Новые уловки телефонных мошенников, на которые может попасться каждый

Микропроцессорная техника

Микропроцессорная техника предназначена для логической и арифметической обработки информации на основе принципа программного управления. Микропроцессоры, основанные на больших интегральных схемах, включают в себя программный счетчик, предназначенный для хранения адреса команды, подлежащей выполнению; регистр команды, который принимает выбранную из памяти программ команду и хранит ее в течение цикла выполнения команды; указатель последней занятой ячейки памяти; регистры общего назначения, представляющие собой сверхоперативную память микропроцессора; аккумулятор, который является источником и приемником информации; арифметико-логическое устройство, предназначенное для обработки данных; регистр, на котором формируются признаки результатов операций.

Возможности ЭВМ во многом зависят от микропроцессоров, от уровня больших интегральных схем. Если в конце 50-х годов один монокристалл содержал одну деталь схемы, то в настоящее время реализуются схемы со степенью интеграции до 105 элементов на кристалл, и предел еще не достигнут.

Целью настоящей книги является – научить читателя основам микропроцессорной техники. Предполагается некий начальный уровень знаний в радиотехнике. Я определяю этот уровень, как специалист или любитель, знакомый с радио и импульсной техникой. В задачи этой книги не входит объяснение, что такое резисторы, конденсаторы или транзисторы. Предполагается, что читатель знаком с этим и с схемотехникой аналоговых устройств, но стремится узнать, что такое микропроцессорные устройства и научиться самому конструировать их. В начале книги раскрываются общие принципы цифрового представления сигнала, раскрываются такие понятия, как логические элементы, цифровой сигнал, принципы хранения и обработки цифровой информации. А так же описывается принцип работы тех элементов цифровой техники, которые понадобятся нам в дальнейшем, когда мы будем учиться строить микропроцессорную систему. Описание всех этих элементов дается в книге лишь в той мере, в которой это нужно для быстрого понимания основных принципов построения микропроцессорных систем. Для более полного понимания работы каждого элемента рекомендую обратиться к моему сайту под названием «Цифровые микросхемы и микропроцессоры» http:// www.mirmk.ru .

В качестве примера микропроцессорного устройства в данной книге взята реальная конструкция, разработанная автором – позиционер спутниковой антенны. Позиционер предназначен для автоматизации управления поворотом бытовой спутниковой антенны. Он способен запомнить до 99 позиций (направлений на спутник), а затем автоматически устанавливать антенну в любую из этих позиций. Для этого необходимо лишь выбрать номер этой позиции при помощи пульта дистанционного управления, либо при помощи кнопок на передней панели прибора. Схема и программа позиционера были разработаны автором книги. Опытный образец был изготовлен и испытан с применением стандартного фирменного поворотного устройства (мотор, редуктор, геркон-датчик) иностранного производства. Контроллер выполнен на основе микроконтроллера AT 89C 2051 фирмы Atmel (www.atmel.com или www.atmel.ru ). В связи с этим изучение микропроцессоров так же будет проводиться на примере процессора AT 89C 2051. В настоящее время фирма Atmel перешла на более современные процессоры типа AVR . Однако построение микропроцессорных устройств на данном процессоре с моей точки зрения вполне оправдано, так как его параметры прекрасно подходят для этой задачи, а цена процессора AT 89C 2051 существенно ниже по сравнению с любым процессором из семейства AVR .

В книге подробно разбирается принципиальная схема позиционера, каждого его узла. Затем приводится структура управляющей программы. Полный текст программы дается в приложении (дискета). В последних главах описываются основные приемы программирования, на примере конкретных программных модулей.

Автор надеется, что эта книга будет полезна широкому кругу специалистов и радиолюбителей и будет благодарен за любые замечания и комментарии по книге. Все замечания прошу высылать по адресу Крым, г. Симферополь, ул. Русская, 194 или по E -mail : avbelov@ ukr.net . Нужно заметить, что публикуемый здесь текст - это самый первый черновой вариант книги. Со времени его написания книга была написана полностью, издана в 2004 году. Затем книга претерпела довольно значительные изменения, выдержала уже около десяти переизданий. Самое последнее издание книги вы можете заказать в бумажном варианте по льготной цене перейдя на этом сайте на соответствующую страницу

Ликбез для начинающих

Глава 1. Что же такое микропроцессор.

Что же такое микропроцессор. И чем он отличается от микроконтроллера?

Вообще то процессор – это одна из составных частей компьютера. До того, как изобрели микропроцессор (то есть процессор на одной микросхеме) существовали целые процессорные блоки. В больших компьютерах. Для прояснения вопроса нужно понимать, что же такое компьютер. Компьютер – это устройство для автоматической обработки информации. Причем информация в компьютере представляется в виде чисел. Любая компьютерная система состоит из следующих основных частей: Процессор, Блок памяти, Порты ввода вывода. В нашу задачу не входит изучение древних видов компьютеров. В дальнейшем речь пойдет о микропроцессорах и микроконтроллерах. Итак:

ü Память. Это набор ячеек, в каждой из которых хранится одно число. Причем это не совсем то число, с которым мы с вами привыкли иметь дело. Это упрощенное компьютерное число. Обычно каждая ячейка памяти может хранить число принимающее значения от нуля до 255. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

ü Порты ввода/вывода. Это некие микросхемы, при помощи которых микропроцессорная система может общаться с внешним миром. Через порты ввода компьютерная система получает информацию из вне, а через порты вывода она выдает результаты своей работы и управляет внешними устройствами. Только благодаря этим самым портам ввода/вывода к компьютеру, подключаются такие устройства, как клавиатура, мышь, дисководы, CD -ROM и т.д. Те читатели, которые знакомы с компьютерами, возможно, слышали термины «параллельный порт» (LPT ) и «последовательный порт» (COM ). Так вот в данном случае речь идет совсем о другом понятии. Это просто схожие термины. Параллельный и тем более последовательный порты компьютера – это целые, достаточно сложные схемы, которые в свою очередь управляются как раз таки при помощи портов ввода/вывода. Не нужно так же думать, что клавиатура и мышь используют только порты ввода, а дисплей порт вывода. Для управления большинством устройств компьютера используются как порты ввода, так и порты вывода микропроцессорной системы. Возможно, вы удивлены, что я называю внешними устройствами и жесткий диск и флоппи дисковод. Там, внутри компьютера, скрыто еще много устройств, которые по отношению к микропроцессору являются внешними, хотя находятся зачастую не только внутри компьютера, но и непосредственно на материнской плате – главной плате компьютера.

ü Процессор. Процессор – это самая главная часть, сердце всей системы. Он предназначен для того, что бы выполнять различные последовательности действий с числами в памяти и с данными в портах ввода/вывода. И всего то!

Все три части вычислительной системы связаны между собой, так называемыми шинами данных. По этим шинам передаются цифровые сигналы от процессора к модулю памяти и портам ввода/вывода и обратно к процессору.

Что же может делать процессор с этими числами? Да то, что вообще с ними можно делать. Он может читать их из различных ячеек памяти, складывать, вычитать, сравнивать, затем записывать в те же или в другие ячейки памяти. Еще он может выполнять логические (Булевы) операции с числами (что это такое я подробно опишу ниже). Более мощные процессоры могут даже умножать и делить числа. Ну и кое, какие специальные операции, которые мы обязательно будем разбирать, когда будем подробнее изучать работу микропроцессора.

С портами ввода/вывода процессор делает гораздо меньше операций, чем с ячейками памяти. Ведь порты ввода – это устройства, на которые извне поступают какие либо электрические сигналы и процессор считывает их в виде все те же цифр. А порты вывода – это некие устройства, на которые процессор может подавать различные цифры. И эти цифры, превращаются в электрические сигналы, которые управляют, какими ни будь внешними устройствами.

Вот, в принципе и все, что может процессор. Но этого хватает, что бы выполнять все те чудеса, которые мы привыкли видеть от компьютеров. Оказывается все на свете можно описать цифрами. И текст, и изображение, и звуки, в том числе музыку. Хорошо поработали ученые – математики. Они сумели разработать математические модели всех этих процессов. Только считай по быстрее! А современные процессоры это могут! Конечно, современные процессоры имеют гораздо больший набор команд. Но, в основном, это специализированные групповые команды, заменяющие какой ни будь часто используемый набор более простейших. Наша книга не ставит перед собой задачи изучения современных микропроцессоров для персональных компьютеров. Наша задача – небольшие специализированные микропроцессорные устройства. Такие, как, например какой ни будь хитрый таймер, система управления стиральной машиной или блок управления спутниковой антенной. Они имеют общее название: микропроцессорные контроллеры. Вот на это и направим свой взор.

