ПРЕДИСЛОВИЕ

Д остигнутые к началу 70-х гг. успехи в области технологии интегральных микросхем и организации вычислительных устройств привели к появлению нового класса приборов—микропроцессоров. Сегодня микропроцессорная техника—индустриальная отрасль со своей методологией и средствами проектирования.

К настоящему времени накоплен большой практический опыт проектирования микропроцессоров и микропроцессорных систем, область применения которых постоянно расширяется. Отсутствие изданий, которые могли бы служить практическим руководством для специалистов, занимающихся проектированием средств автоматизации и вычислительной техники, побудило авторов написать данную книгу.

Основное внимание в книге уделено организации систем на базе широко распространенных микропроцессорных БИС серий КР580, К1810, К1816. Состав и организация типовой микропроцессорной системы рассматриваются в гл. 1. Там же вводится ряд основных определений и понятий. Функциональные и технические характеристики центральных процессоров, построенных на базе 8-разрядных микропроцессоров типов КР580ВМ80, К1821ВМ85А, приводятся в гл. 2. Вопросы, связанные с организацией подсистемы ввода-вывода (технические характеристики ряда периферийных БИС, организация типовых интерфейсов ввода-вывода и средств поддержки режима реального времени), рассматриваются в гл. 3. В гл. 4 вниманию читателей предлагаются однокристальные микроЭВМ типов К1816ВЕ48 и К1816ВЕ51. Своеобразие организации этих перспективных приборов обусловлено необходимостью размещения на одном кристалле всех компонентов микроЭВМ. Гл. 5 посвящена организации законченных одноплатных микроЭВМ на базе БИС типа КР580ВМ80, рассматриваются вопросы их программирования. В гл. 6 описаны характеристики 16-разрядных микропроцессоров типов К1810ВМ86 и К1810ВМ88. С методикой построения одноплатных микроЭВМ на базе 16-разрядного микропроцессора К1810ВМ86 читатель познакомится в гл. 7.

В книге вопросы общего характера сочетаются с конкретными практическими решениями, соответствующими современным тенденциям развития микропроцессорной техники. Так, при рассмотрении более сложных организаций новых микропроцессорных БИС теоретические рассуждения позволяют более полно оценить их преимущества и недостатки.

Книга написана на основе курса лекций, читаемых в Московском физико-техническом институте, а также практического опыта авторов, полученного при разработке и отладке ряда микропроцессорных систем.

ВВЕДЕНИЕ

М икропроцессор (МП) представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких микропроцессорных БИС.

Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно-аппаратном принципе построения микропроцессорных систем, или микросистем (МС),—цифровых устройств или систем обработки данных, контроля и управления, построенных на базе одного или нескольких МП. Программно-аппаратный принцип построения МС является одним из основных принципов их организации и заключается в том, что реализация целевого назначения МС достигается не только аппаратными средствами, но и с помощью программно обеспечения—организованного набора программ и данных.

Микросистема общего назначения, содержащая кроме одного или нескольких МП память для хранения управляющих программ и данных, а также средства обмена информацией с периферийными устройствами ввода-вывода называется микропроцессорной ЭВМ (микроЭВМ). Примерами периферийных устройств ввода-вывода, с которыми микроЭВМ может обмениваться информацией, служат алфавитно-цифровая клавиатура, дисплеи, принтеры, накопители на гибких магнитных дисках и др. МикроЭВМ, совмещенная с периферийными устройствами, называется микровычислительным комплексом.

При разработке МС приходится принимать во внимание большое число особенностей МП и микропроцессорных комплектов БИС: технологических, конструктивных, временных, энергетических, эксплуатационных, функциональных и др. Функциональные особенности характеризуют логическую организацию МП и микропроцессорных БИС, принципы их построения, использования и взаимодействия. Они являются основными, так как определяют прибор как функциональный элемент МС, раскрывают его потенциальные возможности логической и арифметической обработки информации.

На современном этапе развития микропроцессорной техники практически любую МС можно отнести к одному из трех классов:

системы на базе секционированных микропроцессорных БИС с микропрограммным управлением;

системы на основе однокристальных МП с программным управлением;

системы с сокращенным набором команд.

