ПособиеМПЭВС_ч2

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Л. А. Торгонский, П. Н. Коваленко

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫХ И ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ЭВС

Часть II. Микропроцессорные ЭВС

Учебное пособие

Томск «Эль Контент»

2012

УДК	004.38’12 + 004.318](075.8)
ББК	32.973.2-018я73
	Т600

Рецензенты:

Букреев В. Г., докт. тех. наук, проф. кафедры электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского

политехнического университета; Замятин Н. В., докт. тех. наук, проф. кафедры автоматизации обработки

информации ТУСУРа.

Торгонский Л. А.

Т600 Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС. Часть II. Микропроцессорные ЭВС : учебное пособие / Л. А. Торгонский, П. Н. Коваленко. — Томск : Эль Контент, 2012. — 176 с.

ISBN 978-5-4332-0059-3

Пособие соответствует образовательному стандарту и учебной программе дисциплины «Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС», изучаемой студентами специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств» и бакалавриата по направлению подготовки 211000 «Конструирование и технология электронных средств».

Пособие может быть рекомендовано студентам и магистрантам других направлений и профилей подготовки, занятым проектированием устройств на базе средств микропроцессорной техники.

УДК	004.38’12 + 004.318](075.8)
ББК	32.973.2-018я73

ISBN 978-5-4332-0059-3	© Торгонский Л. А.,
	Коваленко П. Н., 2012
	© Оформление.
	ООО «Эль Контент», 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие	7
1 Введение	9
1.1 Поколения ЭВМ и микропроцессоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9

1.2Классификация микропроцессоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3Базовые параметры МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4Модели архитектур МП-техники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.5 Контрольные вопросы по главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	18
2 Архитектура и структура процессора	20

2.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2Структура и подсистемы аппаратных средств МП . . . . . . . . . . . . 20

2.3Аппаратный состав и сигнальные потоки процессора . . . . . . . . . . 23

2.4 Принцип хранимой программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5Команды программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6Устройство управления процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.6.1Функции и состав устройства управления . . . . . . . . . . . . 28

2.6.2Варианты организационных структур УУ . . . . . . . . . . . . 29

2.6.3Управляющий автомат с управляющей памятью . . . . . . . . 30

2.6.4Средства адресации при централизованном управлении . . . 31

2.6.5Формы описания процессов функционирования МПА . . . . . 35

2.7Операционное устройство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.7.1Функции операционного устройства . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.7.2Структурный состав операционного устройства . . . . . . . . 41

2.7.3Арифметико-логическое устройство . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.7.4Средства промежуточного хранения данных ОУ . . . . . . . . 46

2.7.5Аналоговые аппаратные средства в АЛУ . . . . . . . . . . . . . 47

2.7.6Средства сверхоперативного хранения ОУ . . . . . . . . . . . . 49

2.7.7Средства коммутации входных и выходных сообщений . . . . 52

2.8Коммуникационные тракты структур процессоров . . . . . . . . . . . 53

2.8.1Структуры соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.8.2Каскадные соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.8.3Звездообразные (радиальные) связи . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.8.4Магистральные соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.8.5Сравнительная характеристика структурных соединений . . . 55

2.9	Контрольные вопросы по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	56
3 Микропроцессоры		58
3.1	Внешнее описание микропроцессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	58

4	Оглавление

3.1.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.1.2Технические средства внешнего окружения МП . . . . . . . . 58

3.1.3Режимы взаимодействия МП с объектами окружения . . . . . 59

3.1.4Неформальное определение состава внешней шины МП . . . 59

3.2Архитектура и структура МП с разделёнными шинами . . . . . . . . . 62

3.2.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.2 Структура процессора 1821ВМ85А . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.3Шины МП. Спецификация выводов МП . . . . . . . . . . . . . 63

3.2.4Режимы и состояния МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2.5Синхронизация процессов. Типовые машинные циклы . . . . 67

3.2.6Микропроцессорное устройство . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.3Форматы и система команд МП и МПУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.3.1Программная модель МП 1821ВМ85А . . . . . . . . . . . . . . 69

3.3.2Операции. Операнды. Адресация . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.3.3Состав операций системы команд . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.3.4Форматы команд. Операнды. Адресация операндов . . . . . . 74

3.3.5Время выполнения команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3.6Формы представления команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.4Программирование МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.4.1	Языки программирования МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	77
3.4.2	Структурирование программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	79