Ну, так что же это за такое чудесное устройство – микропроцессор. Он и читает и вычисляет и записывает и столько разных умных вещей делает! Как же он это все умеет. Видимо очень умная микросхема? На самом деле микропроцессор – это просто автомат, который выполняет, заложенные в нем операции по ПРОГРАММЕ. Программа – это последовательность команд для процессора, записана в той же самой памяти, то же в виде цифр. Иногда, правда память делится на две части: память программ и память данных. В процессоре заложен простой алгоритм. Сразу после включения или после прихода сигнала сброса (Reset ) процессор начинает читать из той области памяти, которая отведена для хранения программ, по очереди число за числом. Каждым таким числом закодирована команда. Команда – это одно из действий, которое может выполнить микропроцессор. Число, которым закодирована команда, называется код операции. Процессор читает код операции, выполняет эту операцию. Затем читает следующий код, опять выполняет. Так он последовательно читает эти коды и выполняет их. Это и есть процесс выполнения прграммы. А кто же записал эти коды в память? Программист! Программист сначала придумал программу. Затем записал ее в микросхему памяти. Вставил микросхему в микропроцессорную систему и включил питание. Система заработала. Вот вам и умная машина. Вульгарный автомат.

В микропроцессорных контроллерах для хранения программ используют так называемые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). По-английски это звучит как ROM (read only memory ). Они называются постоянными потому, что после записи туда информации она там не меняется. Запись – это специальный процесс, выполняемый при помощи специальных устройств – программаторов ПЗУ. Информация в них хранится за счет прожигания определенных областей микросхемы. Прошил раз и пользуешься этой информацией долгое время. Для хранения программы микропроцессорного контроллера это как раз очень подходит. Микропроцессор может только читать из такой памяти. Записать туда он ничего не сможет. Если же он попробует записать туда информацию, ничего страшного не произойдет. В памяти останется то, что там было до попытки записи. Кроме постоянного запоминающего устройства в системе должна быть обязательно память, выполненная на микросхемах оперативной памяти. То есть оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). По-английски RAM . В эту память процессор может, записывать информацию, а затем читать ее. Ни одна программа не обходится без некоторого количества ячеек памяти для хранения множества промежуточных результатов и вспомогательных величин. Для этих целей и служит ОЗУ.

Ну а что же такое микроконтроллеры. Иногда мы читаем «Микроконтроллер AT 89C 2051». Микроконтроллер - это дитя дальнейшей интеграции, это целая микропроцессорная система на одном кристалле! Одна микросхема содержит в себе все составляющие микропроцессорной системы: память, порты ввода/вывода и собственно процессор. Кроме того, там часто располагаются некоторые внешние (по отношению к процессору) устройства (такие устройства часто называют «периферийными»): таймеры, устройства прерывания, компараторы и др. Значения этих, пока непонятных терминов вы узнаете из последующих глав. Вообще с понятиями «микропроцессор» и «микроконтроллер» существует некоторая путаница. То, что я сейчас назвал микроконтроллером, иногда тоже называют микропроцессором. Что бы понять - о чем идет речь, следите за контекстом подаваемой информации.

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Микропроцессор МП это обрабатывающее и управляющее устройство способное под программным управлением выполнять обработку информации принятие решений ввод и вывод информации и выполненное в виде одной или нескольких БИС. используемое для временного хранения информации в процессе работы МП. В отличие от ПЗУ в ОЗУ возможно как считывание так и запись информации по сигналам Чт и Зап в ячейку адрес которой находится на ША. По сигналу Вв ввод на ШУ происходит передача информации от внешнего устройства на ШД а по сигналу Выв вывод...

Лекция 12

Микропроцессорная техника

1 Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты

1.1 Определение микропроцессора

В начале 70-х годов успехи технологии в микроэлектронике привели к созданию новой элементной базы электроники - микроэлектронных больших интегральных схем (БИС) {модуль 1 глава 1.6.3}. По степени интеграции (количеству активных элементов: диодов и транзисторов) интегральные схемы (ИС) условно подразделяются на ИС малой степени интеграции - до 100 активных элементов, средней степени интеграции (СИС) - до 1000 активных элементов, БИС - свыше 1000 активных элементов, СБИС - свыше 10000 элементов. Выпуск новой БИС при современном уровне автоматизации проектирования - очень сложный и дорогой процесс из-за больших первоначальных затрат на разработку ее логической структуры и топологии, изготовления фотошаблонов и технологической подготовки производства. Это 0,5-1 год работы большого коллектива. Поэтому изготовление БИС экономически оправдано при их выпуске, исчисляемом десятками-сотнями тысяч штук в год. Выпускать специализированные БИС для каждого конкретного применения практически не реально. В результате поиска областей массового применения микросхем с высоким уровнем интеграции их разработчиками была предложена идея создания одной универсальной БИС или некоторого набора БИС, специализация которых для каждого конкретного случая применения достигается не схемно, а программно. Так появились стандартные универсальные элементы - микропроцессорные БИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.

Микропроцессор (МП) – это обрабатывающее и управляющее устройство, способное под программным управлением выполнять обработку информации, принятие решений, ввод и вывод информации и выполненное в виде одной или нескольких БИС.

1.2 Технология изготовления МП БИС

Существуют два вида технологии изготовления БИС: биполярная - основанная на применении биполярных транзисторов и МОП (металл - окисел - полупроводник) - технология, основанная на использовании полевых транзисторов.

БИС, изготавливаемые по биполярной технологии, различаются по схематическим способам реализации. В основном применяется транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ) и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). В логике ТТЛШ используются биполярные n-p-n транзисторы, дополненные диодами Шоттки (ДШ). ДШ представляет собой выпрямительный контакт на границе металл-полупроводник Al-nSi. В металле и кремнии основные носители одного и того же типа - электроны, а неосновных носителей нет. ДШ открываются при U=0,1-0,3 В и имеют крутую вольт-амперную характеристику. Они подключаются параллельно коллекторному переходу n-p-n транзистора и образуют транзистор Шоттки, изготавливаемый в едином технологическом процессе. Применение ДШ значительно повышает быстродействие транзистора, так как устраняется насыщение коллекторного перехода и нет рассасывания зарядов в нем.

В МОП технологии {модуль 1 глава 1.5.5} можно выделить 3 схемотехнических способа реализации БИС: МОП с проводимостью канала р - или n -типа (р -МОП или n -МОП) и комплементарная МОП технология (КМОП). КМОП технология использует пары МОП транзисторов n -типа и р -типа, соединенные последовательно (рис.1-1). При любом сигнале на входе один из транзисторов открыт, другой - закрыт. Поэтому ток, протекающий по цепи, очень мал. КМОП БИС имеют наименьшую потребляемую мощность по сравнению с другими видами.

По МОП технологии первые МП БИС (р-МОП) были изготовлены в 1971 г. В них используется управление р -каналом, где основными носителями зарядов являются дырки. Поэтому быстродействие БИС сравнительно невелико. Позднее появились БИС типа n-МОП и КМОП, которые и сейчас широко применяются.

ЭСЛ логика основана на применении дифференциального усилителя на двух транзисторах с соединенными эмиттерами (рис.1-2.). Она обеспечивает самое большое быстродействие, но потребляет большую мощность.

Основные данные для некоторых МП БИС приведены в таблице.1

1.3 Структура микропроцессорных систем

Все многообразие МПС основано на применении МП двух типов:

а) однокристальных МП с фиксированной разрядностью слова и с фиксированной системой команд (с жестким управлением);

Б) многокристальных (секционных) МП с изменяемой разрядностью слова и с микропрограммным управлением.

Рассмотрим особенности их структуры.

1.3.1 Структура МПС на основе МП с жестким управлением

Рис.1-3

Связь отдельных элементов МПС между собой и с внешними устройствами осуществляется с помощью трех шин. Каждая шина представляет собой магистраль, состоящую из нескольких (8-16) линий.