Основой элементной базы МС первого класса служат секционированные микропроцессорные комплекты БИС с микропрограммным управлением. Главными отличительными признаками этих комплектов являются: секционированность БИС, позволяющая из малоразрядных секций создавать многоразрядные МС; наличие независимых шин адреса, данных и управления, обеспечивающих разнообразие архитектур и поточную обработку; наличие встроенных трехстабильных выходных буферов с большим коэффициентом разветвления; микропрограммируемость.

Первые секционированные комплекты, выполненные на схемах транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ), были освоены в 1974 г. К ним относятся серии 3000 фирмы Intel (США) [16] и 2900 фирмы Advanced Micro Devices (США) [26]. На их основе был спроектирован 16-разрядный центральный процессор на плате 150150 мм. Такой процессор содержал около 20 БИС, длительность его машинного цикла составляла 125 нс. К данному классу относятся отечественные микропроцессорные комплекты серий К585, К589, К1802, К1804 [40] и др. Следует отметить, что серия 2900 положила начало стандартному набору секционированных микропрограммируемых БИС, совершенствование которых продолжается до настоящего времени.

В основе систем второго класса лежат однокристальные МП с программным управлением и фиксированным набором команд. К приборам данного типа относится первый в мире промышленный 4-разрядный МП 4004 [9], выпущенный фирмой Intel в 1971 г. Этот год считают годом начала развития микропроцессорной техники. Однако надежды, возлагаемые на МП с программным управлением, полностью оправдались лишь с появлением 8-разрядного МП 8080 [59] в 1973 г. и 16-разрядного МП 8086 [27] в 1978 г., ставших типовыми представителями приборов данного класса.

Универсальность и большая функциональная насыщенность МП с программным управлением создали условия для разработки компактных и дешевых МС различного назначения [1, 17, 23, 44]. Затраты на проектирование таких систем по сравнению с МС первого класса значительно ниже, что объясняется наличием развитых средств проектирования и наборов вспомогательных и периферийных БИС, выполняющих разнообразные функции ввода-вывода и расширяющих функциональные возможности МС. Именно поэтому МС второго класса нашли самое широкое распространение в нашей практической деятельности. Вопросы, связанные с их проектированием, являются основной темой данной книги.

Среди освоенных отечественной промышленностью однокристальных МП с программным управлением можно выделить две основные группы. Первую группу представляют МП серии К1801 [37], вторую—МП серий КР580 [36], К1821 [65] и К1810 [22]. Обе группы МП имеют функционально развитую организацию, снабжены наборами разнообразных периферийных БИС, что дает разработчику широкие возможности при проектировании МС. Более детальный анализ состава и функциональных возможностей этих приборов показывает, что МП КР580, К1821 и К1810 имеют ряд преимуществ по сравнению с МП К1801 и совместимыми с ними БИС других серий. Если последние разрабатывались для применения исключительно в микровычислительных комплексах, то организация первых сориентирована на управляющие системы. По-видимому, такая функциональная ориентация групп МП не предусматривалась заранее, а сложилась исторически.

Особую группу МС с программным управлением образуют микроЭВМ с хранимым в постоянной памяти прикладным программным обеспечением. Такие системы, встраиваемые в аппаратуру потребителя и предназначенные для управления ею в реальном масштабе времени, называются программируемыми микроконтроллерами. Интерес к организации микроконтроллеров и принципу их использования возрос с появлением в конце 70-х гг. однокристальных приборов этой группы.

В течение четырех лет, начиная 1976 г., фирмой Intel разрабатывалось получившее широкое распространение семейство 8-разрядных однокристальных микроконтроллеров с программным управлением iMCS-48, базовым представителем которого является прибор 8048 [44, 60]. Заложенная в те годы архитектура семейства считается стандартной. Появилось множество кристаллов, архитектурно совместимых с iMCS-48. К их числу принадлежат отечественные однокристальные микроЭВМ типов К1816ВЕ35 и К1816ВЕ48 [17, 21].

