Знакомство с устройством и принципом работы микроЭВМ

Лабораторная работа №

Микропроцессором называют построенное на одном или нескольких БИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управления им. Микропроцессор (МП) вместе с другими БИС, специализированными для решения конкретных технических задач, приспособленными для совместного применения, образует микропроцессорный комплект (МПК). Из БИС, входящих в состав МПК, конструируют микропроцессорные системы (МПС) различной сложности, конфигурации и назначения: вычислительные, контрольно-измерительные и управляющие системы. Такой метод значительно облегчает разработку и эксплуатацию МПС.

Обычно МПК включает в себя центральный процессорный элемент (ЦПЭ), часто называемый просто МП, генератор тактовых сигналов, таймер и сервисные интерфейсные БИС (регистры, шинные формирователи, программируемые интерфейсы, контроллеры …), осуществляющие связь с внешними объектами.

Один из наиболее развитых отечественных МПК серии К580 (КР580) характеризуется большим выбором унифицированных сервисных БИС, обеспечивающих простое сопряжение с внешними устройствами. МПС, созданные на основе этого комплекта, имеют развитое программное обеспечение. МПК серии К580 широко применяется при создании средств вычислительной техники: устройств локальной автоматики, контроллеров измерительных приборов и периферийных устройств, микроЭВМ для управления технологическими процессами и измерительными системами, персональных микроЭВМ.

ЦПЭ этого комплекта КР580ВМ80А (КР580ИК80А) – однокристалльный МП с фиксированной системой команд.

Его основные характеристики:

Технология изготовления	n-МОП
Разрядность шины данных
Максимальная тактовая частота, МГц	2,5
Быстродействие (количество операцийтипа регистр-регистр	в с) 625000
Потребляемая мощность, мВт
Напряжение источников питания, В
U1	+12
U2	+5
U3	-5
Зарубежный аналог	Intel 8080

К достоинствам МПК серии 580 следует отнести сравнительную простоту разработки и эксплуатации МПС, малую потребляемую мощность, дешевизну. К недостаткам – относительно низкое быстродействие, наличие трёх источников питания, иногда 8-разрядную организацию данных. Эти недостатки преодолеваются в МПК следующих серий: 1800, 1810.

БИС КР580ВМ80А (рис. 1) имеет 40 выводов, они распределяются следующим образом:

8 – двунаправленная шина данных (ШД).

16 – однонаправленная шина адреса (ША).

3 – синхросигналы (С1 и С2 для входа тактовых сигналов Ф1 и Ф2, С – для входного синхросигнала SYNC).

4 – входные управляющие сигналы, поступающие на МП от генераторов тактовых импульсов (ГТИ) и внешних устройств:

а) ГТ – готовность; на вход ГТ поступает «1» от внешнего устройства, если оно готово к передаче данных;

б) СБР – сброс;

в) ЗХ – захват шин; сигнал «1» на входе ЗХ запрашивает у МП разрешение на перевод ШД и ША в высокоомное состояние (МП отключается от внешних устройств);

г) ЗПР – запрос на прерывание.

5 – выходные управляющие сигналы, вырабатываемые МП и управляющие работой внешних устройств:

а) ПМ – приём с ШД. Сигнал «1» на выходе ПМ показывает, что МП находится в состоянии приёма с ШД;

б) ВД – выдача на ШД. Сигнал «0» на выходе ВД показывает, что МП находится в состоянии выдачи данных на ШД;

в) ПЗХ – подтверждение захвата. Сигнал «1» на выходе ПЗХ показывает, что ШД и ША находятся в высокоомном состоянии;

г) ОЖ – ожидание. Сигнал «1» на выходе ОЖ говорит о том, что МП находится в состоянии ожидания данных;

д) РПР – разрешение прерывания. Сигнал «1» на выходе РПР указывает на то, что разрешено прерывание работы МП для обслуживания внешних устройств.

4 – питающие БИС.

В лабораторной работе изучается микроЭВМ, УМПК.80, сконструированная основе МПК серии КР580, внешний вид которой представлен на рис. 2, а функциональная схема на рис. 3. В микроЭВМ использованы следующие БИС из комплекта:

а) центральный процессор КР580ВМ80А;

б) тактовый генератор КР580ГФ24;

в) буферные регистры КР580ИР82, КР580ИР83;

г) шинный формирователь КР580ВА86;

д) системный контроллер и шинный формирователь КР580ВК28.

УМПК.80 (рис. 2 и 3) состоит из МП, памяти (ОЗУ – КР537РУ8, ПЗУ – 556РТ7), устройств ввода (клавиатура, клавиши имитации внешнего устройства), устройств вывода (цифровой дисплей, порт вывода). Сопряжение этих основных частей микроЭВМ сделано с помощью БИС МПК серии 580 и ИМС (логические элементы, триггеры, дешифраторы, буферные усилители) серий 555, 561, 155.

ЦПЭ состоит из операционного блока (ОБ) и устройства управления (УУ). ОБ включает в себя восьмиразрядное АЛУ, буферные регистры, регистр аккумулятор, регистр признаков, регистры общего назначения (РОН) и схему десятичной коррекции. Структура ОБ и его принцип действия рассматривались в предыдущих лабораторных работах, поэтому лишь конкретизируем особенности МП КР580ВМ80А. РОН данного МП содержит шесть программнодоступных восьмиразрядных регистров B, C, D, E, H, L, предназначенных для приема, хранения и выдачи информации в процессе выполнения программ. Эти регистры можно использовать и как 16-разрядные, включая их попарно: B-C, D-E, H-L. Вспомогательные регистры W и Z недоступны программисту и служат для записи второго и третьего байта команды. Схема десятичной коррекции преобразует двоичный код в двоично-десятичный.