ША - шина адреса, по которой передаются адреса ячеек памяти и внешних устройств;

ШД - шина данных, по которой информация вводится в МП или выводится из него;

ШУ - шина управления, по которой передаются управляющи сигналы, обеспечивающие нормальное функционирование МПС;

МП - центральный элемент, управляющий функционированием всех остальных элементов; обращается ко всем остальным элементам системы, выставляя на ША их адрес;

Г - генератор тактовых импульсов, синхронизирующий работу МП;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство {модуль 2 глава 9.1}, в котором записаны команды программы, выполняемой МП, и константы, необходимые для работы. По ША поступает адрес ячейки памяти, в которой храниться необходимая команда или константа, и по сигналу Чт (чтение) от МП на ШД появляется информация, хранимая в данной ячейке;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство {модуль 2 глава 9.2}, используемое для временного хранения информации в процессе работы МП. В отличие от ПЗУ, в ОЗУ возможно как считывание, так и запись информации (по сигналам Чт и Зап) в ячейку, адрес которой находится на ША. В простейших МПС ОЗУ может отсутствовать, и его роль выполняют внутренние регистры общего назначения (РОН) МП;

ИУ - интерфейсное устройство (устройство связи), согласующее работу МПС и внешних устройств с учетом различий в скоростях их работы и уровнях сигналов. По сигналу Вв (ввод) на ШУ происходит передача информации от внешнего устройства на ШД, а по сигналу Выв (вывод) - в обратном направлении. Шина данных общая для всех элементов МПС, но элементы системы не должны мешать друг другу. Поэтому выход каждого из них подключен к ШД через так называемую схему с 3-мя состояниями. Она может находиться не только в активных состояниях («0» или «1»), что необходимо для передачи информации, но и в третьем состоянии, в котором элемент практически отключается от общей шины. Перевод из третьего состояния в активное осуществляется управляющими сигналами МП. В каждый момент времени к общей ШД оказывается подключенным только один элемент, передающий информацию, и «конфликт» на ШД исключается. Принимать информацию с ШД могут, при необходимости, сразу несколько элементов. Такая организация МПС с помощью общей ШД является вынужденной и обусловлена тем, что число выводов корпусов БИС ограничено, и одни и те же выводы используются для нескольких целей.

1.3.2 Структура МПС на основе МП с микропрограммным управлением

МП с жестким управлением собирается из n отдельных БИС секций центрального процессорного элемента ЦПЭ, каждая из которых обрабатывает 2 (4, 8, 16) разрядов данных. При этим получается центральный процессор, имеющий 2n (или 4n, 8n, 16n) разрядов. ЦПЭ выполняет самые простые действия - микрооперации при подаче на управляющие входы приказов - микрокоманд (МК). Для выполнения команд, аналогичных командам МП с жестким управлением, требуется до 10-15 микроопераций и столько же микрокоманд. Организация команд из имеющихся микрокоманд предоставляется пользователю.

Основным преимуществом МП с микропрограммным управлением при их появлении была большая скорость обработки информации, что позволяло управлять и контролировать очень быстро протекающие процессы, например, ядерные реакции. В настоящее время их роль существенно снизилась, так как современные многоразрядные МП с жестким управлением и высокой тактовой частотой позволяют обрабатывать информацию еще быстрее.

2 Микропроцессор

2.1 Структура МП К580ВМ80

Рассматриваемая БИС является однокристальным МП, выполненным на основе n-МОП технологии. Предназначена для построения вычислительных устройств, контроллеров, микро-ЭВМ. Разрядность МП - 8 бит, тактовая частота 2 МГц, время выполнения команды 2-9 мкс, напряжение питания +12,+5 и -5 В, потребляемая мощность 0,75 Вт. На рисунке приведена его структурная схема.

2.1.1 Основные элементы МП

Обмен информацией осуществляется через восьмиразрядный буферный регистр {модуль 2 глава 7} БД, подключенный к внешней и внутренней ШД МП.РК - регистр команды. В него записывается код команды и хранится в течение времени ее выполнения.ДшК - дешифратор команды, выдает сигналы на устройство управления УУ и схему выбора регистров СВР.

СВР - схема выбора регистров. Содержит: 6 программно доступных регистров общего назначения (РОН) B, C, D, E, H, L (существуют команды, в которых они рассматриваются парами B- B,C; D - D,E; H - H,L);2 программно недоступных регистра W и Z, предназначенных для хранения второго и третьего байта команды (первый байт всегда храниться в РК);

М – мультиплексор {модуль 2 глава 5.2}, связывающий внутреннюю ШД с регистрами W, Z;

ПС - 16 разрядный программный счетчик, позволяющий МП выполнять программы, содержащие до 216 = 65536 слов;

УС - 16 разрядный указатель стека {глава 2.1.3};

СИД - схема инкремента-декремента (прибавления или вычитания 1);

БА - 16 разрядный буфер адреса;

А - регистр результата (аккумулятор);

АЛУ - арифметико-логическое устройство, выполняет арифметические операции сложения - вычитания, инкремент - декремент, логические операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и другие. Оно связано через буферные регистры БР1 и БР2 с аккумулятором и внутренней шиной данных;

РП - регистр признаков, в котором в процессе выполнения команды появляются признаки результата (нулевой результат, положительный или отрицательный, четный или нечетный результат), используемые в последующих командах, например, условного перехода;

СДК - схема десятичной коррекции, используется в том случае, когда информация обрабатывается не в двоичном, а в двоично-десятичном коде {модуль 2 глава 3.2};

УУ - устройство управления, обеспечивает управление работой МП и внешних устройств. Рассмотрим его работу и состав шины управления.

2.1.2 Устройство управления

Устройство управления тактируется от внешнего генератора, вырабатывающего последовательность импульсов Ф1 и Ф2. Оно связано с остальной частью МП внутренними управляющими сигналами УС и сигналами признаков Pi. С внешней средой УУ связано шиной управления, содержащей 10 линий (4 сигнала поступают извне и 6 сигналов выдает МП).

Состав шины управления.

1. Начальная установка (сброс). При подаче «1» на этот вход ПС сбрасывается в 0 и начинается выполнение программы сначала.

2. Синхронизация. Сигнал «1» на этом выходе вырабатывается в начале каждого цикла работы МП (перед каждым обращением МП к любому внешнему элементу).

3. Чтение. Сигнал «1» указывает, что МП готов принять информацию по ШД извне. Этот сигнал обычно подключается ко входу «чтение» ЗУ и устройств ввода.

4. /Зп. Сигнал «0» указывает, что МП выставил на шину данных информацию, подлежащую записи в ОЗУ или выдаче на устройства вывода.

5. Готов. Сигнал «1» на этом входе указывает МП на окончание цикла чтения или записи. Он вырабатывается внешними устройствами по окончании цикла их работы. Если сигнал «1» не поступил, то МП входит в состояние ожидания, в течение которого МП удерживает адрес на ША, управляющий сигнал «чтение» или «запись» и сохраняет открытыми цепи передачи информации через БД. Состояние ожидания сохраняется до поступления «1» - «готов». В случае, когда все внешние элементы работают со скоростью МП или большей, на вход «готов» постоянно подключается «1».

6. Ожидание. Сигнал «1» на этом выходе указывает, что МП в состоянии ожидания. Этот сигнал помогает установить неисправный блок, из-за которого МП остановился.

7. З.Пр. - вход запроса на прерывание {глава 7.2.7}. Сигнал «1» поступает извне при необходимости прервать работу МП.

8. Р.Пр. - разрешение прерывания. Сигнал «1» на этом выходе указывает, что прерывания разрешены. Разрешение и запрещение прерывания производится специальными командами.

9. Захват. При поступлении сигнала «1» МП останавливает работу, БА и БД переводятся в третье состояние. При этом МП отключается от ША и ШД.

10. Подтверждение захвата. Сигнал «1» указывает, что МП находится в состоянии захвата.

2.1.3 Магазинная память - стек

При обращении к ячейкам памяти ОЗУ в МПС с процессором К580ВМ80 нужны длинные трехбайтные команды. В первом байте содержится сама команда обращения, а во втором и третьем указывается адрес ячейки памяти. Такая команда выполняется сравнительно долго и при частых обращениях к памяти работа МПС существенно замедляется. Для ускорения работы МПС применяется магазин памяти - стек. Он работает по принципу: первым читается число, записанное последним. Порядок обращения к стеку жесткий, но зато не нужно указывать адрес, и время обращения значительно уменьшается. Стек очень удобен для запоминания промежуточной информации в случае прерывания. Второе его назначение - обеспечение работы с программами. При переходе к подпрограмме содержание РОН пересылается в стек, после выполнения подпрограммы - вызывается из стека в РОН. Стек бывает автономный (встроенный в МП) и внешний (размещенный в ОЗУ). В МП К580ВМ80 используется внешний стек, а в кристалле размещается специальный регистр - указатель стека (УС), в котором хранится адрес первой свободной ячейки стека. Для стека обычно отводятся старшие ячейки памяти ОЗУ. Вначале устанавливается адрес 111 ... 1, при записи адрес декрементируется (А-1), при чтении - инкрементируется (А+1). При работе со стеком на ША выдается содержимое УС, при работе с основной памятью - содержимое РА. 2.2

2.2 Функционирование МП в составе МПС

2.2.1 Алгоритм выполнения команды

При выполнении любой команды цикл работы МП всегда начинается с выборки первого байта команды - кода операции (КОп) в регистр команд {глава 2.1.1}. При этом адрес команды из ПС через БА поступает на ША, УУ вырабатывает сигнал чтения, КОп поступает через БД в РК. ДшК анализирует КОп и, если требуется, МП выбирает 2-й и 3-й байты команды в регистры W и Z соответственно. Адрес последующего байта команды формируется в ПС увеличением его содержимого на 1 с помощью СИД. Затем происходит выполнение команды. В конце производится анализ наличия запросов на прерывание (сигнал ЗПр). Если такой запрос имеется - состояние ПС запоминается и происходит переход к программе обработки прерывания.