3.4.3Организация линейных и циклических программ . . . . . . . . 79

3.5Запоминающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5.2Классификация ЗУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.5.3Параметры запоминающих устройств . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.5.4Оперативные запоминающие устройства . . . . . . . . . . . . . 83

3.5.5Постоянные запоминающие устройства . . . . . . . . . . . . . . 88

3.5.6Иерархическая структура памяти ЭВС . . . . . . . . . . . . . . 90

3.5.7Расширение адресного пространства ЗУ . . . . . . . . . . . . . 91

3.6 Контрольные вопросы по главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	92
4 Микроконтроллеры и микропроцессорные системы	95

4.1Типовая структура устройств цифрового управления . . . . . . . . . . 95

4.1.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.1.2Устройства связи с объектом (УСО) . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.1.3 Режим микроконтроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.1.4Алгоритмы и средства обмена МПК с внешними объектами . 97

4.1.5Порты и структура МПК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.1.6Синхронные порты ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1.7Асинхронные порты ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.1.8 Варианты селекции портов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.1.9Программные модели портов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.1.10Программирование параллельного асинхронного обмена . . . 108

4.2Последовательный программный обмен . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2.1Структура комплекса ввода-вывода данных . . . . . . . . . . . 109

4.2.2Интерфейсы ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Оглавление

5

4.2.3Последовательный интерфейс SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.4Последовательный интерфейс I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.3Режимы микропроцессорных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.3.1Прерывания и прямой доступ к внешним ресурсам . . . . . . 117

4.3.2Прерывания. Состав и функции объектов МП систем . . . . . 117

4.3.3 Этапы и параметры процессов отработки прерываний . . . . 118

4.3.4Аппаратные средств расширения системы прерываний . . . . 119

4.3.5Прямой доступ к ресурсам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.4 Специализированные аппаратные средства МК и МПС . . . . . . . . 122

4.4.1Состав специализированных аппаратных средств . . . . . . . . 122

4.4.2Средства контроля времени. Таймеры . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.4.3Преобразователь цифрового кода в амплитуду . . . . . . . . . . 125

4.4.4 Преобразователь амплитуды в цифровой код . . . . . . . . . . 126

4.4.5Средства контроля параметров цепей и состояния режимов . 129

4.5Однокристальные микроЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.5.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.5.2Структурная организация ОМЭВМ 1816ВЕ51 . . . . . . . . . . 130

4.5.3Внешнее описание ОМЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.5.4Синхронизация процессов ОМЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.5.5Режимы. Устройства. Система команд ОМЭВМ . . . . . . . . . 133

4.6Цифровые сигнальные микропроцессоры . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.6.1Принципы и средства сигнальной обработки . . . . . . . . . . 134

4.6.2Структура сигнальных микропроцессоров . . . . . . . . . . . . 137

4.7 Секционные микропроцессоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.8Контрольные вопросы по главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

5 Внешние устройства МПС		142
5.1 Периферийные устройства ввода-вывода	. . . . . . . . . . . . . . . . .	142
5.1.1 Классификация ПУ по назначению	. . . . . . . . . . . . . . . .	142

5.1.2Устройства тактильного ввода информации . . . . . . . . . . . 144

5.1.3 Устройства речевого ввода информации . . . . . . . . . . . . . 147

5.1.4Устройства автоматического считывания текстов и графиков . 147

5.1.5 Устройства оперативного визуального вывода информации . 150

5.1.6Устройства оперативного речевого вывода информации . . . . 153

5.1.7Регистрирующие устройства вывода информации . . . . . . . 153

5.2 Устройства внешней памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.2.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.3Объекты контроля и управления ПУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.3.1Состав объектов контроля и управления . . . . . . . . . . . . . 157

5.3.2Датчики и исполнительные органы ПУ . . . . . . . . . . . . . . 158

5.3.3Микропроцессорные устройства цифрового управления . . . 159

5.3.4Устройства автоматического ввода-вывода информации . . . . 159

5.4Контрольные вопросы по главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

6 Основы проектирования МПС

161

6.1Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.2Уровни представления МПК и МПС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6	Оглавление

6.3Состав и регламент процесса проектирования МП-средств . . . . . . 162

6.4Отладка и диагностика аппаратных средств . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.5 Доступность диагностического контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.6Функции средств отладки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

6.7Отладка аппаратных и программных МП-средств . . . . . . . . . . . . 164

6.8Интегрированные средства проектирования и отладки МПС . . . . . 166

6.9	Тенденции развития аппаратного обеспечения ЭВС, МК, МПС . . .	167
6.10	Контрольные вопросы по главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	168
Заключение		169
Литература		171
Список условных обозначений		172
Глоссарий		174

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное состояние средств вычислительной техники характеризуется многообразием форм схемной организации, конструктивного исполнения, ресурсных возможностей, разнообразием средств программной поддержки проектирования аппаратных средств и программных приложений.

