное центральное 8-разрядное процессорное устройство с фиксированной системой команд. ИС имеют раздельные 16-разрядный канал адреса и 8-разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. 8 - разрядное АЛУ микропроцессора обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичными данными, представленными в дополнительном коде, а также обработку двоично-десятичных упакованных чисел. Содержат 4750 интегральных элементов. Корпус типа 2123.40-2, масса не более 6 г.

Рисунок 5 - Условное графическое обозначение КР580ВМ80А



Рисунок 6 - Структурная схема КР580ВМ80А

Назначение выводов:

1 -- выход "адресные шины микросхемы";

2 -- общий;

3...10-- шины данных микросхемы (двунаправленные трех стабильные);

11 -- напряжение смещения подложки;

12 -- вход "установка";

13 -- вход "запрос шин";

14 -- вход "запрос прерывания";

15 -- вход "сигнал тактового импульса";

16 -- выход "подтверждение прерывания";

17 -- выход "прием";

18 -- выход "выдача";

19 -- выход "синхронизация";

20 -- напряжение питания (Un2);

21 -- выход "подтверждение запроса шин";

22-- вход "сигнал тактового импульса";

23-- вход "готовность";

24 -- выход "ожидание";

25...27 -- выходы "адресные шины микросхем";

28 -- напряжение питания (Un1);

29...40 -- выходы "адресные шины микросхем"

Электрические параметры

Номинальное напряжение питания

Uп112 В ± 5%

Uп25 В ± 5%

Напряжение высокого уровня импульсов тактовых сигналов 9...13 В

Напряжение низкого уровня импульсов тактовых сигналов -0,3...+0,8 В

Входное напряжение низкого уровня ? 0,8 В

Входное напряжение высокого уровня ? 3,3 В

Выходное напряжение высокого уровня? 3,7 В

Выходное напряжение низкого уровня? 0,45 В

Ток потребления:

от источника питания Uп1 ? 75 мА

от источника питания Uп2? 85 мА

Ток потребления от источника напряжения смещения подложки ? 1 мА

Ток утечки на входах тактовых импульсов-10...+10 мкА

Выходной ток в состоянии "выключено":

при UвхN = 0,45 В-100+100 мкА

при UвхN = 5,25 В -10...+10 мкА

Ток утечки на входах -10...+10 мкА

Входной ток по каналу данных в режиме "прием":

при 0 ? UвхN ? 0,45 В? |-0,1| мА

при 0,45 ? UвхN ? 5,25 В? |-2| мА

Период следования тактовых импульсов С1, С2 . 0,48.,.2 мкс

Длительность тактовых импульсов:

С1? 60 нc

С2? 220 нc

Время перехода сигналов С1, С2 из состояния низкого (высокого) уровня в состояние высокого (низкого) уровня 0...50 нc

Время задержки сигнала С2 (низкого уровня) относительно сигнала С1 (низкого уровня) .... ? 0 нc

Время задержки сигнала С1 относительно сигнала С2? 80 нc

Время задержки сигнала С2 (высокого уровня) относительно сигнала С1 (низкого уровня) .... ? 70 нc

Время задержки распространения сигналов А15...А0 (низкого уровня) относительно сигнала С2 (высокого уровня) ? 200 нc

Время задержки распространения сигналов D7...D0 относительно сигнала С2 (высокого уровня)? 220 нc Время задержки распространения сигналов D7...D0 и А15...А0 (высокоимпедансное состояние) относительно сигнала С2 (высокого уровня)? 120 нc

Время установления сигналов D7...D0 относительно сигнала С2 ? 150 нc

Время установления сигналов D7...D0 относительно сигнала С1 во время действия сигнала "прием"? 30 нc

Время задержки распространения сигналов ACKRQ относительно сигнала С1? 120 нc

Время задержки распространения сигнала "синхронизация" относительно сигналов С1 и С2 ..? 120 нc

Время задержки распространения сигнала "прием" относительно сигнала С225...140 нc

Время установления сигнала "готовность" относительно сигнала С2? 120 нc

Время задержки сигнала "прием" относительно сигналов D7...D0, А15...А0? 0 нc

Время задержки распространения сигнала "ожидание" относительно сигнала С1 ? 120 нc