2.2.2 Временная диаграмма работы МП

Работа МП происходит под действием двух неперекрывающихся последовательностей тактовых импульсов Ф1и Ф2 (рис.2-2).

Большинство преобразований информации МП производит по Ф2. Временной интервал, в течение которого выполняется одна микрооперация, называется машинным тактом (обозначается Т1, Т2 и т.д.). Машинным циклом (МЦ) называется последовательность тактов, в течение которых осуществляется обмен информацией между МП и внешним по отношению к нему элементом (обозначается М1, М2 и т.д.). МЦ содержит 3-5 тактов. Выполнение команды происходит за 1-5 МЦ. На рисунке 2-3 условно показана последовательность выполнения трех команд, содержащих различное число МЦ. В цикле М1 всегда происходит выборка первого байта команды. Большинство МП являются тактируемыми цифровыми схемами, работающими под воздействием генератора тактовых импульсов (ГТИ). МП К580ВМ80тактируется ГТИ, вырабатывающим две последовательности не перекрывающихся импульсов Ф1 и Ф2 с периодом Ттакт = 0,5 - 2 мкс.

2.2.3 Слово состояния МП

ШД МП не используется в Т1 и начале Т2 для приема и выдачи основной информации. В МП предусмотрены схемы, обеспечивающие выдачу в это время на ШД восьмиразрядного слова состояния (СС). Эти 8 признаков могут использоваться внешними элементами и, в общем случае, позволяют упростить организацию МПС. Слово состояния выдается в начале каждого цикла в такте Т2 во время импульса Ф1 (рис.2-4). Признаки СС характеризуют только данный МЦ. СС выделяется с помощью регистра состояний РС (рис.2-5), в который записывается информация с ШД в момент t, в который одновременно имеются импульсы Ф1 и «Синхр.». МП К580ВМ80 имеет десять типов МЦ и, соответственно, 10 СС, идентифицирующих эти циклы. В таблице 2 приведены СС, соответствующие всем типам МЦ.

Рис.2-4

Рис.2-5

Таблица 2 Слова состояния МП К580ВМ80

Здесь:

MEMR - чтение из памяти;

INP - признак команды ввода (вырабатывается в МЦ3);

М1 - признак МЦ1 (идет выборка КОп, начало выполнения команды);

OUT - признак команды ввода, вырабатывается в МЦ3. Аналогичен сигналу /Зп МП, но появляется несколько раньше и держится в РС до конца цикла;

HLTA - подтверждение останова;

STACK - признак работы со стеком, вырабатывается при обращении к ЗУ по командам работы со стеком, что позволяет иметь 216 ячеек ОЗУ и 216 ячеек стека;

/WO - признак записи или вывода;

INTA - признак начала работы в режиме прерывания.

Например, в команде вывода в трех МЦ выдаются СС № 1,2,7. Использование СС позволяет лучше организовать управление МПС. Для работы с внешними устройствами МП имеет только 2 управляющих сигнала Чт и /Зп, в которых не различаются ПЗУ, ОЗУ и другие внешние устройства. Поэтому приходится использовать некоторые разряды ША для указания конкретного объекта. В СС сигнал MEMR позволяет отделить память от других устройств, что упрощает организацию взаимосвязи отдельных частей МПС.

3 Запоминающие устройства

Запоминающее устройство, или, сокращенно, память служит для хранения цифровой информации.

Память МПС подразделяется на:

программную память, предназначенную для хранения программ и реализованную обычно в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ);

память данных, или оперативную память (ОЗУ) {модуль 2 глава 9};

внешнюю память для хранения больших массивов информации, обычно реализованную в виде накопителя на магнитном диске (винчестере).

Чаще всего в МПС применяются полупроводниковые ПЗУ и ОЗУ. Они обладают такими достоинствами, как высокое быстродействие, малое потребление энергии, высокая надежность, дешевизна, электрическая совместимость с другими компонентами МПС. Основной недостаток полупроводникового ОЗУ - его энергозависимость. Оно не сохраняет информацию при выключении питания. Когда это недопустимо ОЗУ имеет резервное питание от батарей или аккумуляторов, но это усложняет и удорожает систему.

В функциональном отношении память состоит из однотипных ячеек (регистров), рассчитанных на хранение одного слова. Каждой ячейке присвоен адрес, представленный двоичным кодом.

Емкость ИС памяти обычно выражается в битах или байтах- т, 1024 байта (или 1 Кбайт), 4 К бита и т.д. Информационная организация (или формат) памяти определяется произведением m (слов) х n (длина слова). Например, ИС с емкостью 1024 бит может иметь огранизацию 1024х1 (1Кх1), 256х4, 128х8. Длина слов памяти (nпам) обычно выбирается равной длине слова (разрядности) центрального процессора МПС nцп. Если nпам< nцп, то применяется несколько корпусов ИС. Например, с помощью 2-х ИС памяти 256х4 можно организовать ЗУ с форматом 256х8.

Память может выполнять две операции: ввод информации в адресуемую ячейку - запись (Зп); и вывод информации из адресуемой ячейки - считывание или чтение (Чт). Обе операции носят общее название обращения или, по-другому, доступа к памяти.

3.1 Постоянная память

Если в работающей системе память выполняет только операцию считывания, то ее называют постоянной памятью или ПЗУ. Запись информации в ПЗУ может осуществляться разными способами. В кристаллы ПЗУ, программируемых маской (ПЗУ-ПМ), запись производится только один раз в процессе изготовления с помощью специальной маски (фотошаблона). Изменить хранящуюся информацию невозможно. ПЗУ-ПМ имеют высокую надежность и быстродействие, большую плотность упаковки, энергонезависимость. Стоимость их при массовом производстве низка. Они применяются для хранения неизменяющихся программ и различных констант.

Если однократную запись в память производит пользователь с помощью специального устройства - программатора, а затем она работает только на считывание, то такую память называют ПЗУ, программируемое пользователем (ПЗУ-ПП). Они применяются при макетировании и отладке МПС, а также при производстве малыми сериями.

Применяются также перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Запись информации в них может производиться пользователем неоднократно с помощью программатора, но в работающей системе они выполняют только операцию считывания. Информацию в ППЗУ можно стереть, а затем записать в них новую информацию. Стирание производится с извлечением ИС из системы и выполняется либо электрическими импульсами амплитудой 30-50 В, либо с помощью ультрафиолетового излучения, ППЗУ дороже ПЗУ-ПМ и ПЗУ-ПП и имеют меньшую плотность упаковки.

Рассмотрим подробнее внутреннюю структуру ПЗУ ПП на примере простейшей ИС К155РЕ3 (рис.3-1), имеющей организацию 32х8. Для адресации 32-х слов имеются 5 адресных входов А0...А4 (т.к. 25=32). Хранимое слово из 8-ми бит образовано многоэмиттерным транзистором, в каждой эмиттерной цепи которого находится плавкая перемычка из нихрома толщиной 200 Ангстрем. Когда дешифратор адреса выбирает определенное слово, то открывается один из многоэмиттерных транзисторов. При наличии перемычки на соответствующей битовой линии устанавливается высокий уровень напряжения и выходной транзистор VT2 также открывается, и потенциал выхода 1 близок к нулю (логический «0»). Если перемычка расплавлена, то соответствующая битовая линия никуда не подключена («плавающая») и транзистор VT2 закрыт (логическая «1»). Выходы ПЗУ ПП представляют собой схемы с открытым коллектором.Для нормальной работы их надо подключить к источнику питания +Ек через резисторы Rн (на рисунке показано пунктиром).

В незапрагроммированной ИС все перемычки целые, транзисторы VT2 открыты во всех словах, на выходах уровни логического «0». Для программирования некоторого бита (состояние которого необходимо изменить с «0» на «1») на линии А0...А4 подаются сигналы нужного адреса и на базе выбранного многоэмиттерного транзистора появляется высокий уровень. Внешней схемой на выходе программируемого бита устанавливается напряжение около 8 В. Этого напряжения достаточно для включения стабилитрона VD1 с порогом около 7 В, что приводит к включению транзистора VT1, и первый вывод перемычки заземляется. Затем напряжение питания многоэмиттерных транзисторов увеличивается до 12 В, и тогда между выводами перемычки приложено напряжение около 5 В. Возникающий ток нагревает и расплавляет перемычку.

В ПЗУ ПП такого типа иногда возможны отказы из-за повторных замыканий разрушенных перемычек. Зазор очень узкий и иногда «заплывает». Для повышения надежности запрограммированные ПЗУ выдерживают в термостате 24 часа при температуре 100oС и повторно проверяют записанную информацию. Если обнаружено «заплывание» перемычек (некоторые записанные «1» превратились в «0»), то их прожигают повторно.

