литература / Пухальский Проектирование микропроцессорных систем 2001

Предисловие

Первая интегральная схема (ИС) была разработана в 1959 г., когда инженерам фирмы Texas Instruments удалось расположить на одной подложке кристалла несколько транзисторов и соединить их без проводников. В 1969 г. фирма Intel, которой исполнился всего один год, объя­ вила о выпуске оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) объемом 1 Кбит, что явилось для того времени большим достижением микроэлектроники в области изготовления ИС.

Идея построения микропроцессора (МП) впервые была высказана японским инженером фирмы “Бьюсиком” Масатоси Сима. Эта фирма обратилась к фирме Intel с заказом на произ­ водство набора специализированных ИС для калькуляторов. Для уменьшения их сложности специалист фирмы Intel Марсиан Хофф предложил использовать для выполнения арифметиче­ ских операций 4-разрядный универсальный микропроцессор. Использование для вычислений программного обеспечения вместо “жесткой” логики должно было резко повысить потребность калькулятора в памяти. Проект Хоффа получил предпочтение, и фирма Intel заключила с фир­ мой “Бьюсиком” контракт на производство универсального МП, получившего имя 4004.

С фирмой Intel в начале 1970 г. начал сотрудничать Федерико Фаджин, который довел МП от стадии концепции до кремниевого кристалла всего за 9 месяцев, а позже основал фирму Zilog. Изготовлен МП 4004 был по p -МОП технологии и поступил в продажу в 1971 г.

В1972 г. фирма Intel выпустила на рынок первый 8-разрядный МП 8008. Он требовал 20 ИС поддержки и мог адресовать громадную по тем временам память в 16 Кбайт, что было серьезным шагом вперед по сравнению с МП 4004. В 1973 г. была создана первая универсаль­ ная микроЭВМ на основе МП 8008 и вскоре выяснилась недостаточность для многих приложе­ ний адресного пространства в 16 Кбайт.

Вапреле 1974 г. фирма Intel объявила о создании МП 8080 — значительно более совер­ шенного, чем МП 8008. Проект был предложен Фаджином, но группу разработки возглавил Масатоси Сима, перешедший в фирму Intel из фирмы “Бьюсиком". Проект нового МП был настолько усовершенствован, что МП 8080 стал действительно полезным вычислительным элементом для широкого круга применений (требовал всего шесть ИС поддержки). При произ­ водстве МП 8080 впервые была применена n-МОП технология с обогащением (частота двух­ фазного тактового сигнала не более 2 МГц; три источника питания: +5 В, -5 В и +12 В).

Несколько компаний начали производство микроЭВМ на основе МП 8080. Вначале мик­ роЭВМ были достаточно примитивны, поскольку не было совместимых с ними операционных систем. Преподаватель Высшей школы военно-морских сил Гарри Килдалл, создавший в 1976 г. фирму Digital Research, разработал в 1975 г. операционную систему С/РМ (Control Pro­ gram fo r Microcomputers — управляющая программа для микроЭВМ), ориентированную на МП 8080. Эта операционная система сыграла основную роль в успехе МП 8080 и его архитектуры.

Вответ на успех МП 8080 в фирме Motorola инженером Чаком Педдом был разработан МП 6800. Фирма Motorola впервые представила также серию ИС для периферийных устройств, включавших ИС для параллельного (ИС 6820) и последовательного (ИС 6850) ввода-вывода. Эти ИС обеспечили разработчикам систем включение в компьютеры функций ввода-вывода чрезвычайно простым способом.

2,5 МГц, один источник питания +5 В, встроенная схема регенерации динамической памяти, 176 команд) — значительно улучшенного варианта МП 8080, включавшего весь набор команд

А Предисловие

последнего и позволявшего работать с программным обеспечением, написанным для МП 8080. Фирма Zilog изготовила также МП, работающие на тактовой частоте 4 МГц, вдвое большей тактовой частоты МП 8080.

В 1976 г. фирма Intel объявила о выпуске МП 8085 (частота однофазного тактового сигна­ ла 3 МГц, один источник питания +5 В), но он уступал по производительности и мощности сис­ темы команд МП Z80. Система команд МП 8085 отличается от системы команд МП 8080 толь­ ко двумя новыми командами. Фирма Intel для сохранения своих позиций на рынке МП решила выпустить 16-разрядный МП, совместимый “снизу вверх” с МП 8080. Такая совместимость обеспечивала возможность создания простых трансляторов программ, написанных для 8-разрядного МП 8080, в программы для нового 16-разрядного МП 8086, выпущенного на ры­ нок фирмой Intel в 1978 г. (Морс — один из главных разработчиков МП 8086). Для проектиро­ вания мультипроцессорных систем семейство МП 8086 было дополнено сопроцессором 8087 и процессором ввода-вывода 8089, резко повысившими производительность системы в целом по выполнению арифметических операций (8087) и функций ввода-вывода (8089).