Вычислительные возможности первых однокристальных микроЭВМ были исчерпаны уже к началу 80-х гг. Встала задача разработки новых микроконтроллеров, обладающих расширенными функциональными ресурсами. Среди предложенных новых архитектур однокристальных микроЭВМ следует выделить 8-разрядную архитектуру семейства микроконтроллеров iMCS-51 [32], предложенного фирмой Intel в 1981 г. Она удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к однокристальным микроконтроллерам, и является доминирующей до настоящего времени. Отечественной промышленностью освоено производство БИС типа К1816ВЕ51.

Новое направление развития микропроцессорной техники сложилось в 1984—1986 гг. Это МС третьего класса, которые известны как системы с сокращенным набором команд (RISC—Reduce Instruction Set Computer). Организация RISC подчинена задаче достижения максимальных скоростей. Основная ее особенность состоит в использовании небольшого набора часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один микротакт центрального процессора. Более сложные редко используемые команды реализуются на программном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости исполнения сокращенного набора команд средняя производительность RISC-процессоров оказывается выше, чем у обычных МП.

Глава 1.

ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОСИСТЕМ

1 .1. Понятия организации и архитектуры

Под организацией МС понимают состав ее программно-аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. Микросистемы имеют многоуровневую иерархическую организацию со многими составными компонентами на каждом уровне. С нижним уровнем функционального описания МС и ее составляющих связано понятие физической организации МС—ее принципиальная схема. Термин логическая организация относится к более высоким уровням описания МС. Так, логическая организация на уровне аппаратуры—это состав, функциональные связи и характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе выполнения различных задач, которые обычно называют структурной схемой или структурой. Рассматривая логическую организацию на уровне программного обеспечения (ПО), говорят о вычислительной среде и ее особенностях.

Конечная цель проектирования МС—создание работоспособного и оптимального изделия на базе одного или нескольких МП. Возможность ее достижения определяется в первую очередь выбором рационального соотношения между программными и аппаратными средствами МС. Для этого вводится понятие архитектуры.

Архитектура МС—это функциональные возможности аппаратных средств МС, используемые для представления программ и данных, а также для управления процессом вычислений [29]. Архитектура служит примером вычислительной среды нижнего уровня, связанной непосредственно с аппаратурой МС.

Микросистемам, построенным на основе микропроцессорных комплектов (МПК) младшего поколения, свойственны более простые архитектуры, что было важно для интегральной технологии прошлого десятилетия. Однако вычислительные возможности и быстродействие этих систем, как правило, были низки. Усовершенствование технологических приемов позволило увеличить степень интеграции аппаратуры и перейти к сложным 16-разрядным архитектурам с виртуальной памятью, обеспечивающим параллельную обработку многих задач в реальном масштабе времени [55, 60].

Микросистема состоит из построенного на базе МП центрального процессора (ЦП), основной памяти для хранения программ и данных, а также подсистемы ввода-вывода (ВВ) для связи МС с внешней аппаратурой (рис. 1.1). Задача управления МС возлагается на ЦП, который связан с памятью и подсистемой ВВ через каналы памяти и ВВ соответственно. Центральный процессор считывает из памяти МС команды, которые образуют программу, и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти МС и портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода подсистемы ВВ. Существует также возможность ВВ данных из памяти на внешние устройства и обратно, минуя ЦП. В этом случае обмен данными выполняется через канал прямого доступа к памяти (ПДП) [20, 25, 41], управление которым возлагается на подсистему ВВ. Иногда выделяются средства поддержки режима реального времени, в простейшем случае разделяемые процессором и подсистемой BВ.

Рис. 1.1. Базовая организация микросистем

Каждый уровень организации МС и любая ее составная часть имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, детализация которой приводит к появлению различных типов структур и вычислительных сред. В соответствии с используемым в МС принципом программного управления их организация в значительной степени определяется методологией построения больших вычислительных систем. Однако из-за особенностей производства МПК БИС и их применения организация МС приобрела ряд черт, не свойственных большим ЭВМ.