На практике широко применяются ППЗУ, стираемые ультрафиолетовым облучением. Они строятся на МОП-транзисторах, отличающихся от обычных тем, что между затвором и полупроводником (подложкой) помещают еще один «плавающий» затвор, полностью изолированный со всех сторон окислом кремния. Если при записи информации к затворам таких транзисторов приложить положительное напряжение около 25 В и длительностью в несколько десятков миллисекунд, то под его воздействием электроны, перемещаясь в сторону основного затвора, оседают на плавающем затворе. При считывании к затвору прикладывается положительное напряжение не более 5 В. Если на плавающем затворе нет электронов, то канал исток-сток становится проводящим, что соответствует хранению логической единицы. Если на плавающем затворе имеются электроны, то они своим зарядом экранируют затвор и промежуток исток-сток остается непроводящим, что соответствует хранению логического «0». Так как плавающий затвор окружен изолирующим слоем, электроны, попавшие в область плавающего затвора, не могут ее покинуть. В действительности же существует утечка электронов, что приводит к постепенной потере информации. По данным ряда фирм это время составляет не менее 10 лет.

Стирается информация ультрафиолетовым облучением в течение нескольких десятков минут во всех элементах сразу. При этом электроны возбуждаются излучением и стекают в подложку. В результате все плавающие затворы освобождаются от электронов, то есть во все элементы записывается логическая «1».

К таким ППЗУ относятся широко применяемые ИС К573РФ2 (РФ4,РФ5 и др.).

3.2 Оперативная память

Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) {модуль 2 глава 9.2} применяется для хранения оперативной информации, требующейся в процессе обработки. ОЗУ, в отличие от ПЗУ, позволяет: как вводить информацию в адресуемую ячейку (операция Зп), так и выводить (операция Чт) Так как обращение возможно к любой адресуемой ячейке в произвольном порядке, то такие ЗУ называют запоминающими устройствами с произвольной выборкой (ЗУПВ). Возможны различные способы обмена информацией между ОЗУ и МП. Чаще всего используются запоминающие устройства с произвольной выборкой, позволяющие обращаться по любому адресу в произвольном порядке. Различают статические и динамические ОЗУ.

Статическое ОЗУ реализуется на триггерах с непосредственной связью, которые при включенном питании могут хранить информацию неограниченно долго без дополнительных управляющих сигналов.

Большинство ЗУПВ изготовляются на основе МОП транзисторов и имеют так называемую матричную организацию. Функциональная схема ЗУПВ 256х1 с матричной организацией типа 16х16 приведена на рисунке (3-2). После дешифрирования младших битов адреса А0-А3 возникает сигнал Xi, подключающий i-ю строку матрицы. Столбец матрицы Yj выбирается дешифратором старших битов адреса А4-А7 и элемент памяти ЭПij подключается к схеме вывода или ввода информации в зависимости от значения сигнала Сч//Зп. При Сч//Зп=1 происходит считывание информации из памяти; при Сч//Зп=0 - запись в память. Разрешающий сигнал ВМ (выбор микросхемы) активизирует данную ИС. При запрещающем значении сигнала ВМ матрица изолирована от выходов дешифратора и шины ввода-вывода.

Статические ЗУПВ могут быть построены на полупроводниковых приборах различного типа. В настоящее время наиболее распространенными являются ИС статической памяти на МОП транзисторах. КМОП запоминающий элемент состоит из 5-ти транзисторов, четыре из которых (VT1-VT4) образуют триггер. Управление триггером для записи и считывания осуществляется с помощью ключа - транзистора VT5 (рис.3-3).

3.3 Подключение ЗУ к шине данных

Так как шина данных (ШД) является общей для многих устройств, то при их одновременной работе неизбежен «конфликт». Необходимо, чтобы в каждый момент времени к ШД было подключено только одно устройство - источник информации. приемников же информации может быть одновременно подключено несколько. Важно лишь, чтобы мощность выхода источника информационных сигналов была достаточной для подключения нескольких приемников. Оперативное подлючение и одключение выхода какого-либо устройства осуществляется с помощью схемы выхода, имеющей 3 возможных состояния: 1, 0 и «отключено». Выход любой ТТЛ ИС упрощенно можно представить в виде двух последовательно включенных транзисторов (см. рис.3-4).

Если транзистор VT1 открыт и закрыт VT2, то на выходе высокий уровень сигнала («1»). Если наоборот: VT2 открыт, VT1 закрыт, то на выходе низкий уровень («0»). Если одновременно закрыты оба транзистора, то выход ИС оказывается отключенным от источника питания и не оказывает никакого влияния на работу других устройств, подключенных к общей шине.

Рис.3-4 Выход с тремя состояниями

4. Интерфейсные устройства

Интерфейсные устройства (ИУ) служат для сопряжения внешних устройств с МПС. Они обычно реализуются в виде одной или нескольких СИС или БИС.

PAGE \* MERGEFORMAT 3

8.1 Системы счисления

В цифровой и вычислительной технике сигналы и информация представляются в дискретной форме. Для удобства последующего преобразования дискретный сигнал подвергается кодированию. Большинство кодов основано на системах счисления, причем использующих позиционный принцип образования числа, при котором значение каждой цифры зависит от ее положения (позиции, веса) в числе.

Примером позиционной формы записи чисел является та, которой мы пользуемся (так называемая арабская форма чисел). Так, в числах 123 и 321 значения цифры 3, например, определяются ее положением в числе: в первом случае она обозначает три единицы (т.е. просто три), а во втором – три сотни (т.е. триста).

В современной информатике используются в основном три системы счисления (все – позиционные): двоичная, шестнадцатеричная и десятичная.

Двоичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является вычислительная техника. Такое положение дел сложилось исторически, поскольку двоичный сигнал проще представлять на аппаратном уровне. В этой системе счисления для представления числа применяются два знака – 0 и 1.

Шестнадцатеричная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является хорошо подготовленный пользователь – специалист в области информатики. В такой форме представляется содержимое любого файла, затребованное через интегрированные оболочки операционной системы, например, средствами Norton Commander в случае MS DOS. Используемые знаки для представления числа – десятичные цифры от 0 до 9 и буквы латинского алфавита – A, B, C, D, E, F.

Десятичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является так называемый конечный пользователь – неспециалист в области информатики (очевидно, что и любой человек может выступать в роли такого потребителя). Используемые знаки для представления числа – цифры от 0 до 9.

В любой позиционной системе счисления число можно представить в виде полинома вида

N = a n-1 b n-1 + a n-2 b n-2 +…. + + a 0 b 0 , a m b m + a m-1 b m -1 + a m-i b m –I , (8.1)

где n – количество разрядов целой части числа,

где m – количество разрядов дробной части числа,

b – основание системы счисления,

ai – множитель, принимающий любые целочисленные значения от 0 до b-1, и соответствующий цифре i-го порядка числа.

Двоичная система счисления - число представляется совокупностью цифр 0 и 1, которые называются битами (binary digits – двоичные цифры). Основание системы счисления b = 2.

Шестнадцатеричная система счисления – для записи чисел используют цифры от 0 до 9 и буквы латинского алфавита A (10), B (11), C (12), D (13), E (14), F (15).

Перевод из десятичной системы счисления в двоичную и шестнадцатеричную:

Для перевода чисел из одной системы счисления в другую используют метод деления (целая часть числа) – умножения (дробная часть числа) на основание системы счисления.

Перевод целой части числа:

а) исходное целое число делится на основание системы счисления, в которую переводится (на 2 - при переводе в двоичную систему счисления или на 16 - при переводе в шестнадцатеричную); получается частное и остаток;

б) если полученное частное меньше основания системы счисления, в которую выполняется перевод, процесс деления прекращается, переходят к шагу в). Иначе над частным выполняют действия, описанные в шаге а);

в) все полученные остатки и последнее частное преобразуются в соответствии с таблицей перевода в цифры той системы счисления, в которую выполняется перевод;

г) формируется результирующее число: его старший разряд (бит) – полученный последний остаток; каждый последующий младший разряд образуется из полученных предыдущих остатков от деления. Таким образом, младший разряд полученного числа – первый остаток от деления, а старший – последний остаток от деления.

Выполнить перевод числа 19 в двоичную систему счисления:

Выполнить перевод числа 173 в шестнадцатеричную систему счисления:

Перевод дробной части числа из десятичной системы в любую другую позиционную систему счисления.