Время установления сигнала "запрос прерывания" относительно сигнала С2 ? 120 нc

Время сохранения сигнала "запрос захвата", "готовность", "запрос прерывания", относительно сигнала С2 ? 0 нc

Время задержки распространения сигнала "подтверждение прерывания" относительно сигнала С2? 200 нc

Время задержки распространения сигнала "выдача" относительно сигнала С1 ? 140 нc

Время установления сигнала RQ относительно сигнала С2? 140 нc

4. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ НА БАЗЕ ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МП

4.1 Структурная схема алгоритма

По заданию курсового проекта необходимо составить программу для разветвляющего вычислительного процесса по выражению

	n*x+87	если x<55
Y=	2k-x	если x=55	(1)
	25vx	если x>55

Весь объем адресуемой памяти с адресом 0000Н…FFFFH можно представить следующим образом:

для основной программы будем использовать адреса начиная с 0000Н и FFFFH

директива начального адреса 0800Н (символ Н после числа указывает на то, что число записано в шестнадцатеричной системе счисления)

адреса исходных данных (констант и переменных), а так же конечного результата в ячейках памяти начиная с адреса 0880Н

Число «х» - переменная, от которой зависит выбор выражения для вычислений. Числа «k» и «n» - величины, значения которых должно быть определено на момент начала работы программы, а перед составлением программы надо знать адрес этого числа памяти. Предлагается разместить исходные данные и результаты следующим образом:

результат поместить в ячейку 0880Н

число «х» в ячейку 0881Н

число «k» в ячейку 0882Н

число «n» в ячейку 0883Н

Перевод чисел в шестнадцатеричную систему счисления:87(10)=57Н, 25(10)=19Н 55(10)=37Н

Далее составляем алгоритм вычисления, схема которого приведена на рисунке 7

Рисунок 7 - Схема алгоритма

Описание алгоритма вычисления.

Начало выполнения программы (блок 1). Производится чтение числа х в аккумулятор (блок 2), затем, происходит пересылка из регистра в регистр (блок 3), после чего происходит сравнение числа х с числом 55 (блок 4). Далее программы разделяется на 3 ветви.

Если выполняется условие (блок 5), то происходит чтение числа n в аккумулятор (блок 6), затем выполняется логическое умножение с аккумулятором (блок 7) и логическое сложение числа 87 с аккумулятором (блок 8). Производится загрузка результата в ячейку 0880 и остановка программы.

В случае невыполнения условия С (блок 5) программа переходит к условию Z(блок 9). При выполнении условия происходит чтение числа k в аккумулятор (блок 10), затем выполняется сложение содержимого регистра с содержимым аккумулятора (блок 11). Потом происходит вычитание из содержимого регистра с содержимым аккумулятора (блок 12). Производится загрузка результата в ячейку 0880 и остановка программы.

Если условие не выполнено, то программа выполняет сложение содержимого аккумулятора с числом 25(блок 13), происходит загрузка результата в ячейку 0880 и остановка программы

4.2 Программа на Ассемблере и в машинных кодах

Приведем текст программы в таблице 1 для реализации системы логического выражения формулы 1

Таблица 1 - Текст программы

Адрес	Мнемокод	16-ичн код	Комментарии
	ORG 0800H		Директива начального адреса
0800	XRA A	AF	Обнуление аккумулятора для ;последующей записи х в аккумулятор
0801	MOV B, A	A8	Копирование содержимого ;аккумулятора в регистр В
0802	LDA 0881	3A	Чтение числа х в аккумулятор
0803		51
0804		08
0805	MOV B, A	47	Копирование содержимого ;аккумулятора в регистр В
0806	NOP	00	Пустые операции для увеличения ;длительности такта ввода
0807	NOP	00
0808	NOP	00
0809	NOP	00
080A	CPI 37	FE	Сравнение числа «х» с числом 55
080B		37
080C	JNC 0819	D2	Перейти к выполнению условия Z, ;если признак С=0
080D		1E
080E		08
080F	XRA A	AF	Подготовка к записи информации в ;аккумулятор

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

процессор однокристальный микропроцессорная система устройство

Со времени появления первых микропроцессоров прошло более 30 лет. За это время произошел гигантский скачок в технологии и производительности микропроцессоров.