Для аппаратной совместимости с МП 8080 в это же время был выпущен МП 8088 с 16-разрядной внутренней и 8-разрядной внешней шинами данных, но имеющий систему ко­ манд МП 8086. Средняя производительность МП 8088 всего на 20% ниже производительности МП 8086 благодаря введению в них очереди команд. Первый персональный 16-разрядный ком­ пьютер IBM PC был выпущен в 1981 г. фирмой IBM (International Business Machines) на основе МП 8088. На разработку и изготовление этого компьютера потребовался всего один год. Одно­ временно с этим фирма Microsoft, основанная Биллом Гейтсом, разработала для него дисковую операционную систему M S-D O S (Microsoft-Disk Operating System). В качестве внешней памяти в компьютере модели PC использовался НГМД (накопитель на гибких магнитных дисках, ко­ торый изобрел Йосиро Накамацу, когда ему было 24 года — все права на изготовление и ис­ пользование дискеты купила у него корпорация IBM). Далее был выпущен персональный ком­ пьютер модели XT, в котором для хранения файлов использован более скоростной жесткий диск большего объема (винчестер). В следующих моделях (АТ) персональных компьютеров фирмы IBM использованы более совершенные МП фирмы Intel 80286, 80386, 80486 и Pentium (первый персональный компьютер модели А Т был изготовлен на МП 80286 в 1984 г.).

При проектировании каждого нового типа МП усилия специалистов фирм направлены как на усовершенствование технологий изготовления ИС (увеличение быстродействия — повыше­ ние частоты тактового сигнала, снижение потребляемой мощности), так и на создание функ­ ционально более сложных МП. В результате было изготовлено несколько десятков типов МП, производительность которых в несколько раз превосходит производительность первых МП. Кроме того, были разработаны однокристальные микроконтроллеры (микроЭВМ), соединяю­ щие в себе функции МП и некоторых внешних устройств и содержащие на кристалле неболь­ шие по объему ОЗУ и постоянное ЗУ (ПЗУ). Для построения на таких микроконтроллерах про­ стых МП-систем требуется привлекать минимальное число других ИС.

Классификация микропроцессорных ИС:

-однокристальные МП (см. табл. 1); эти МП имеют большой фиксированный набор ко­ манд, выполняемых за несколько тактов;

-однокристальные микроконтроллеры (например, 8035, 8048, 8051 и др. фирмы Intel)',

вотношении системы команд принципиальных отличий от однокристальных МП не имеют;

-разрядно-модульные МП; процессор создается из нескольких микропроцессорных сек­ ций для получения необходимой разрядности шины данных, и имеется возможность изменять (расширять) систему команд с помощью внешних ИС;

-Л75'С-процессоры (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набо­ ром команд); большинство команд выполняется за один такт;

- транспьютеры — процессоры для параллельной обработки данных; транспьютер спроек­ тирован для работы в мультипроцессорной конфигурации, когда несколько транспьютеров вы­ полняют одну задачу; первый транспьютер 7’414 был разработан фирмой Inmos в 1985 г. (по­ строен на Л/^С-процессоре, шина данных и шина адреса 32-разрядные, имеется внутреннее статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта и четыре быстрые последовательные линии связи с други­ ми транспьютерами; при частоте синхронизации 5 МГц выполняет 10 млн. команд в секунду).

Некоторые параметры однокристальных МП фирмы Intel приведены в нижеследующей таблице.

* 8Кх4 ПЗУ и 1280x4 ОЗУ. Технологии изготовления МП:

PMOS (Р-Channel Metal Oxide Semiconductor): NMOS (N-Channel Metal Oxide Semiconductor)', HMOS (N-Channel high-performance Metal Oxide Semiconductor);

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

С начала 70-х годов МП, интерфейсные микросхемы и полупроводниковая память произ­ вели революцию в проектировании цифровых систем. Объясняется это программируемостью МП и тем фактом, что однокристальный МП по своим возможностям эквивалентен сотням микросхем с малой и средней степенью интеграции. Микропроцессоры применяют во все большем числе цифровых систем, реализованных ранее на так называемой “жесткой логике”, и эта тенденция сохраняется. По мере снижения стоимости МП их используют даже в простых системах типа микроконтроллеров, в которых реализуются не все возможности МП. Причины указанной тенденции станут понятными, если разобраться в основных критериях, которые учи­ тываются при проектировании цифровых систем.