При переводе правильной десятичной дроби в систему счисления с основанием b необходимо сначала саму дробь, а затем дробные части всех последующих произведений последовательно умножать на b, отделяя после каждого умножения целую часть произведения. Число в новой системе счисления записывается как последовательность полученных целых частей произведения. Умножение производится до тех поp, пока дробная часть произведения не станет равной нулю. Это значит, что сделан точный перевод. В противном случае перевод осуществляется до заданной точности. Достаточно того количества цифр в результате, которое поместится в ячейку.

Пример . Выполнить перевод числа 0,847 в двоичную систему счисления. Перевод выполнить до четырех значащих цифр после запятой.

Пример . Выполнить перевод числа 0,847 в шестнадцатеричную систему счисления. Перевод выполнить до трех значащих цифр.

Для различения систем счисления, в которых представлены числа, в обозначение двоичных и шестнадцатеричных чисел вводят дополнительные реквизиты:

для двоичных чисел – нижний индекс справа от числа в виде цифры 2 либо знак B или b (binary – двоичный), справа от числа. Например, 101000 2 = 101000B = 101000b;

для шестнадцатеричных чисел - нижний индекс справа от числа в виде числа 16 либо знак H или h (hexadecimal – шестнадцатеричный), справа от числа. Например, 3AB 16 = 3ABH = 3ABh.

Перевод из двоичной или шестнадцатеричной систем счисления в десятичную выполняется по соотношению (8.1).

Группа из 8 битов информации называется байтом. Если бит - минимальная единица информации, то байт ее основная единица. Существуют производные единицы информации: килобайт (кбайт, кб), мегабайт (Мбайт, Мб) и гигабайт (Гбайт, Гб).

1 кб =1024 байта.

1 Мб = 1024 кбайта = 1024 x 1024 байтов.

1 Гб = 1024 Мбайта = 1024х1024 х 1024 байтов.

Эти единицы чаще всего используют для указания объема памяти ЭВМ.

8.2. Счетчики импульсов

Счетчик – это последовательная схема, в основе которой лежит регистр (последовательное соединение триггеров). Поскольку любая последовательная схема имеет конечное число состояний, то счетная последовательность счетчика либо завершается неким определенным состоянием (счетчики с конечным состоянием или счетчики с насыщением), либо циклически повторяется – счетчики по модулю (mod). Термин модуль используется для обозначения числа различных состояний счетной последовательности. Например, в счетчике по mod = 6 после прихода на вход шестого импульса счетчик обнуляется и процесс счета повторяется снова. Если в счетчике n триггеров, то число возможных состояний счетчика равно 2 n и следовательно его модуль равен mod = 2 n .

Счетчики строятся на базе синхронных триггеров (D, T). В зависимости от способа соединения синхронизирующих входов триггеров, двоичные счетчики подразделяются на синхронные и асинхронные.

В зависимости от модуля они подразделяются на десятичные (декадные), у которых

mod = 10 и двоичные с mod = 2 n .

В зависимости от направления счета они подразделяются на суммирующие, вычитающие или реверсивные (направление счета можно менять).

Синхронные счетчики. Функциональная схема синхронного двоичного счетчика на базе Т-триггеров и временная диаграмма его работы представлены на рис. 8.1.

Так как в счетчике общая синхронизация, то состояние триггеров меняется синхронно, т. е. те триггеры, которые должны изменить своё состояние по синхроимпульсу, делают это синхронно. В частности, если в момент времени t 0 все триггеры исходно обнулены, то после подачи на линию «разрешение счета» сигнала Т = 1 в единичном состоянии будет только первый триггер (Q 0 =1) после прихода импульса синхронизации. Все остальные – в нулевом, так как через схемы И их входы Т блокированы нулевым потенциалом. С приходом второго тактового импульса к изменению своего состояния на единичное будет подготовлен второй триггер и по заднему фронту второго импульса синхронизации триггеры примут новое состояние: Q 0 = 0, Q 1 = 1, Q 2 = 0.

Число импульсов, пришедших на вход счетчика, можно определить по соотношению:

N = Q 0 2 0 + Q 1 2 1 + Q 2 2 2 + … + Q n -1 2 n -1 (8.2).

Описанный выше способ формирования сигналов на Т входов триггеров используется в счетчиках с последовательным переносом. Применение вентилей И для формирования сигналов на входах Т приводит к снижению скорости счета, так как после прохождения синхроимпульса следующий нельзя подавать до тех пор, пока не определятся все значения на входах Т. Для n-разрядного счетчика требуется время t зад = τ в (n – 1), где τ в – время задержки распространения сигнала через один вентиль.

Этот недостаток устраняется в счетчиках со сквозным переносом за счет усложнения схемы подачи сигналов на Т входы триггеров.

Асинхронные счетчики .

В асинхронных счетчиках входы синхронизации триггеров, кроме первого, соединены с выходами предыдущих триггеров (рис. 8.2), а входы Т объединены в общую линию «разрешение счета», поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния предыдущего.

Все рассмотренные счетчики являются суммирующими двоичными счетчиками. Они легко могут быть перестроены в вычитающие. Для этого, например, в схеме рис. 8.1 достаточно переключить входы вентилей И с выходов Q на инверсные .

8.3. Микроконтроллеры.

8.3.1. Принципы организации микроконтроллеров ; архитектура микропроцессоров и их функционирование, структура микроконтроллеров.

В современной технике микроконтроллеры находят очень широкое применение. На их основе строятся датчики измерения физических параметров с линейными характеристиками, регуляторы параметров технологических процессов, системы сбора и передачи данных, информационные системы и системы автоматического управления различного класса. Современное понятие микроконтроллер возникло в связи с мощным развитием и совершенствованием микроэлектроники и является естественным развитием более старых понятий, таких как ЭВМ, микро-ЭВМ, употреблявшихся в 70 – 80 годы прошлого столетия. Однако основные, базовые принципы организации функционирования вычислительных систем остаются.

По определению ЭВМ – это искусственная, инженерная система, предназначенная для выполнения вычислений на основе алгоритмов. Принципы ее построения определяются с одной стороны, назначением ЭВМ, а с другой – элементной базой. Совершенствование элементной базы и привело к появлению в конце 20 века такого понятия как микроконтроллер. Современная вычислительная техника строится на одном из важных принципов – принципе программного управления , предложенного Дж. Фон Нейманом в 1945 г. Эти принципы следующие:

1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации, называемые словами.

2. Разнотипные слова информации различаются по способу использования, но не способом кодирования. Все слова, представляющие числа, команды и т.д. выглядят в ЭВМ совершенно одинаково и сами по себе неразличимы. Только порядок использования слов в программе вносит различия в слова. Благодаря этому возможно использовать одни и те же операции для обработки и чисел и команд.

3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами слов.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в операции, и называются командами.

5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, определяемом программой.

Принцип программного управления предполагает, что алгоритм в ЭВМ представляется в виде упорядоченной последовательности команд вида

b 0 b 1 ...b l b 0 b 1 ...b m … b 0 b 1 ...b n ,

где b – двоичная переменная. Определенное число первых разрядов команды характеризует код операции (КОП) – характер выполняемых действий (+, -, * ,и т.д.). Последуюшие наборы двоичных переменных (А1 …А n) определяют адреса операндов (аргументов и результатов), заданных кодом КОП. Процесс вычислений, выполняемый по заданной программе, состоит в последовательном выполнении команд. Первой выполняется команда, заданная пусковым адресом программы. Обычно это адрес первой команды программы.

В состав современного микроконтроллера входят: ядро (микропроцессор); память данных (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM)); память программ (постоянное запоминающее устройство – ПЗУ (ROM) или Flash-память); периферийные устройства: контроллеры прерываний, порты ввода-вывода, ШИМ- генераторы, таймеры, АЦП, ЦАП, порты для последовательной передачи данных – USART, I 2 C, SPI и т.д. Все эти устройства выполняются, как правило, на одном кристалле и помещаются в одном корпусе.

8.3.2. Архитектура микропроцессоров и их функционирование.

Основным элементом микроконтроллера является микропроцессор (МП). Первый коммерческий микропроцессор Intel -8080 был разработан фирмой Intel в 1975 г. Микропроцессор – это функциональный блок, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа программного управления. Современные микропроцессоры выполняются, как правило, по КМОП технологии и содержат десятки и сотни тысяч элементов, имеют высокое быстродействие – от 10Mips (миллионов операций в секунду) и более, 8, 16 или 32 –разрядную шину данных, 18, 24-разрядную и более шину адреса (речь идет о микропроцессорах для промышленного применения).

В настоящее время основными являются две архитектуры микропроцессоров - неймановская, основанная на принципах, сформулированных фон Нейманом и Гарвардская архитектура. Неймановская архитектура предполагает, что память в системе линейна, т. е. безразлично, в каких областях располагается ОЗУ и ПЗУ. Гарвардская архитектура предлагает жесткое разделение информации на команды и данные и поэтому в архитектуре предусмотрено хранение команд в памяти команд, а операндов – памяти данных.

