Реферат: Микро ЭВМ на МПК 1801

1. ВВЕДЕНИЕ

Последние годы характеризуются бурным развитием интегральноймикроэлектроники и конструирования радиоэлектронной аппаратуры на основе интегральных микросхем. Внедрение в радио-, а также и электронную аппаратуру интегральных микросхем в значительной мереизменило методы проектирования и производства различной радиоэлектроннойаппаратуры, повысило ее надежность и экономичность при одновременном уменьшениигабаритов и веса. Благодаря интегральным микросхемам значительно расширилосьвнедрение радиоэлектроники в различные области науки и техники. Применениесовременной элементной базы позволило не только усовершенствовать старые, но исоздать новые методы проектирования, конструирования и производства бытовойрадиоаппаратуры и привело к новым разработкам в микропроцессорной системе.Малые габариты, масса, потребляемая мощность, высокая надежность, долговечностьи большое множество функционального назначения дали создать новейшие устройстваво всех сферах применения интегральных микросхем.

Микропроцессор представляет собой процессор, функционирующий всоответствии с программой, записанной в ЗУ, и характеризуется тем, что онвыполняется в виде одной или нескольких БИС. Использование БИС обусловилоследующие достоинства микропроцессоров: низкую стоимость, малые габариты ималое потребление мощности. Благодаря дешевизне микропроцессоров сталовозможным применять вычислительные устройства там, где прежде их применениесчиталось экономически невыгодным; малые размеры и малое потребление мощностипозволили встраивать микропроцессоры в самые разнообразные устройства.

Микропроцессор изменил характер проектирования цифровых устройств. Вместоразработки схем при использовании микропроцессоров составляются программы. Этоускоряет, удешевляет проектирование, обеспечивается легкость внесения измененийв способ функционального устройства, осуществляется путем замены хранящейся вЗУ программы новой программой. Вместе с тем следует иметь в виду, чтовыполнение микропроцессоров определенной функции связано с последовательнымвыполнением обычно значительного числа команд, на что затрачивается большоевремя, и быстродействие устройств, которые используют микропроцессоры,оказывается относительно невысоким. Поэтому в тех случаях, когда требуетсяобеспечить высокое быстродействие, оно легче может быть достигнуто вустройствах, в которых функционирование определяется не программой, записаннойв ЗУ, а путем определенных соединений элементов в схеме. Первые микропроцессорыпоявились в конце 1971г и уже через несколько лет они стали широкоприменяться в самых разнообразных сферахпроизводства и быта. Они используются в измерительных приборах, в устройствахцифровой обработки данных, в качестве устройств управления станками, лифтами ит.д. В системе связи они найдут широкое применение, в частности, в телефонныхаппаратах для расширения их возможностей, в управляющих комплексах системкоммутации каналов и сообщений и т.д.

Возможности применения микропроцессоров во всех средах оказались стольобширны, что влияние микропроцессоров равносильно революции в технике.

2.Проектирование ЦП на БИС К1801

В ЭВМ арифметические и логические операции с поступающейинформацией выполняются в процессоре. Процессор, реализованный в виде одной БИСили на нескольких БИС называется микропроцессором. Основными блоками, изкоторых состоит МП является арифметико-логический блок (АЛБ) и устройствоуправления (УУ). Информация в МП поступает через выходные магистрали, которыесвязывают его с блоками памяти и различными внешними устройствами. Количествомагистралей, связывающих МП с внешними устройствами может быть различным в зависимости от внутренней организации МП иструктуры вычислительного устройства. Структура микроЭВМопределяется организацией МП, составом входящих в него функциональных узлов,количеством внешних магистралей и организацией обмена информацией. Для многихкоманд требуются процедуры обмена информацией с ЗУ, разнообразными внешнимиустройствами, устройствами ввода-вывода. При реализации процедурного обмена МПформирует на МА адрес ячейки ЗУ или двоичный код внешнего устройства, ккоторому он обращается. Одновременно МП по МУ формирует управляющие сигналы,настраивающие подключающее устройство на необходимый режим обмена информацией.После формирования кода адреса и управляющих сигналов по МД передаетсяинформация. Эта информация затем преобразуется в соответствии с кодом очереднойкоманды, записанной в специальный регистр МП. Для этого УУ МП формируетуправляющие сигналы на узлы АЛБ, участвующие в выполнении команды. Одновременнос выполнением команды УУ МП формирует адресный код следующей команды иобеспечивает считывание ее из блока памяти. Для связи по единым магистралям выходные и входные узлы различных блоков должны строиться с учетом уровнейпередаваемых по магистралям сигналов, а также их состава и временной

