книги / Микропроцессорные вычислительные устройства в радиотехнике

В В Е Д Е Н И Е

Современное состояние и перспективы развития многих отрас­ лей техники, в том числе и радиотехники, во многом определяются широким проникновением средств вычислительной техники, исполь­ зованием методов цифровой обработки информации.

В радиотехнике, наряду с известными методами аналоговой обработки сигналов, широкое распространение получают методы и устройства цифровой обработки, которые обеспечивают целый ряд преимуществ.

Новые возможности цифровой обработки информации открыло появление микропроцессоров* Именно с появлением и развитием микропроцессорной техники связывают дальнейшее ускорение науч­ но-технического процесса во многих отраслях промышленности* Применение цифровых микросхем и микропроцессоров в радиотехни­ ческих системах (РТС) существенно улучиает их технико-экономи­

ритмов обработки сигналов* Использование больших вычислительных возможностей микро­

процессоров и систем на их основе позволяет приступить к реа­ лизации в РТС многих оптимальных алгоритмов обработки сигналов, ранее отвергаемых и з-за сложности и громоздкости аппаратуры.

Одним из ограничивающих факторов повсеместного использова­ ния МП в РТС является недостаточно высокое быстродействие, свя­ занное с необходимостью последовательного выполнения команд программы. Однако создание специализированных микропроцессоров позволяет в ряде случаев снять это ограничение*

Црименение МП целесообразно в тех случаях, когда реализа­ ция определенных функций системы с использованием "жесткой ло­ гики" требует большого количества микросхем (более 30)*

Микропроцессоры находят применение при решении широкого круга радиотехнических задач, таких как построение радиотехни­ ческих измерителей координат; сглаживающих фильтров устройств вторичной обработки сигналов; специализированных вычислитель­ ных устройств бортовых навигационных комплексов, цифровых фильтров; устройств кодирования ■ декодирования сигналов; ве­ совой обработки пачечных сигналов в радиолокации; различного рода измерительных устройств и т.п*

Со времени пот лзния первых микропроцессоров прошло немно­ гим более десяти лет, однако уже накоплен значительный опыт я$ использования» о чем свидетельствуют многочисленные публикации в периодической научно-технической печати» появление большого количества монографий по микропроцессорной технике, тематика многих научно-технических конференций, симпозиумов, семинаров*

В частности, можно назвать ряд публикаций, в которых рас­ сматриваются вопросы использования микропроцессорной техники в радиотехнических задачах [ 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ] .

Ооновной задачей изучения дисциплины "Микропроцессоры и вычислительные устройства" является усвоение построения специа­ лизированных вычислителей для обработки сигналов и управления в радиотехнических устройствах, их проектирования но современной элементной базе*

I . СТРУКТУРА ТИПОВЫХ С Ш МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

I . I . Особенности различных типов микропроцессорных комплектов

Микропроцессором (МП) будем называть завершенное в функци­ ональном и конструктивном отношении программно-управляемое уст­ ройство обработки информации, построенное на одной или несколь­ ких БИС,

Помимо собственно микропроцессора для построения вычисли­ тельных устройств и мшсроЭВМ используются и другие интегральные охеш . Такая совокупность микропроцессорных и других интеграль­ ных схем, совместимых по конструктивно-технологическому испол­ нению, называется микропроцессорным комплектом (МЛК) Е? 1 «

Появление принципиально нового полупроводникового прибора - микропроцессора - явилось следствием бурного развития микро­ электроники, схемотехники и микропрограммирования. Оно разреши­ ло противоречие между высокой степенью интехрации интегральных охем (ИС), обеспечиваемой в принципе полупроводниковой микротех­ нологией, и большим числом различных типов БИС, которое необхо­ димо для создания достаточно широкого клаооа дачиояительцнх Уст­ ройств. До появления микршроцеоооров применение тек называемое заказных БИС было вковомичеоки оправданным лишь в единичных слу­ чаях, когда обеспечивалась большая серийность их широка*

За деояти~---ис, прошедшее с момента появления первых микро­ процессоров, ГлГфсцроцессорная техника праила бурный интенсиванй путь развития п прочно вошла в практику создания разливших шчяедителышх средств н систем управления.

В нестоящее время выпускается большая номенклатуре микро ­ процессорных оредств [ 7 ] , поэтому перед разработчиками средств вычислительной техники и систем управления встает проблема опти­ мального выбора микропроцессорных средств для создания конкрет­ ных вычислительных устройств#

Рассмотрим классификацию микропроцессоров! причем в качест­ ве классификационных признаков будем использовать:

а) технологию изготовления; б) разрядность операционных блоков (АЛУ, региотры);

в) количество микросхем, составляющих МП; г) способ управления; д) структуру МП.

I . I . I . Микропроцессорные БИС изготавливаются со различным технологиям, которые в настоящее время используются при произ­ водстве полупроводниковых приборов.