Быстродействие. Основное преимущество системы, построенной на основе “жесткой логики”, над МП-системой заключается в том, что она намного быстрее реагирует на входные воздействия. Однако во многих применениях высокого быстродействия не требуется и опреде-

£ Предисловие

ляющим фактором оказывается гибкость программируемой системы. Кроме того, производи­ тельность новых МП увеличивается и расхождение в быстродействии сокращается. Производи­ тельность семейства МП фирмы Intel за прошедшие годы увеличилась в тысячи раз.

Стоимость. Кроме стоимости собственно микросхем, на стоимость МП-системы влияют следующие факторы: приобретение, хранение и контроль микросхем, оплата монтажа, пайки и внешнего оформления, расходы на приобретение печатных плат, блоков питания, корпусов. Расходы на приобретение микросхем обычно не превышают 10% общей стоимости системы, однако стоимость МП-системы пропорциональна числу микросхем, а не их внутренней слож­ ности. Следовательно, экономичнее применять более дорогие БИС и СБИС, если они заменяют достаточное число микросхем с малой и средней степенью интеграции.

Гибкость. После запуска системы в производство могут потребоваться ее модификации или усовершенствования, что объясняется выявлением по результатам эксплуатации просчетов проектирования или необходимостью введения новых функций. Если система реализована на основе “жесткой логики”, ее придется заново проектировать, модифицировать и проверять, на что затрачивается много времени и средств. С другой стороны, благодаря программируемости МП изменения касаются в основном управляющей программы, а не аппаратных средств.

Надежность. Так как интенсивность отказов системы пропорциональна числу микросхем, надежность системы увеличивается по мере роста сложности микросхем и уменьшения их чис­ ла. Кроме того, сокращение числа микросхем ведет к уменьшению межсоединений с соответст­ вующим упрощением решения проблем отказов, помех и синхронизации.

Время проектирования. Процесс традиционного проектирования систем на основе “же­ сткой логики” по своей природе последовательный, т. е. следующий его этап невозможно начи­ нать до завершения предыдущего. Проектирование же МП-системы возможно разделить на разработки аппаратных и программных средств, которые можно вести параллельно.

Эра микропроцессоров началась с тех пор, когда технология позволила реализовать в од­ ной микросхеме все необходимые функции центрального процессора. Совершенствование МП шло параллельно с развитием микроэлектронной технологии, которая позволяла размещать на кристалле все больше и больше логических схем. Хотя по мере усложнения МП растет и его стоимость, она все же остается намного меньше стоимости эквивалентной системы, реализо­ ванной на микросхемах с меньшими функциональными возможностями. Кроме уменьшения числа микросхем, необходимых для реализации данной функции, сокращается и общее число контактов, что позволяет уменьшить расходы на монтаж.

Первые МП подходили только для калькуляторов и простых контроллеров, а современные МП имеют встроенные средства для организации мультипроцессорных систем и поддержки мультипрограммирования. Такие МП можно использовать в качестве центральных процессоров сложных компьютеров широкого назначения. Вместе с новыми МП выпускаются разнообраз­ ные микросхемы, предназначенные для реализации памяти, интерфейсов и управления шиной.

В данном учебном пособии изложены принципы работы МП, управление памятью и внешними устройствами на примере МП 8080, 8085 и 8086/8087. Приведены примеры проек­ тирования контроллеров на основе этих МП.

Основная цель учебного пособия — максимально сократить время на овладение принци­ пами построения МП-систем как в отношении схемной реализации, так и в отношении про-, граммного управления составляющими ее компонентами.

Автор выражает признательность Т. Я. Новосельцевой, любезно предоставившей для это­ го учебного пособия параграфы 1.10 -*■ 1.12, 2.6 и 3.10. Прилагаемая к учебному пособию дискета с программными пакетами AVS/M85 фирмы Avocet Systems, Inc. и Turbo Assembler Ver­ sion 3.2 фирмы Borland International содержит файлы исходных текстов программ большинства задач, включенных в учебное пособие.

K2SIN* RESET IN

RESOT - RESET OUT

Рис. 1.2. Микропроцессорные БИС

ROM (Read Only Memory — память только для чтения) — ПЗУ;

RAM (Random Access Memory — память с произвольной выборкой) — ОЗУ;

I/O (Input/Output) — устройства ввода-вывода (внешние устройства), которые могут быть и только устройствами ввода {I/O -2) или только устройствами вывода (I/O -3);

DMАС (Direct Memory Access Controller) — контроллер прямого доступа к памяти, пред­ ставляющий собой специализированный процессор ввода-вывода (DM А С , как и МП, может управлять шинами). Если шинами управляет МП, то DM А С является ведомым системной ши­ ны (представляет для МП обычное устройство ввода-вывода — пассивный режим работы DMАС). При переходе DM А С в режим ведущего системной шины (активный режим работы DMАС) МП предварительно должен перевести свои шины в Z-состояние. В активном режиме DMАС генерирует адресные сигналы и сигналы управления, обеспечивающие непосредствен­ ную передачу данных между системной памятью и внешним устройством I/O-4.