последовательности. Согласование характеристик сигналовв магистралях с внутренними сигналами различных систем обеспечивается интерфейсными блоками соответствующих устройств.Количество общих магистралей в микроЭВМ может бытьразличным. Для реализации различных режимов обмена информацией вмикропроцессорную систему при необходимости можно ввести контроллер прерыванийКП для обработки сигналов запросов на обслуживание от УВВ, а также контроллерпрямого доступа к памяти КПДП для организации обмена данными между ЗУ и УВВ(рис.2.1). Восьмиразрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) МПобеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичнымиданными, представленными в дополнительном коде, а также обработкудвоично-десятичных упакованных чисел. Блок микропрограммной памяти содержитпоследовательность микрокоманд. Это микроконструкцииуправления операционными блоками, выбора следующего адреса, служебные иуправляющие микроинструкции. Микроинструкция управления операционным блокомопределяет код выполняемой в АЛУ операции. Управляющие сигналы в АЛУ могут поступатьнепосредственно с выхода микропрограммной памяти либо с выходов дешифратора микрокоманд,работающих под управлением микроинструкций памяти микропрограмм. Микропроцессоримеет раздельный 16-ти разрядный канал адреса и 8-ми разрядный канал данных.Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. В начале каждого машинного цикла микропроцессор вырабатываетсигнал синхронизации SYN, который в сочетании сдругими сигналами может быть использован для организации различных режимовработы. После подачи на вход SR сигнала высокого уровня МП устанавливается в исходноесостояние. МП выдает на адресный канал адрес ячейки, в которой хранится команда программы, а через канал данных —

информацию состояния, а далее происходит обработка ианализ сигналов МП. Действия, выполняемые МП в машинном цикле определяются 8-миразрядной информацией состояния, которая выдается через канал данных в первомтакте каждого машинного цикла. Эта информация может использоваться для выборкисигналов обращения к ЗУ, УВВ и для организации различныхрежимов работы МП. При выполнении командМП может переходить из одного из трехсостояний: “ожидание”, “захват”, “останов”, длительность которых определяетсявнешними управляющими сигналами. Архитектура МП описывает методологию оптимальногообъединения совокупности аппаратных, программных и микропрограммных средств в вычислительнойсистеме с позиции свойств, предоставляемых в распоряжение разработчиков системи программистов — пользователей. При разработке архитектуры МП и информационно-управляющихсистем на их основе необходимо:

1) дать описание концептуальнойструктуры функционального поведения системы с позиций учета интересовпользователя при ее построении и организации вычислительных процессов в ней;

2) определить структуру,номенклатуру и особенности построения программных и микропрограммных средств;

3) описать характеристикивнутренней организации потоков данных и управляющей информации;

4) произвести анализфункциональной структуры и особенностей физической реализации устройств системыс позиций сбалансированности программных, микропрограммных и аппаратурныхсредств. При разработке архитектуры МП и на их основе микросистемустанавливаются форматы данных и команд, определяются системы команд и методыадресации, обосновываются требования к интерфейсам. Правильно сбалансированныетребования к аппаратурным и программным дают возможность оптимизироватьвычислительный процесс в спроектированной микросистеме. В МП микросистеме функцииоптимизации