В табл. I Л приведены технологии и характеристики некоторых отечественных микропроцессорных БИС#

Как следует* из таб л .1 .1 , применяемая для изготовления макропроцессррных БИС технология определяет ряд важнейших техноло­ гических показателей, таких как плотность размещения элементов на кристалле, быстродействие, потребляемая мощность, теадературный диапазон их работы.

Как известно, технология р -ВДП обеспечивает выооную плот­ ность, но относительно невысокое быстродействие. Микропроцессо­ ры, построенные на основе я-ЭДИП технологии, обладают также вы~ оокай степенью интеграции и значительно большим быстродействием по сравнению с микропроцессорами на основе Р -МДП.

Характерной особенности) микропроцессорных НЮ на основе ИЩП-технолагии является невысокая потребляемая мощнооть и широ­ кий температурный диапазон работы - (-60*85) °С,

Микросхемы на основе интегральной инвекционной логики ОгЛ) обладают средники параметрами по многим показателям.

Технология ТТЛ с диодами Шоттки (ТТШП) обеспечивает постро­ ение микропроцессорных БИС с несколько меньшей степенью ннтегре-

Самым высоким быстродействием обладают микропроцессоры ка основе элементов эииттерно-связанкой логики (ЭСЛ) - серия KÏ800,

1 ,1 ,2 , Важным показателем» который нужно учитывать при поотроении вычислительных уотройотв, является разрядность опера­ ционных блоков микропроцессоре.

От разрядности микропроцессоров зависят как сложность (ко­ личество БИС) вычислительного блока обработки данных при боль­ шой длине обрабатываемого формата данных» так и скорость обра­ ботки.

При небольшой разрядности микропроцессора или микропро­ цессорного блока АЛУ обработку данных большого формата прихо­ дится организовывать последовательно, что существенно снижает результирующее быстродействие микропроцессорной системы.

При малой разрядности микропроцессорных секций (как, напри­ мер» в К589) при создании процессорного АЛУ большой разрядности существенно усложняется его аппаратная реализация» так как тре­ буется большое количество БИС микропроцессорных секций, схем ор­ ганизации ускоренного переноса.

В настоящее время существует тенденция увеличения разряд­ ности микропроцессоров и доведения ее до 16 и даже 32 бит.

1 Л .З . По количеству БИС микропроцессоры делятся на одно­ кристальные (К58О0К8О, КР180ШБ1, КР58Ш51) и ыногокристальные (К536, К587» К589, KPI802, KPI804 и д р .).

В случав однокристального микропроцессора на одной ШС размещаются как операционные блоки (АЛУ, регистры), так и уст­ ройство управления. Как правило, такие микропроцессоры нельзя достаточно просто использовать для создания многоразрядных бло­ ков путем их параллельного включения.

Особое место среди однокристальных макропроцессоров зани­ мают так называемые однокристальные микроЭШ, включающие все основные элементы микроЭЕМ: микропроцессоры, ОЗУ, ПЗУ в интер­ фейсные блоки.

В случае многокриствльных микропроцессоров на одной ЕИС размещается операционная часть (АЛУ, секция АЛУ), н е других

БИС размещаются схемы управления* БИС управляющей памяти (K5SI)* Среди многокристалышх ми1ф опрсцессоров можно выделить так

называемые секционные микропроцессоры* которые позволяют вара» щивать разрядность блока обработки данных (К589, КЭВ7, KPI804

ид р .).

1.1,4* По способу управления в архитектурным особенностям микропроцессоры бывают с "жесткой” (достоянной) дошкой управ­ ления, с фиксированным набором команд и минропрограмлируемые

микропроцессоры» Логика работы (выполняемые команды) микропрограммируемых микропроцессоров может быть преобразована путем изменения содержания микропрограммной памяти» Фэииы образом» микроорограммируемые микропроцессоры позволяют в максимальной степени приблизить архитектуру вычислительного устройства к ре­ ализуемым на микропроцессорной системе алгоритмам»

Микропроцессор К580ИК80 является типичным представителем однокристальных микропроцессоров с фиксированным набором команд* Изменить логику работы этого микропроцессора нельзя.

Многокристальный комплект БИС серии K58I (К58ШК1* К58ШЕШ, K58IP7I* K58IF72) * хотя и относится к микропрограммируемнм мик­ ропроцессорам, но микропрограммы* опрздедявдие логику его рабо­ ты* "дралигы” в микропрограммном ПЗУ, т .е . набор K58I по сущест­ ву является специализированным и применяется для создания систем с комвццами шкроЭБМ тм а "ЭлектроЕшш-бО".

Современные достижения кпкроэлектроники позволили размэс- я т ь все БИС набора K58I на одном кристалле (КР-58ХВБ1) » так что этот микропроцессор можно также отнести к однокристальным о фиксированным набором команд.

Секционные шкропрохрашируекые микропроцессоры позволяют строить вычислительные и управляющие системы с различным функ­ циональным назначением и различными техническими характеристи­ ками.