Рынок предложений «перегрет» разнообразием пассивных и активных компонентов, функциональных узлов, блоков, устройств, комплектных процессоров, микроЭВМ, блоков памяти и информационного сопровождения проектов построения электронных средств.

Успехи технологии производства микросхем привели к наполнению рынка изделий электронной техники не только комплектными устройствами, но и полуфабрикатами с избыточными ресурсными возможностями. Речь идёт о больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС и СБИС) матричных кристаллов программируемых логических (ПЛС) и аналоговых (ПАС) структур элементов, функциональных узлов и блоков. Состав элементов этих кристаллов позволяет синтезировать оригинальные электронные устройства, применяя компоненты и функциональные узлы из базовых матричных кристаллов (БМК), программированием внутренних корпусных соединений и соединений на кристаллах БИС и СБИС. Задаче автоматизации проектирования цифровых устройств подчинено множество предложений по программным продуктам этой сферы.

Для выбора базиса аппаратных средств при проектировании устройств микропроцессорной техники необходимо иметь знания по основам их организации, функционирования, области применения, требованиях и ограничениях на применение.

Настоящее пособие является второй частью полного пособия по дисциплине «Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС» и посвящено вопросам организации микропроцессоров, микропроцессорных контроллеров и микропроцессорных систем.

В первом разделе пособия рассмотрены классификационные признаки микропроцессоров для формирования понятий и обобщенных критериев их сравнения.

Во втором разделе, в развитие материалов первой части пособия, рассматриваются вопросы состава и организационных основ построения микропроцессора. На основе анализа функционального назначения рассмотрены вопросы организации

8	Предисловие

системы команд, вопросы организации и сокращения машинных циклов, параллельной обработки данных.

Втретьем разделе пособия рассмотрены ресурсы исторического «долгожителя» микропроцессрной техники i8085 с архитектурой Неймана, которая в учебном процессе позволяет наглядно демонстрировать и организацию машинных циклов,

иорганизацию связи аппаратного состава МП с форматами команд, и условия реализации контроллерных и системных режимов, возможности и опосредованности наращивания ресурсов. Открытость архитектуры МП i8085 через шинную организацию, независимо от значений тактовых частот, разрядности слов, периодически напоминает о себе в новых, современных моделях одно- и многопроцессорных моделей и структур внутри их кристаллов или за их пределами. Рассмотрены вопросы исполнения памяти контроллеров и общие вопросы программирования микропроцессоров.

Вчетвёртом разделе пособия рассматриваются определяющие понятия, способы и средства реализации устройств связи с объектами контроллеров и микропроцессорных систем. Рассмотрены вопросы реализации параллельного и модификаций последовательных интерфейсов микропроцессорных средств, вопросы организации средств многоуровневых прерываний, прямого доступа. Рассмотрены специализированные средства контроля времени, преобразования формы сигналов. Приведены сведения по особенностям архитектур однокристальных микроэвм, сигнальных и секционных МП.

Пятый раздел пособия посвящён анализу функций и состава периферийных устройств и отнесенных к ним устройств внешней памяти на магнитных и оптических дисках.

Вшестом разделе рассмотрены понятия по общим вопросам проектирования, отладки и эксплуатационного сопровождения микроконтроллеров и МПС.

По разделам приведены контрольные вопросы, ответы на которые позволят сконцентрировать внимание на определяющих понятиях и положениях изучаемой дисциплины.

По дисциплине предусмотрено выполнение двух контрольных работ по проектированию микроконтроллеров. Первая из которых выполняется в форме компьютерного тестирования. Вторая работа выполняется в письменной форме.