Из-за сложности схемы, пользователю программно-доступны только основные регистры управления микропроцессором. Рассмотрим архитектуру неймановского процессора с позиций, предоставленных пользователю (рис.8.3).

С периферийными устройствами МП связан с помощью системы шин: External Data Bus -двунаправленная n-разрядная внешняя шина данных; External Address Bus - однонаправленная m-разрядная внешняя шина адреса; Control Bus однонаправленная k-разрядная шина управления (одни разряды шины работают только на ввод, другие – только на вывод). Все шины с тремя состояниями.

Основными устройствами МП являются:

1. АЛУ – арифметико логическое устройство; предназначено для выполнения арифметических (+, -, *, /) и логических операций (И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ, операции сдвига). В состав АЛУ входят n-разрядные сумматоры, аппаратные умножители и схемы деления. АЛУ связано с регистром признаковFR (Flags Register).

2. В регистре признаков фиксируются результаты операций (при выполнении того или иного условия автоматически взводится определенный бит регистра):

Z (Zero) – нулевой результат операции; устанавливается, если результатом выполнения последней операции в АЛУ является ноль;

S (Sing) или N (Negative) – флаг отрицательного знака при выполнении операции (устанавливается если при выполнении операции в АЛУ получается отрицательное число);

C (Carry) – флаг переноса; устанавливается, если при выполнении операции в АЛУ был установлен бит переноса;

V – флаг переполнения; устанавливается, если при выполнении операции в АЛУ имело место переполнение.

3. GPR (General Pupas Registers) –регистры общего назначения. Предназначены для временного хранения информации, располагаются, как правило, во внутреннем ОЗУ процессора и имеют минимальное время доступа.

SP (Stack Pointer ) – указатель стека; это регистр, который содержит адрес ячейки памяти, являющейся вершиной стековой памяти. Стековая память, как правило, создается в оперативной памяти и предназначена для временного хранения информации, в частности при выполнении некоторых команд, например, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм, обработки прерывании и т.д.

PC (Program counter) – программный счетчик, счетчик команд; содержит адрес ячейки памяти, из которой выбирается следующая команда. Во время выборки команды содержимое счетчика передается в регистр адреса RA и из него через буферную схему поступает на внешнюю шину адреса. С помощью схемы приращения СхП содержимое счетчика команд увеличивается на 1 или 2 в зависимости от длины слова, с которым обменивается процессор (один или два байта) для указания адреса следующей команды.

IR (Instruction Register) – первое слово команды, выбранное из программной памяти, передается через буфер данных и внутреннюю шину данных в IR , выход которого связан с дешифратором команд и формирователем машинных циклов DC и ФМЦ, который по КОП в команде определяет тип выполняемой операции.

Устройство управления и синхронизации (УУС) – вырабатывает управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения принятой и дешифрированной команды, подключая необходимые устройства процессора. С помощью k-внешних линий управления (Control Bus) реализуется интерфейс процессора с другими модулями микроконтроллера. Некоторые из этих сигналов:

F CLK - тактовая частота процессора; синхронизирует работу всех устройств и определяет время выполнения команд (быстродействие МП).

RESET – выходной сигнал сброса; обнуляет все основные регистры процессора, в том числе программного счетчика РС, указывая при старте на ячейку памяти 0000h, из которой должна быть считана первая команда программы.

WR (Write) – запись в память, внешнее устройство;

RD (Read) – чтение из памяти, из внешнего устройства.

Современные процессоры выполняются по RISC (Reduce Instruction Set Computering) архитектуре (выполнение вычислений по минимизированным командам). Это обеспечивает выполнение большинства команд за очень малое время даже при относительно не высоких тактовых частотах процессора. Например, МП SAB80C167 фирмы Siemens при тактовой частоте 20 МГц выполняет большинство команд за 100 нс.

8.3.3. Структура микроконтроллеров

В качестве примера ниже дано краткое описание промышленного микроконтроллера М167-2.

Промышленный контроллер М167-2, структурная схема которого приведена на рис.8.4., разработан на базе микроконтроллера Siemens 80С167, ядром которого является 16-разрядный RISC процессор SAB80C167 . В основу работы процессора положена конвейерная организация выполнения команд, благодаря чему для выполнения большин­ства из них требуется 100 наносекунд при тактовой частоте процессора 20 МГц.

Центральное процессорное устройство имеет фон-Неймановскую архитектуру, что обеспечивает доступ к исполняемому коду в пределах единого линейного адресного пространства. Максимальный размер адресуемой памяти составляет 16 Мбайт, которая разделена на 256 сегментов (Code Segment) по 64 Кбайт в каждом. Каждый сегмент со­стоит из четырех страниц данных (Data Page) размером по 16 Кбайт.

Процессор имеет внутреннее ОЗУ объемом 2 Кбайт (1Кх16), расположенное в третьей странице данных нулевого сегмента (00.F000h – 00.FFFFh).Во внутреннем ОЗУ размещены регистры общего (GPR) и специального (SFR и ESFR) назначения.

Система обработки прерываний контроллера обрабатывает более 56 независимых каналов прерываний. Текущее состояние программы (IP, PSW, CSP) сохраняется во внут­реннем системном стеке. Шестнадцати уровневая система приоритетов с четырех уровне­вым (групповым) приоритетом второго уровня позволяет организовать обработку преры­ваний по приоритету. Кроме того, в состав контроллера входит 8 канальный блок РЕС (событийный контроллер), с помощью которого можно осуществлять пересылку данных между периферийными устройствами и областями памяти в режиме прерываний без уча­стия основного процессора.

Контроллер внешней шины позволяет задать четыре типа внешней шины и изме­нять их временные характеристики.

Входящие в состав контроллера блоки «Захват/Сравнение» и блоки таймеров по­зволяют организовать дополнительные ШИМ каналы (до 28) кроме стандартного четырех канального модуля ШИМ, а так же формировать и измерять параметры импульсных сиг­налов.

Микроконтроллер обеспечивает 111 параллельных каналов ввода/вывода, органи­зованных в 16- или 8-битовые порты. Все выводы портов битадресуемы и индивидуально (побитно) программируются на ввод или вывод.

Кроме того, в состав микроконтроллера входят два АЦП (8 и 16 каналов) и сете­вой контроллер CAN со скоростью передачи до 1 Мбит/сек. CAN контроллер позволяет создавать сложные распределенные системы управления реального времени.

Наличие встроенного полноэкранного отладчика обеспечивает режим интерак­тивного доступа ко всем ресурсам микроконтроллера и удобный интерфейс для отладки программ, что позволяет быстро и эффективно отлаживать программы в реальном вре­мени с подключенными внешними устройствами. С помощью специальных функций от­ладчика и программатора, находящегося на плате контроллера, программа после оконча­ния разработки и отладки может быть записана во Flash ПЗУ.

Литература

1 Гальперин М.В. Электронная техника. Учебник. – 2-е изд., испр. и доп.

– Форум, 2014.

2 Готтлиб И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. – Постмаркет, 2008.

3 Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник.

– Челябинск: Металлургия, 1989.

4 Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника. Учебник для вузов. – 5 изд. – М.: Высшая школа, 2008.

Интернет-ресурсы

1 Белов Н.В., Волков Ю.С. Электротехника и основы электроники. – СПб.: Лань, 2012. – Режим доступа: http://e.lanbook.com.

2 Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – СПб.: Лань, 2008. – Режим доступа: http://e.lanbook.com.

3 Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника. . – СПб.: Лань, 2011. – Режим доступа: http://e.lanbook.com.

За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. В широком смысле микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта.

Общее представление о микропроцессорах

Для управления или контроля определенными процессами требуется соответствующая поддержка программного обеспечения на реальной технической базе. В этом качестве выступает одна или набор микросхем на базовых матричных кристаллах. Для практических нужд почти всегда используются модули chip-set, то есть наборы микросхем, которые связаны общей системой питания, сигналами, форматами информационной обработки и так далее. В научной интерпретации, как отмечается в теоретических основах микропроцессорной техники, такие устройства представляют собой место (основная память) для хранения операндов и команд в закодированном виде. Непосредственное управление реализуется на более высоком уровне, но также через микропроцессора. Для этого используют контроллеры.

Говорить о контроллерах можно только применительно к микрокомпьютерам или микро-ЭВМ, состоящим из микропроцессоров. Собственно, это и есть рабочая техника, в принципе способная выполнять те или иные операции или команды в рамках заданного алгоритма. Как отмечается в учебнике по микропроцессорной технике Ливенцова С. Н., под микроконтроллером следует понимать компьютер, ориентированный на выполнение логических операций в рамках управления оборудованием. Он базируется на тех же схемах, но с ограниченным вычислительным ресурсом. Задача микроконтроллера в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микроконтроллеры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микроконтроллера проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность.