К подобным шкропроцессорам можно отнести микропроцессоры серий К587, К589, КРЗВ02* ЕРЗВ04 Я др.

I .I .5 . Безусловно, важнейшим функциональным признаком, от­ личающим один микропроцессор от другого, является его структу­ ра.

Под структурой микропроцессора будем поништь совокупность

основных фушащональных# аппаратных блоков и связей ытзду ниш» Структура шкропроцессорэ во многом определяет многие техннчс’ - ш е показатели проектируемой на его основе вычислительной сиг теш»

Особенность МК как устройства о программируемой логикой заключается в подчиненности его аппаратного соотава, т»е» отрук- щ и , программируемости» Поэтому разработчик микропроцессорной системы должен учитывать не только его структуру» но и возмох- L’OCTH программной реализации основных ^горитмов z функций. Для более полней характеристики возможностей микропроцессора будем яользоватвоя понятием архитектуры*

Архитектура МП - это концептуальное представление о микро» тпокзссоре с точки зрения програш иста, это логическая органжзаигя Ш» определяемая его воэмокяостяш по аппаратной и про» ГраштоЙ реализации функций»

Понятие архитектуры МП отражает его структуру, способы об­ ращения ко всем доступные программисту элементам структуры, способы представления и формата данных, набор операций, споообн адресации данных, форматы упрввляэдил слов в назначение управ» лш ш х сигналов и т ед .

Откатим наиболее характерные узлы юкроцр^г^ссора: которые составляют основу практически всех структур макропроцессоров.

Антральным блоком МП является арифметико-логическое уст­ ройство (АДУ), которое обычно включает в себя суьюатор, одвиго-

. ко регистры, схемы ускоренного переноса, регяо р:, В АЛУ аппа» $ада> выполняется кзсколько (около десяти) простейших операций» Регистры общего назначения (РШ) образуют сверхоперативную яагяиъс они предназначены для оперативного хранения подлежащих

((бреботке данных, результатов и команд. Число ?Ш в ьикрооро- "-спсрак невелико (от нескольких штук до язоколькюс деоятков)» О целью расширения возможностей АЛУ в МП имеется нескодь-

со специальных регистров, таких как аккумулятор, программный счетчик (счетчик команд), указатель стека (УС), регистр команд, регистр состояния (признаков), буферные регистры л т.,д,

Введение аккумулятора позволяет сократить время выполне­ ния некоторых операций л уменьшить длину некоторых команд.

Обычно в структуру МП входит стеновая память, причем стек небольшого объема может размещаться яа кристалле микропроцес­ сора. Иногда сток размещается во вяевшгй оперативной памяти, а

-.л мц оставляют только специальный регистр « указатель J ., :vs.,

.Уаедонне стека предназначено для упрощения реализации оистеш

Программный очетчпк (ПС) содержит адрес очередной коман­ ды, надлежащей выполнению*

Регистр команд (РК) хранит код выполняемой в данный нодавт команда..

Рвгиотр признаков (РЩ предназначен для хранения признаков результата выполняемой операции в МУ (нулевого результата Р от­ рицательного результата? переноса, перевыполнения)*

Пересылки информации мэяду регистрами МП я МУ осуществля­ ются по внутренним шинам микропроцессора* С памятью и устройст­ вами ввода-вывода микропроцессор взаимодействует о помощью ад­ ресной, информационной к управляющей шин, Часто шформошкшндо з адресные шины объединяют в единую общую шину, производитель­ ность МП при этом снижается,

Рассмотрим особенности структуры некоторых типов Ш фощ хь цессрров на примере однокристального МП (К580ЙК80) » ш кропрсгремизруемого секционного микропроцессора (KPI8Q4) и однокрис­ тальной дакроЭБМ типа KI80IBEI*

Инфорквцня по некоторым другим микропроцессорам и ызкроцро^- цесоррным комплектам (МПК) ш лется в [ 2 ,7 ] «

Структура однокристального микропроцессора* Одним из наиболее расцроотраношшх однокристальных микро­

процессоров является 8-разрядный t i —МДП микропроцессор К580ЙК80. МП К580ИК80 размещен г стандартном корпусе типа 244.48-1, в котором задействовано только 40 выводов* Структур­ ная схема микропроцессора представлена на риоЛ Л * Назначение и нумерация внешних выводов приведены в табл* 1*2.

Микропроцессор К580ИК80 имеет одну 8-разрядную внутреннюю шину, которая связывает все функциональные блога ОЕ^раЕШонной частя МП. В состав МП ж одят:

8-разрадное АЛУ со схемами десягячео:'; л^зевдш I (СДК) ; восемь 8-разрядных РОН ( W ; Z , Р.,С, Э, Е.', H, L ) ; 8-разрядний аккумулятор (А) д два буферных регистра (BPI,

БР2);

4-резрядный регистр гю:.^яаков (РП) :