выполняет программное обеспечение. Достигаемый приразработке компромисс между аппаратурными и программными средствами определяетего сложность и трудоемкость. БИС наибольшее влияние оказывают на микроархитектуру микропроцессора — аппаратную организацию илогическую структуру микропроцессора, конфигурацию регистров, управляющих схем,арифметико-логических блоков, запоминающих устройств и связывающих их информационныхмагистралей. Функциональные блоки, которые раньше строились из многочисленных полупроводниковых приборов в настоящее время реализуются в виде одного прибора.Кроме того, увеличение функциональной насыщенности и быстродействия и снижениястоимости памяти и логики, обеспечиваемые БИС, открывают новые возможностипроектирования микроЭВМ, уменьшая влияние стоимости.Поскольку МП выполнены на одном кристалле и при этом включают в себя всеаппаратурные средства центрального процессора — регистры, АЛБ, схемыуправления, а в некоторых случаях даже память их микроархитектураопределяет многие из черт микроархитектуры системы(емкость и расположение регистров, разрядность и трассировку магистралейданных, наличие буферных регистров и магистралей для передачи всех сигналов).Так как многие элементы микроархитектуры становятсячастью конструкций кристалла, очень трудно создать такой кристалл БИС, которыймог бы найти широкое применение. Очевидно, что кристалл, на котором реализованамикроархитектура одной микроЭВМ,будет бесполезным для построения микроЭВМ другой архитектуры.Следовательно, объем его производства будет небольшим, а себестоимость высокой. Микропроцессоры, являющиеся удачным примеромреализации целой микроархитектуры на одном кристалле,позволяют также увидеть и недостатки такого подхода. В дополнении к собственнойархитектуре эти МП обладают собственной макроархитектуройи системой команд и в связи с этим практически не годятся для реализацииархитектуры других ЭВМ.

3. Описаниесхемы электрической структурной

Рассмотрим структурную схему микроЭВМ на МПК1801 представленную в графической части лист 2 Э1.

Высокая степень интеграции микропроцессорного комплектаБИС серии К1801, реализующего принципы магистрально-модульной организации,наличие в составе комплекта однокристальных МП и периферийных микросхемпозволяют применять его для создания высокоэффективных микропроцессорныхсредств. Одним их примеров применения комплекта являются выпускаемыепромышленностью одноплатные микроЭВМ ряда“Электроника — МС1201”, предназначенные для использования в различныхвычислительных и управляющих системах.

МикроЭВМ состоит из функционально законченных модулей,объединенных между собой по магистральному принципу. Системная магистраль(канал), выполненная в соответствии синтерфейсом МПИ, позволяет адресовать 32К 16-разрядных слов или 64К байт(только по записи). В адресном пространстве принято использовать нижнюю областьс адресами 0-376 в качестве адресов векторов прерываний. Верхняя область словадресного пространства от 160000 до 177776 используется для адресов регистроввнешних устройств. Активным устройством в канале обычно является процессор.Кроме него активными в канале могут быть устройства, способные работать в режимепрямого доступа к памяти.

Системное ПЗУ (СПЗУ) содержит программы режимов начального пуска,пультового режима, начальных загрузчиков с накопителей на гибких магнитныхдисках, резидентного проверяющего теста.

Устройство байтового параллельного интерфейса (УБПИ) предназначено длясвязи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронным параллельным каналам

ввода/вывода. Состоит из устройства управлениябайтовым параллельным интерфейсом (БПИ) и ряда переключателей, а также изустройства передачи информации (УПИ). Осуществляет обмен с системным каналом спомощью четырех внутренних регистров, организует прерывания от приемника и передатчика. Адресация регистров УБПИ задается переключателями,установленными на плате. Эти переключатели изменяют также адреса векторовпрерывания, выдаваемых УБПИ при процедуре векторного прерывания программы.

Устройство последовательного ввода/вывода (УПВВ) предназначено для связимикроЭВМ с внешними устройствами по асинхронномупоследовательному каналу. Связь УПВВ с внешним устройством осуществляется спомощью узла оптронной развязки (УОР) по линии типа “20 мА токовая петля”.