Уже в самом начале истории развития однокристальных микропроцессоров наметились основные тенденции их развития и повышения производительности микропроцессорных систем.

Повышение степени интеграции. Степень интеграции непосредственно определяет, сколько транзисторов может поместиться на кристалле. Она характеризуется технологической нормой минимально возможными размерами напыляемого элемента, т.е. области полупроводника с заданным типом проводимости (не путать с транзистором, который состоит из нескольких таких элементов). Самый первый МП Intel 4004, появившийся в 1971 г., был выполнен по 10-мкм технологии и содержал только 2300 транзисторов. МП Pentium выполнялся по 0,8-мкм технологии и содержал уже 3,1 млн. транзисторов. Самые последние разработки МП выполняются по 0,13-мкм технологии и содержат десятки миллионов транзисторов. Специалисты Intel считают, что если развитие микропроцессорной техники будет продолжаться такими темпами, то вполне возможно, к 2011 г. МП Intel будут содержать до 1 млрд.транзисторов.

Повышение тактовой частоты микропроцессора. Это самый простой и наиболее понятный способ повышения производительности микропроцессора. Если в первых МП тактовая частота составляла сотни кГц, то в современных МП это уже сотни МГц - единицы ГГц.

Увеличение разрядности микропроцессоров. У первых МП разрядность обрабатываемых слов составляла 8 бит. Затем вместе с развитием интегральной технологии повысилась степень интеграции БИС, что позволило создавать 16-разрядные МП. Начиная с появления МП Intel 80386, разрядность обрабатываемых слов составила 32 бита. Для большинства сфер применения МП, в том числе в персональных компьютерах, этой разрядности и на сегодняшний день вполне достаточно. Разработанные в последнее время 64-разрядные однокристальные микропроцессоры обеспечивают еще более высокую производительность.

Кроме разрядности обрабатываемых слов для микропроцессорной системы очень важна разрядность адресов, с которыми может работать МП. Это определяет объем адресуемой памяти системы, а значит, и возможность работы с большим объемом программ и обрабатываемых данных, более совершенным программным обеспечением, более производительными и удобными для пользователя операционными системами.

Распараллеливание процесса обработки данных. В самых первых микропроцессорах, использованных в качестве процессоров персональных компьютеров - Intel 8080, - процесс выполнения команды растягивался во времени на большое число тактов. Каждая команда сначала считывалась из программной памяти, причем сам микропроцессор в это время простаивал, и только после этого команда исполнялась. Уже в следующем МП Intel 8086 процессы считывания команды и ее исполнения возлагались на разные устройства МП - шинный интерфейс и операционное устройство. Это позволило распараллелить процессы выполнения команды и ее выборки. В дальнейшем архитектура микропроцессоров еще более совершенствовалась, и принцип повышения производительности за счет распараллеливания процесса выполнения команд отобразился в конвейерной структуре МП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бабич Н.П., Жуков И.А. Основы цифровой схемотехники. - М.: ИД «Додека-XXI», К.: «МК-Пресс», 2007.

Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы - М. : Горячая линия-Телеком, 2005.

Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы - техника. - М.: Издательский центр «Академия», 2004

Кузин А.В., Жаворонков М.А Микропроцессорная техника. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника. - М.: Высшая школа, 2005

Мышляева И.М. Цифровая схемотехника. - Москва: Издательский центр «Академия», 2005

Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры. - Москва: Издательский центр «Академия», 2006

Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 1 - 12. - Москва: РадиоСофт, 1998

Новожилов О.П. Основы микропроцессорной техники /Учебное пособие в двух томах/ - М.: ИП РадиоСофт, 2007.

Ревич Ю.В. Занимательная электроника. - СПб.: БХВ - Петербург, 2006

Симонович С.В. Информатика. Базовый курс. - С. - Пб., ПИТЕР, 2002

Размещено на Allbest.ru