Содержание пособия соответствует образовательному стандарту и учебной программе дисциплины «Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС», изучаемой студентами специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», и бакалавриата по направлению подготовки 211000 «Конструирование и технология электронных средств», изучаемой в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

1.1 Поколения ЭВМ и микропроцессоров

Анализ состояния и перспектив программного управления вычислительным процессом позволил американскому математику Дж. фон Нейману сформулировать в середине 40-х годов 20 века основные принципы построения и функционирования вычислительной машины. Его заключения на длительный период стали основополагающими в концепциях построения и совершенствования вычислительных машин.

Первая вычислительная машина на электровакуумных лампах была реализована в 1946 г. под руководством инженеров Д. Эккерта и Д. Мочли. Отсчёт эры ЭВМ связывается с освоением производства ЭВМ в 1951 г.

Первыми ЭВМ отечественных инженеров являются машина МЭСМ, построенная в 1949 году под руководством С. А. Лебедева, и М-1, М-2, построенные под руководством И. С. Брука.

На фоне разнообразных исполнений электронно-вычислительных средств и машин, которые соответствуют современному уровню развития техники, в структуре современных электронных машин выделяются подсистемы: управления и обслуживания, обработки информации, памяти, ввода/вывода, периферийных устройств (ПУ), телеобработки.

Подсистема управления и обслуживания представлена пультом управления пользователя и средствами инженерного обслуживания. Она предназначена для поддержки оперативного взаимодействия оператора пользователя с ЭВМ. Эта подсистема по мере развития технических ресурсов ЭВМ сокращается и дезинтегрируется вследствие переноса части функций на пульты периферийных устройств.

Подсистема обработки информации представлена центральным процессором (или совокупностью процессоров), выполняет обработку данных и управляет объектами других подсистем.

10	Глава 1. Введение

Подсистема памяти (П) представлена средствами хранения информации, необходимой как для текущего процесса обработки данных, так и для отложенных задач. Эта подсистема организуется, как иерархическая среда.

Подсистема ввода/вывода обеспечивает ввод и вывод информации в ЭВМ, связывая центральный процессор (ЦП) и память с ПУ через процессоры ввода/вывода, байт-мультиплексные блоки, блок-мультиплексные каналы, селекторные каналы. Принято различать мультиплексный и селекторный варианты организации взаимодействия объектов состава связанных между собой подсистем ЦП, П и средств ввода/вывода. Для процессора и памяти, с одной стороны, и группы медленно действующих устройств ввода/вывода — с другой стороны, мультиплексность в управлении вводом/выводом предполагает организацию взаимодействия, при которой разделением во времени обслуживаются несколько одновременно работающих устройств ввода/вывода времени. Селекторность, наоборот, предполагает исключение возможности одновременной работы нескольких устройств из группы подключённых, когда средства передачи информации монополизируются выбранным устройством.

Подсистема периферийных устройств выполняет функции ввода/вывода, хранения информации. В её состав входят внешние запоминающие устройства, разнообразные периферийные устройства, устройства ввода/вывода, устройства группового управления внешними устройствами. При использовании типовых решений по схеме подключения «канал — устройство управления — периферийное устройство» к процессору подключаются несколько каналов ввода/вывода. К каналам подключаются несколько устройств управления, а через них несколько ПУ. В такой схеме подключений ослабляется зависимость подсистемы ПУ от организации и технических параметров центрального процессора.

Подсистема телеобработки выполняет функции связи ЭВМ с удалёнными объектами. В состав подсистемы входят процессорные и микропроцессорные специализированные аппаратно-программные средства для контроля доступности тракта передачи, установления связи с удалённым объектом, поддержки процесса передачи информации, контроля достоверности данных.

Архитектура и структурная организация устройств ЭВМ приводится в рациональное соответствие отводимой ей роли в поддержке интеллектуальной деятельности человека.

Пространственно-временная схема доступа к ресурсам определяет состав сигнальных потоков и в подсистемах, и между подсистемами ЭВМ. В функциональном смысле это сигнальные потоки адресации объектов, информационных сообщений, синхронизации (поток сигналов управления).

Впроцессе становления и развития техника электронных вычислительных средств (ЭВС) прошла ряд этапов (смену поколений). Критерием отличия поколений до начала 70-х годов 20-го века была элементная база (лампы, транзисторы, микросхемы). С переходом на микропроцессорную элементную базу определяющим отличием поколений стал уровень «интеллектуализации» поддерживаемых аппаратными ресурсами и программными средствами процессов.

В[1] предложено в качестве критерия «интеллектуализации» ЭВС применять уровень их соответствия формам общения людей (см. табл. 1.1):

•по уровню операционного взаимодействия с пользователем;