Глава 1

ВВЕДЕНИЕ В МИКРОПРОЦЕССОРНУЮ ТЕХНИКУ

С появлением (в начале 70-х годов) первого изделия микроэлек­тронной вычислительной техники — микропроцессора, вычисли­тельные устройства на его базе завоевывают мир. В настоящее вре­мя невозможно указать область деятельности, в которой вычисли­тельная машина была бы не способна помочь человеку или даже полностью его заменить, да и сам человек уже не может отказаться от помощи вычислительных машин, на которые он перекладывает свой непроизводительный труд. Вычислительные машины 50— 60-х гг. обладали теми же функциональными возможностями, что и современные микро ЭВМ. Однако вести семейный бюджет или управлять двигателем автомобиля с помощью ЭВМ, которая зани­мает площадь более 100 м², требует обслуживания штатом высоко­квалифицированного персонала и стоит в сотни раз больше, чем сам автомобиль, было бы абсурдным. Использование же современ­ных микроЭВМ для этих целей не только возможно, но и экономи­чески оправдано.

Широчайший спектр применений микроЭВМ, который ограни­чивается не столько их техническими возможностями, сколько воображением и инициативой разработчиков, обусловлен следу­ющими основными свойствами микропроцессорной вычислительной техники (МпВТ).

Универсальность. Любое вычислительное устройство, построен­ное на микропроцессорной основе, функционирует в соответствии с основным принципом работы цифровых вычислительных машин — принципом программного управления, что придает ему алгоритми­ческую универсальность. Таким образом, любая задача, алгоритм решения которой известен, может быть решена с помощью средств МпВт;

Гибкость. Средства МпВТ способны к быстрой и легкой пере­стройке в соответствии с требованиями и условиями конкретного применения;

Миниатюрность. Средства МпВТ имеют незначительные разме­ры, что позволяет встраивать их в различные изделия или исполь­зовать в обычных помещениях;

Микромощность. Современные технологии микроэлектроники обеспечивают создание интегральных схем с потребляемой мощно­стью в единицы или даже сотые доли ватта. Суммарное потребление электроэнергии законченным вычислителем может составлять от де­сятых долей до десятков ватт;

Дешевизна. Затраты на производство больших интегральных схем при массовом выпуске незначительны. Как следствие, стои­мость средств МпВТ мала настолько, что, во-первых, они становятся доступны частным лицам, и, во-вторых, включение вычислителя в со­став некоторого изделия несущественно повышает цену последнего;

Надежность. Малое количество элементов и межэлементных соединений в устройствах МпВТ, возможность автоматического контроля и диагностики значительно увеличивают время безот­казной работы изделия в целом, сокращают расходы на его обслу­живание.

Благодаря этим свойствам МпВТ является уникальным сред­ством повышения интеллекта окружающей человека технической среды.

1.1. Средства микропроцессорной вычислительной техники

Ядром микропроцессорной вычислительной техники является базовое изделие современной микроэлектроники — микропроцес­сор (рис. 1.1). Термин микропроцессор (МП, microprocessor, µP, µCPU) обозначает одну или несколько больших интегральных микросхем, выполняющих функции центрального процессора уни­версальной цифровой вычислительной машины по обработке циф­ровой информации и управлению процессом обработки. Микро­процессор состоит из арифметико-логического устройства, устрой­ства управления и синхронизации, регистров общего назначения, Микропроцессор является центральным элементом микропроцес­сорного семейства (microprocessor family) — набора (совокупности серий) больших интегральных микросхем, обеспечивающих по­строение микропроцессорных вычислительных устройств и систем с широким спектром системных и технических характеристик. Се­мейство состоит из микросхем, совместимых по своим электрическим, конструктивным и системным параметрам, но различных по своему функциональному назначению: микропроцессоры, сопроцессоры, элементы оперативной и постоянной памяти, микросхемы обрамле­ние интерфейсные схемы и т. п.

На элементах микропроцессорного семейства строятся одно­платные микроЭВМ (single board computer, SBC). Одноплатная микроЭВМ — это цифровая вычислительная машина, вернее, ее «электронная» часть, выполненная в виде единого модуля на одной плате. Одноплатные микроЭВМ предназначены для построения вы­числительных устройств, встраиваемых в законченные изделия. Как правило, они включают микропроцессор со схемами обрамле­ние, элементы постоянного и оперативного запоминающих устройств, интерфейсные схемы для организации параллельного и последова­тельного ввода-вывода, схемы обработки запросов на прерывания и схемы, обеспечивающие подключение к стандартной системной шине. Для расширения возможностей одноплатных микроЭВМ и по­строения более мощных вычислителей выпускаются наборы совме­стимых модулей — семейства микропроцессорных модулей.

Рис. 1.1. Средства микропроцессорной вычислительной техники

Все модули семейства изготавливаются в виде плат одного (может быть нескольких) стандартного размера, имеющих выход на некоторую системную шину, по которой осуществляется межмодульный обмен информацией. В состав семейства модулей, как правило, входят: одноплатные микроЭВМ, математические (арифметические) расши­рители, расширители оперативной и постоянной памяти, контро­леры периферийных устройств и прямого доступа к памяти, много­канальные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модули ввода-вывода дискретной информации и т. д.

Наиболее распространенное и широко известное изделие микро­процессорной вычислительной техники — микроЭВМ (микроком­пьютер, microcomputer). Под микроЭВМ обычно понимается закон­ченная цифровая электронная вычислительная машина, построен­ная с использованием элементов микропроцессорного семейства и/или микропроцессорных модулей и снабженная необходимыми периферийными устройствам и программным обеспечением. Прак­тически все средства МпВТ в рамках одной системы (семейство модулей, одноплатные и законченные микроЭВМ) строятся с ис­пользованием принципов магистрально модульной организации:

стандартный интерфейс, конструктивная совместимость, единое программное обеспечение. Соблюдение этих принципов приносит существенные материальные выгоды: снижение затрат на производ­ство компонент и его распараллеливание между разными изготови­телями (многие конкурирующие фирмы выпускают совместимые между собой модули), простота построения, наращивания и рекон­фигурации вычислителей, упрощение их эксплуатации и обслу­живания.

Человек, который работает с микропроцессорной вычислитель­ной техникой, будь то инженер, решающий задачу проектирования некоторой схемы на персональной ЭВМ, либо домохозяйка, готовя­щая обед на плите с микропроцессорным управлением, непосред­ственно взаимодействует не с микропроцессором или запоминающим модулем, а с периферийными устройствами и программным обеспе­чением. Термином периферийные устройства (peripheral devices) обозначают любые устройства ввода, вывода и долговременного хранения информации, подключаемые к вычислительной машине. Иными словами, периферия — это «органы осязания» ЭВМ, ее глаза, уши, голосовые связки.

Все вышеперечисленное часто определяют одним термином — аппаратные средства МпВТ (hardware). Однако аппаратура сама по себе мертва и оживить ее можно только с помощью программного обеспечения (software), которое предназначено для организации целенаправленного функционирования вычислительной машины для достижения поставленной цели. Например, для организации диалога с клиентом при продаже билетов в автоматической кассе или расчета очередного хода при игре в шахматы на домашней ЭВМ.