Архитектура

Разработчики микропроцессорных устройств имеют дело с набором функциональных компонентов, которые в итоге образуют единый рабочий комплекс. Даже простая модель микрокомпьютера предусматривает использование целого ряда элементов, обеспечивающих выполнение поставленных перед машиной задач. Способ взаимодействия между этими компонентами, а также средства коммуникации с входными и выходными сигналами во многом и определяют архитектуру микропроцессора. Что касается самого понятия архитектуры, то оно выражается разными определениями. Это может быть набор технико-физических и эксплуатационных параметров, среди которых число регистров памяти, разрядность, быстродействие и так далее. Но, в соответствии с теоретическими основами микропроцессорной техники, под архитектурой в данном случае следует понимать логическую организацию функций, реализуемых в процессе взаимосвязанной работы аппаратной и программной начинки. Более конкретно отражает следующее:

• Совокупность физических элементов, которые образуют микропроцессор, а также связи между его функциональными блоками.
• Форматы и способы предоставления информации.
• Каналы обращения к доступным для использования модулям структуры с параметрами их дальнейшего применения.
• Операции, которые может выполнять конкретный микропроцессор.
• Характеристики управляющих команд, которые вырабатывает или принимает устройство.
• Реакции на сигналы извне.

Внешние интерфейсы

Микропроцессор крайне редко рассматривается как изолированная система для выполнения односложных команд в статичном формате. Встречаются устройства, обрабатывающие один сигнал по заданной схеме, но чаще всего микропроцессорная техника работает с большим количеством коммуникационных связей от источников, которые и сами не являются линейными в плане обрабатываемых команд. Для организации взаимодействия со сторонней аппаратурой и источниками данных предусматриваются специальные форматы соединения - интерфейсы. Но для начала следует определить, с чем именно выполняется коммуникация. Как правило, в этом качестве выступают управляемые устройства, то есть на них от микропроцессора подается команда, а в режиме обратной связи могут поступать данные о статусе исполнительного органа.

Что касается внешних интерфейсов, то они служат не просто для возможности взаимодействия определенного исполнительного механизма, но и для его интеграции в структуру управляющего комплекса. Применительно к сложной компьютерной и микропроцессорной технике это может быть целая совокупность аппаратно-программных средств, тесно связанных с контроллером. Более того, микроконтроллеры зачастую и объединяют в себе функции обработки и подачи команд с задачами обеспечения коммуникации между микропроцессорами и внешними устройствами.

Характеристики микропроцессора

К основным характеристикам микропроцессорных устройств можно отнести следующие:

• Тактовая частота. Временной период, в течение которого происходит переключение компонентов вычислительной машины.
• Разрядность. Число максимально возможных для одновременной обработки двоичных разрядов.
• Архитектура. Конфигурация размещения и способы взаимодействия рабочих элементов микропроцессора.

О характере эксплуатационного процесса можно судить и по критериям регулярности с магистральностью. В первом случае речь идет о том, насколько в конкретной единице вычислительной микропроцессорной техники реализуем принцип закономерной повторяемости. Иными словами, каков условный процент дублирующих друг друга связей и рабочих элементов. Регулярность может применяться и в целом к структуре организации схемы в рамках одной системы обработки данных.

Магистральность же указывает на способ обмена данными между внутренними модулями системы, затрагивая также характер упорядочения связей. Объединяя принципы магистральности и регулярности, можно выработать стратегию создания унифицированных под определенный стандарт микропроцессоров. Такой подход имеет преимущество в виде облегчения коммуникационной организации на разных уровнях в плане взаимодействия через интерфейсы. С другой стороны, стандартизация не позволяет расширять возможности системы и повышать ее устойчивость перед внешними нагрузками.

Память в микропроцессорной технике

Хранение информации организуется с помощью специальных запоминающих устройств, выполненных из полупроводников. Это касается внутренней памяти, но также могут применяться внешние оптические и магнитные носители. Также элементы хранения данных на основе полупроводниковых материалов можно представить в качестве интегральных схем, которые включаются в состав микропроцессора. Такие ячейки памяти используются не только для хранения программ, но и для обслуживания памяти центрального процессора с контроллерами.

Если глубже рассматривать структурную основу запоминающих устройств, то на первый план выйдут схемы из металла, диэлектрика и полупроводника из кремния. В качестве диэлектриков используются компоненты из металла, оксида и полупроводника. Уровень интеграции запоминающего устройства определяется целевыми задачами и характеристиками аппаратной части. В цифровой микропроцессорной технике с обеспечением функции видеопамяти к универсальным требованиям надежной интеграции и соответствия электротехническим параметрам также добавляется помехоустойчивость, стабильность работы, быстродействие и так далее. Оптимальным решением с точки зрения критериев быстродействия и универсальности по интеграции являются биполярные цифровые микросхемы, которые в зависимости от текущих задач могут также использоваться в качестве триггера, процессора или инвертора.

Функции

Спектр функций в значительной степени основывается на задачах, которые микропроцессор будет решать в рамках того или иного технологического процесса. Универсальный набор функций в обобщенном варианте можно представить так:

• Чтение данных.
• Обработка данных.
• Обмен информацией с внутренней памятью, модулями или внешними подключенными устройствами.
• Запись данных.
• Ввод и вывод данных.

Значение каждой из вышеназванных операций определяется контекстом общей системы, в которой используется устройство. К примеру, в рамках арифметическо-логических операций электронная и микропроцессорная техника в результате обработки входной информации может представлять новую информацию, которая, в свою очередь, станет поводом для того или иного командного сигнала. Также стоит отметить внутренний функционал, за счет которого регулируются рабочие параметры самого процессора, контроллера, питания, исполнительных устройств и прочих модулей, работающих в рамках управляющей системы.

Производители устройств

У истоков создания микропроцессорных устройств стояли инженеры компании Intel, выпустившие целую линейку 8-разрядных микроконтроллеров на платформе MCS-51, которые в некоторых сферах применяются и сегодня. Также многие другие изготовители использовали семейство x51 для собственных проектов уже в рамках развития новых поколений электроники и микропроцессорной техники, в числе представителей которой значатся и отечественные разработки наподобие однокристальной ЭВМ К1816ВЕ51.

Выйдя в сегмент более сложных процессоров, фирма Intel уступила место микроконтроллеров другим компаниям, в числе которых оказались Analog Device и Atmel. Принципиально новый взгляд на архитектуру микропроцессоров предлагают фирмы Zilog, Microchip, NEC и др. На сегодняшний день в контексте развития микропроцессорной техники можно рассматривать линейки x51, AVR и PIC как наиболее успешные. Если же говорить о тенденциях разработки, то в наши дни на первое место выходят требования к расширению спектра задач внутреннего управления, компактности и низкому энергопотреблению. Иными словами, микроконтроллеры становятся меньше и рациональнее с точки зрения обслуживания, но при этом наращивают мощностный потенциал.

Обслуживание техники на базе микропроцессора

В соответствии с нормативными положениями, микропроцессорные системы обслуживаются бригадами рабочих во главе с электромехаником. Среди основных задач техобслуживания в данной сфере можно назвать следующие:

• Фиксация сбоев в процессе работы системы и их анализ с определением причин нарушения.
• Предупреждение отказов устройства и его компонентов за счет назначенного регламентного обслуживания.
• Устранение отказов устройства путем ремонта поврежденных элементов или их замены на исправные аналогичные детали.
• Производство своевременного ремонта компонентов системы.

Непосредственно обслуживание микропроцессорной техники может быть комплексным или мелкооперационным. В первом случае объединяется перечень технических операций независимо от их трудоемкости и уровня сложности. При мелкооперационном подходе акцент делается на индивидуализации каждой операции, то есть отдельные ремонтные или обслуживающие действия производятся в изолированном с точки зрения организации формате в соответствии с технологической картой. Недостатки данного метода связаны с высокими затратами на рабочий процесс, что в рамках масштабной системы может быть экономически неоправданным. С другой стороны, мелкооперационное обслуживание повышает качество технической поддержки аппаратуры, минимизируя риски ее дальнейшего выхода из строя вместе с отдельными компонентами.

Применение микропроцессорной техники

Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:

• Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
• Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
• Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
• Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.

Несколько слов в заключение

Широкая аудитория потребителей не в полной мере может представить себе даже сегодняшние возможности микропроцессорной техники, но производители не стоят на месте и уже сейчас продумывают перспективные направления развития данной продукции. Например, все еще исправно поддерживается правило компьютерной индустрии, согласно которому каждые два года в схемах процессоров будет уменьшаться количество транзисторов. Но не только конструкционной оптимизацией могут похвастаться современные микропроцессоры. Специалисты также прогнозируют множество инноваций в части организации новой схемотехники, которая облегчит технологический подход к разработке процессоров и снизит их базовую стоимость.