На рис. 1.2 приведены условные графические обозначения нескольких микропроцессор­ ных БИС: 808СИ и 8085А фирмы Intel (отечественные аналоги 580ВМ80А и 1821ВМ85А) — однокристальные МП с 8-разрядиой шиной данных; 8255А фирмы Intel (580ВВ55А) — про­ граммируемый периферийный интерфейс (1/ 0 - 1 на рис. 1.1), имеющий три 8-разрядных порта ввода-вывода данных РА, РВ и PC [2].

Операнды и их обработка. Объекты, над которыми МП производит операции, называют­ ся операндами. Операнды могут находиться как в ROM, RAM, I/O, так и во внутренних регист­ рах МП, называемых регистрами общего назначения (РОНы). Операнды могут содержать как числовую, так и нечисловую информацию. Наиболее часто МП производит над операндами

операцию пересылки между РОНами (внутри МП) и между МП и ROM, RAM, НО (внешние пересылки по шине данных DB).

Для эффективной работы устройства, изображенного на рис. 1.1, МП должен управлять большим количеством объектов: ячейками памяти ROM, ячейками памяти RAM, внешними устройствами НО (устройства ввода-вывода), что возможно только при двоичной их адресации. Для уменьшения числа линий передачи данных, как правило, используются двунаправленные приемопередатчики, встроенные в МП (направлением передачи управляет МП).

Операции пересылки не изменяют информацию, содержащуюся в операндах. Их обработ­ ка может производиться только в арифметическо-логическом устройстве (АЛУ) микропроцес­ сора. Если операнд представляет собой число, то над ним обычно производятся арифметиче­ ские действия вычитания или сложения с другим числом. Обработка же операндов, не являю­ щихся числами, обычно заключается в выполнении над ними логических операций И (AND — конъюнкция), ИЛИ (OR — дизъюнкция), сумма по модулю два (exclusive OR — исключающее ИЛИ) и НЕ (NOT, complement Boolean — отрицание, инверсия, булево дополнение). Операции И, ИЛИ и сумма по модулю два — двухместные, поэтому в них участвуют два операнда. Все логические операции выполняются поразрядно. Например, конъюнкция двух операндов

А = a7a6a5a4a3a2aiao и В = Ьф ф ф ф ф ф ф ^,

где а, и Ь,— двоичные разряды операндов, выполняется в виде

А & В = (aj & Ь7)(аь & Ь6) ... (а0 & Ь0).

Системная шина управления СВ, как правило, формируется с помощью дополнительных аппаратных средств, специально спроектированных для выпускаемых семейств БИС (для се­ рии 580 — системные контроллеры 580ВК28 и 580ВК38, для серии 1810 — контроллер шин 1810ВГ88). Центральное процессорное устройство (CPU на рис. 1.1) при использовании серии 580 состоит из ИС 580ВМ80А (МП 8080), 580ГФ24 (генератор тактовых сигналов 8224), 580ВК38 (системный контроллер 8238) и 1533АП5 х 2 (драйверы шины адреса; см. рис. 1.32). В любой МП-системе с раздельной адресацией памяти и НО системная шина управления СВ содержит линии управления чтением ROM и RAM, записью данных в RAM, вводом данных из НО и выводом данных в I/O, обеспечивающие операции пересылки операндов. В микропроцес­ сорной серии 580 для соответствующих системных сигналов управления приняты обозначения:

MEMR (Memory Read) — чтение команд программы или данных из памяти (ROM и RAM), MEMW (Memory Write) — запись данных в память (RAM),

I/OR (I/O Read) — ввод данных из внешнего устройства I/O (чтение данных), I/O W (I/O Write) — вывод данных во внешнее устройство I/O (запись данных).

Конечно, в МП-системах используются и другие сигналы управления операциями пере­ сылки, например, сигнал READY (готовность), выдаваемый памятью или I/O, имеющими не­ достаточное быстродействие (при их готовности к приему или выдаче операндов выдается зна­ чение READY = 1).

Ввод-вывод по прямому доступу к памяти. При использовании МП пересылки операн­ дов между памятью и I/O осуществляются программным способом с помощью команд ввода и вывода (IN port и OUT port) и команд записи и чтения памяти. Для пересылки операнда требу­ ется последовательное выполнение двух команд, осуществляющих пересылку операнда между I/O, МП и памятью по схеме:

НО —> МП —> Memory или Memory —> МП —> I/O.

Такой способ пересылки требует большого времени, так как используется промежуточное звено (МП). Контроллер прямого доступа к памяти DMAC используется для реализации пере­ сылок вида