Устройство интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках (УИГМД).Осуществляет обмен информацией с НГМД с помощью двух внутренних регистров;может производить прерывание программы с выдачей адреса вектора прерываний.

Регистр начального пуска (РНП) предназначен для указания адреса и кодапрограммы режима начального пуска.

Приемопередатчики ПП1-ПП2 служат для усиления и электрической развязкисигналов.

4. Краткоеописание МПК серии К1801

Микропроцессорный комплект серии К1801, микросхемы которогоизготовляются по n-МДП технологии, предназначен для построенияширокого класса микроконтроллеров, микроЭВМ,управляющих микропроцессорных систем. Высокая функциональная мощность,сравнительно высокое быстродействие при умеренной потребляемой мощности, совместимостьпо системе команд с самыми массовыми в стране микроЭВМсемейства “Электроника” обеспечивают МПК серии К1801 практически неограниченныеобласти применения.

Всостав серии К1801 входят микросхемы однокристальных микропроцессоров,способных вести обработку 16-разрядных операндов, периферийных контроллеров,созданных на основе базового матричного кристалла серии К1801ВП1 и микросхемыПЗУ (таблица 1).

Таблица 1.

Тип микросхемы

Функциональное назначение

Тип корпуса

К1801ВМ1

16-разрядный МП, 500 тыс. операций “Регистр-регистр” в секунду

429.42-5

КМ1801ВМ2

16-разрядный МП, 1 млн. операций “Регистр- регистр” в секунду

2123.40-6

КМ1801ВМ3

16-разрядный МП, 1.5 млн. операций “Регистр-регистр” в секунду

2136.64-1

К1801ВП1-30

Управление динамическим ОЗУ

429.42-5

К1801ВП1-33

Контроллер интерфейса параллельного ввода/вывода

429.42-5

К1801ВП1-34

Устройство передачи информации

429.42-5

К1801ВП1-35

Устройство последовательного ввода/вывода

429.42-5

КР1801РЕ2

Постоянное запоминающее устройство

239.24-1

К573РФ3

РепрограммируемоеПЗУ

210Б.24-5

Микросхема К1801ВМ1- однокристальный 16-ти разрядный микропроцессор(ОМП), предназначен для обработки цифровой информации в системах управлениятехнологическими процессами, в контрольной и измерительной аппаратуре исистемах связи, а также решения в составе ЭВМ инженерно-технических иэкономических задач. Условное графическое изображение представлено на

рисунке 4.1.Назначение выводов при

ведено втаблице 2. В состав микросхемы входят следующие основные функциональные блоки,объединенные информационно-управляющимисвязями:

— 16-разрядный операционный блок, выполняющий операции формирования адресов команд и операндов, логическиеи арифметические, хранение операндов и результатов;

— блок микропрограммного управления, вырабатывающийпоследовательность микрокоманд на основе кода принятой команды. В немзакодирован полный набор микрокоманд для всех типов команд;

— блок прерываний,организующий приоритетную систему прерываний ОМП. Выполняет прием и предвари-

тельную обработку внешних и внут-

ренних запросов на прерывание вы-

числительного процесса;

— интерфейсный блок, выполняющий обмены информацией между ОМП и устройствами,расположенными на системной магистрали. Осуществляет арбитраж при операцияхпрямого доступа к памяти. В интерфейсном блоке формируется последовательностьуправляющих сигналов системной магистрали. Осуществ-

ляетарбитраж при операцияхпрямого доступа к памяти. В интерфейсном блоке формируется последовательность управляющих сигналов системноймагистрали;

— блок системной магистрали, связывающий внутреннююмагистраль ОМП с внешней. В нем производится управление усилителями приема ивыдачи информации на совмещенные выводы адресов и данных;

— схема тактирования, обеспечивающая синхронизациювнутренних блоков.

Таблица2.