Прежде чем приступить к объяснению работы УУ, напомним основные идеи, на которых базируется работа ЭВМ.

· Работа ЭВМ сводится к выполнению заданной программы.

· Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности команд на каком-либо языке программирования.

· Команды программы располагаются в строго последовательных ячейках ОЗУ (за исключением команд перехода или передачи управления). Команда является предписанием на выполнение той или иной операции (или операций) над определёнными данными (операндами). Отсюда следует, что команда должна состоять из двух структурных частей: операционной – содержащей сведения о предписанной операции и адресной – содержащей сведения о задействованных операндах и месте помещения результата.

Следует различать команды языка программирования высокого уровня (Бейсик, Паскаль, Фортран и др.) и команды МП. Почти каждая команда языка программирования высокого уровня вызывает целую последовательность действий, выполняемых ЭВМ. В случае команды МП мы имеем дело с некоторым элементарным действием, которое должен совершить МП. Команды языков программирования строятся по типу подпрограмм из этих элементарных команд МП. Каждый тип МП БИС может выполнять только свой строго фиксированный набор (систему) команд. Так, МП БИС КР580МВ80А может выполнять 244 элементарные команды и ничего более. Любая сложная команда языка высокого уровня для ЭВМ, построенной на основе этого процессора, должна быть комбинацией только из этих 244 команд.

Длина команды МП БИС КР580ВМ80А может составлять один, два или три байта. Первый байт каждой команды является ее операционной частью и содержит код операции (КОП) в результате дешифрации которого УУ микропроцессора вырабатывает соответствующие управляющие сигналы. Второй и третий байты команды (если они есть) содержат или непосредственно операнд или указание о начальном или конечном адресе операнда. Конкретная структура и формат команды зависят от принятого в ней способа адресации, т.е. вычисления адреса операнда. Способы адресации, используемые в МП БИС КР580ВМ80А будут рассмотрены ниже.

Как МП выполняет команду? В общем случае алгоритм выполнения команды таков:

1. Вычисление адреса ЯП, где хранится команда.

2. Выборка кода операции (КОП).

3. Дешифрация КОП.

4. Вычисление адресов операндов.

5. Выборка операндов.

6. Исполнение операции, предписанной КОП, и запись результата.

В некоторых случаях какие-либо этапы могут быть опущены.

Процесс выполнения любой команды разбивается на машинные циклы, обозначаемые М1, М2, М3, и т.д.

Под машинным циклом понимается процедура извлечения одного байта информации из памяти или внешних устройств. Машинный цикл определяется временем извлечения одного байта информации из памяти или внешних устройств. В зависимости от типа команды ее исполнение занимает от 1 до 5 машинных циклов. Всего МП БИС КР580МВ80А способна исполнять 10 типов машинных циклов: выборка КОП команды из ЗУ (М1), чтение из ЗУ (М2), запись в ЗУ (М3), чтение из УВВ (М4), запись в УВВ (М5), чтение из стека (М6), запись в стек (М7), подтверждение прерывания (М8), подтверждение останова (М9), подтверждение прерывания при останове (М10).

Следует четко понимать, что любая из 244 команд МП будет выполнена соответствующей комбинацией этих циклов. Таким образом, вся работа ЭВМ состоит в выполнении машинных циклов в заданной последовательности. О типе необходимого по программе машинного цикла извещает управляющее слово (байт состояния, слово признаков цикла, статусное слово). Десяти типам машинных циклов соответствует десять 8-разрядных управляющих слов [1, с. 78].

Рассмотрим структуру и принцип работу УУ МП БИС КР580ВМ80А. УУ содержит регистр команд (РК), дешифратор команд и формирователь машинных циклов, устройство управления и синхронизации, программный счетчик (РС); регистр инкремента-декремента адреса, буферный регистр адреса (РА). В блок регистров входят указатель стека (SP) и регистры W и Z (рис. 2 и 3).

Рассмотрим последовательность действий, совершаемых УУ при выполнении команды. Первым циклом любой команды является цикл М1 – выборка КОП: первый байт команды (КОП) считывается из памяти и записывается в регистр команд. УУ дешифрует команду и формирует слово признаков цикла, которое записывается в регистр системного контроллера и хранится в течение всего машинного цикла. Системный контроллер, используя слово признаков цикла и управляющие сигналы на выходах УУ микропроцессора (ПМ, ВД, ПЗХ), вырабатывает сигналы, управляющие работой внешних устройств:

- чтение ввода-вывода (ЧВВ);

- запись ввода-вывода (ЗВВ);

- чтение данных из запоминающего устройства (ЧЗУ);

- запись данных в запоминающее устройство (ЗЗУ);

- подтверждение прерывания (ППР).

Устройство управления и синхронизации вырабатывает и сигналы, управляющие ОБ и блоком регистров (управляющие сигналы микроопераций), а также сигналы, синхронизирующие работу всей микроЭВМ. Программный счетчик (РС) предназначен для хранения текущего адреса команды, который автоматически увеличивается в процессе выполнения команды на 1, 2, или 3 в зависимости от количества байтов в выполняемой команде. Инкремент-декремент адреса – управляемый адресный регистр, который может принимать информацию от других регистров и передавать ее в буферный регистр адреса, причем может сопровождать передачу слов увеличением на единицу (инкрементированием) или уменьшением на единицу (декрементированием), что упрощает адресацию. Связь блока регистров с внутренней шиной данных осуществляется через мультиплексор. Выбор нужного регистра производится селектором регистров. Все узлы МП БИС связаны между собой внутренней шиной данных и шиной управления.

Каждый машинный цикл выполняется за 3-5 тактов. В каждом такте МП выполняет строго определенное действие. Рассмотрим, как выполняется цикл М1 (выбор КОП) и какие действия выполняет УУ МП в каждом такте.