Вывод.

Обознач.

Функциональное назначение выводов.

CLC

Синхронизация

SACK

Подтверждение выборки

3, 6, 26, 27

Резервные

DMGO

Предоставление прямого доступа

DMR

Требование прямого доступа

SEL1

Выборка первого регистра ввода/вывода

SEL2

Выборка второго регистра ввода/вывода

9-20, 22-25

AD0-AD15

Разряды адреса/данных

GND

Общий

BSY

Сигнал занятости канала

DCLO

Авария источника питания

ACLO

Авария сетевого питания

IRQ1

Первый запрос радиального прерывания

IRQ2

Второй запрос радиального прерывания

IRQ3

Третий запрос радиального прерывания

INIT

Установка исходного состояния

VIRQ

Требование прерывания

IAKO

Предоставления прерывания

DOUT

Вывод данных (запись данных)

DIN

Ввод данных (чтение данных)

RPLY

Синхронизация пассивного устройства (ответ)

WTBT

Вывод байта (запись/байт)

SYNC

Синхронизация активного устройства (обмен)

Ucc

Напряжение питания

Основные параметры К1801ВМ1:

Разрядность............................16 двоичныхразрядов.

Предоставлениечисел… дополнительный код с фиксированной запятой.

Системакоманд… безадресная, одноадресная, двухадресная.

Числорегистров общего

назначения(РОН)..................8.

Число линийзапросов

напрерывания.......................4.

Системнаямагистраль… типа МПИ с совмещенными шинами для передачи адреса и данных.

Адресноепространство........64К байт.

Тактоваячастота… От 100 кГц до 5Мгц.

Максимальноебыстродействие

выполнениякоманд сложения

в составеЭВМ при регистровом

методеадресации… до 500 тыс. операций/с.

Потребляемаямощность… до 1,2 Вт

Микросхема КМ1801ВМ2 — однокристальный МП, является дальнейшим развитиемОМП К1801ВМ1. Она обладает более высоким быстродействием, расширенной системойкоманд и рядом новых функциональных возможностей. По сравнению с К1801ВМ1 ОМПКМ1801ВМ2 может выполнять дополнительные команды расширенной арифметики(таблица 3). Команды плавающей запятой (MUL, DIV, ASH, FDIV) выполняются на программномуровне с помощью системного ПЗУ КР1801РЕ2.

Таблица 3.

Обознач.

Код

Команда

MUL

070RSS

Умножение

DIV

071RSS

Деление

ASH

072RSS

Сдвиг на Nразрядов одного слова

ASHC

073RSS

Сдвиг на Nразрядов двойного слова

FADD

07500R

Сложение с плавающей запятой

FSUB

07501R

Вычитание с плавающей запятой

FMUL

07502R

Умножение с плавающей запятой

FDIV

07503R

Деление с плавающей запятой

Основные параметры КМ1801ВМ2:

Быстродействие выполнения

регистровых команд типа

“Сложение”… до1000 тыс. операций/с.

Быстродействие выполнения

команд типа “Умножение”… до 100 тыс.операций/с.

Максимальная тактовая

частота.............................................10Мгц.

мощность потребления… до 1,7 Вт.

Микросхема КМ1801ВМ3 — представляет собой 16-разрядный ОМП, включающийоперационный блок, блок прерываний, блок микропрограммного управления,диспетчер памяти и блок управления системной магистрали. Отличительнойособенностью являются большой объем адресуемой памяти, высокое быстродействие ивозможность подключения сопроцессора арифметики чисел с плавающей запятой(СППЗ). В микросхеме используется три типа команд: безадресные, одноадресные идвухадресные. В кодах одноадресных и двухадресных команд содержится информация,определяющая: выполняемую функцию (код операции); регистры общего назначения,используемые при выборке операндов; метод адресации.

Основные параметры КМ1801ВМ3:

Разрядностьчисел и команд........16разрядов с возможностью предоставления и обработки32-разрядных слов.

Объемадресуемой памяти..............4М байт.

Принципуправления… микропрограммный.

Число команд..................................72с фиксированной запятой, 46 с плавающей запятой (при подключении СППЗ).

Числорегистров общего

назначения........................................8.

Производительностьопераций

“Регистр-регистр”… сложениев потоке 1,5 млн. операций/с; умножение 100 тыс. операций/с; деление 50 тыс.операций/с.

Число линийзапросов на

прерывание.......................................4.

Мощностьпотребления..................1,5 Вт.

Микросхема К1801ВП1-30 — построена на основе базового матричногокристалла микросхемы К1801ВП1. Она предназначена для управления ОЗУ (УОЗУ)динамического типа, выполненного на основе микросхем серии К565РУ3 и К565РУ6, ивыполняет:

— прием, хранение и преобразование адреса длянакопителя ОЗУ;

— регенерацию памяти;

— связь накопителя ОЗУ и буферного регистра данных сканалом передачи информации ЭВМ;

— специальные функции для управления системными

областями памяти при работе с ОМП К1801ВМ1.

Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4и 5.

Микросхема К1801ВП1-33 — применяется для организации интерфейсанакопителя на гибких магнитных дисках (НГМД) типа “Электроника ГМД-<st1:metricconverter ProductID=«7012”» w:st=«on»>7012”</st1:metricconverter>. Совместно с микросхемойК1801ВП1-34 выполняет функции контроллера интерфейса 16-разрядногопрограммируемого параллельного ввода/вывода и контроллера байтового параллельного интерфейса. Основныепараметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема К1801ВП1-34 — предназначена для использования совместно смикросхемой К1801ВП1-33 для организации интерфейса 16 разрядногопрограммируемого параллельного ввода/вывода, байтового параллельного

интерфейса. Она работает в режимах устройствапередачи

информации, буферного регистра данных, устройства выдачивектора прерывания и компаратора адреса. Основные параметры К1801ВП1-30приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема К1801ВП1-35 — это асинхронный приемопередатчик для внешнихустройств, работающих на линию связи с последовательной передачей информации,предназначен для преобразования параллельной информации в последовательную инаоборот. В состав микросхемы входят:

— блок системной магистрали, обеспечивающий связьпараллельного канала с регистрами микросхемы;

- блоксинхронизации, обеспечивающий запись и чтение информации, а также синхронизациюработы микросхемы по системной магистрали;

— компаратор адресов и управляющих сигналов,производящий выбор по адресу регистров микросхемы и выработку сигналов назапись или чтение информации;

- блок режима работы, устанавливающий работу микросхемы в различных форматах данных;

- блокиприемника и передатчика, состоящие из регистра состоящий из регистра состояния,сдвигового регистра и буферного параллельного регистра;

— блок селектора скоростей, обеспечивающий работумикросхемы на разных скоростях обмена информацией по последовательному каналу,а также выработку сигнала EVNTс частотой 50Гц.

Микросхема обеспечивает по последовательному каналу:

— скорости обмена при тактовой частоте 4608 кГц 50,75, 100, 150, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод;

— прием и выдачу посылки в форматах 5, 7 или 8информационных бит;

— формирование двух стоповых бит, причем в формате 5бит — 1,5 стоповых бита;

— формирование и контроль бита паритета (четностиили нечетности), а также работу без бита паритета.

Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4и 5.

Микросхема КР1801РЕ2 — эта микросхема представляет собой постоянноезапоминающее устройство емкостью 65536 бит с организацией 4096Х16 разрядов,предназначено для построения блоков памяти микроЭВМразличного назначения. Входы и выходы в микросхеме совмещены и поэтому передачаданных осуществляется в мультиплексном режиме.

Таблица 4. Таблица 5.

Параметр

Значение

Параметр

Значение

Uвых. низкого уровня, В

0,5

Напряжение питания, В

4,75-5,75

Uвых. высокого уровня, В

min 2,4

Uвх. максимальное, В