ВВЕДЕНИЕ
В четвертой части конспекта лекций рассматриваются основные определения и классификация микропроцессоров, структурные схемы микропроцессоров с «жесткой» и программируемой логикой управления, типовая структурная схема микропроцессорной системы с мультиплексируемой шиной адресов и данных на основе микропроцессора К1821ВМ85А. Описываются структура микропроцессора К1821ВМ85А, назначение узлов и их взаимодействие в процессе считывания и исполнения команд, система прерываний, последовательный ввод-вывод данных, система команд и приемы программирования. Рассматриваются назначение, схемотехническая реализация, принципы работы простых интерфейсных схем и их программирование. Приводятся примеры современных интерфейсных микросхем отечественного производства схемотехники КМОП.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОПРОЦЕССОРАХ
Общие сведения о микропроцессорах, основные определения и классификация
Микропроцессором (МП) называют программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, реализованное в виде одной или нескольких интегральных схем.
Микропроцессорная БИС – интегральная схема с большой степенью интеграции, выполняющая функцию микропроцессора или его части.
Микропроцессорный комплект (МПК) – совокупность микропроцессорных и других интегральных схем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, обеспечивающих возможность их совместного применения в составе микропроцессорного вычислительного или управляющего устройства.
Кристалл БИС – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы базовые элементы микропроцессора, межэлементные соединения и контактные площадки.
Аналоговая микросхема – микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
Цифровая микросхема – микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.
МП является центральным процессорным элементом микропроцессорных систем (МПС) или микроЭВМ.
МПС – совокупность БИС МПК, объединенных в единую структуру и имеющая совместную программу работы.
В МПС организуется процесс выполнения заданной программы, и самые разные задачи решаются путем выполнения команд, свойственных данному МП, т. е., входящих в его систему команд.
Система команд – полный набор всех команд, выполняемых МП.
Вычислительные, контрольно-измерительные и управляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, относятся к числу МПС.
Первый МП появился в 1971 году. Это 4-разрядный МП i4004, который стал применяться в микрокалькуляторах. В 1972 году появился 8-разрядный МП i8008, а в 1974 году его улучшенный аналог i8080. Он нашел применение в первых встроенных ЭВМ для управления производственными процессами.
Развитие МП шло по разным направлениям, важнейшее из которых - увеличение разрядности. В этой области в сжатые сроки были достигнуты существенные результаты. Так в 1980 году фирма Motorola выпустила 32-разрядный МП MC68000, а затем Intel и др. Первый 64-разрядный МП i80860 был создан фирмой Intel в 1989 году и т. д. Подавляющее большинство производимых МП являются однокристальными.
Все многообразие МП БИС можно классифицировать по следующим признакам (рисунок 1):
по технологии изготовления и схемотехнической элементной базе;
по разрядности обрабатываемых данных;
по типу архитектуры;
по виду временной организации работы БИС;
по функциональному назначению;
по виду обрабатываемой информации;
по области применения;
по числу одновременно выполняемых программ.
По технологии изготовления и связанной с ней схемотехнической элементной базе различают МП БИС на основе схемотехники типа МОП, биполярной и комбинированной биполярно-полевой (Би-КМОП). Первые поколения МП БИС были реализованы на основе p- (p-МОП) и n-канальных (n-МОП) транзисторов, современные поколения проектируются на основе усовершенствованной КМОП-схемотехники и технологии. Микропроцессорные БИС на основе комбинированной биполярно-полевой (Би-КМОП) технологии обладают наилучшим сочетанием характеристик, обеспечивая высокие быстродействие и нагрузочную способность при сравнительно небольшой, присущей КМОП БИС, мощности потребления. Наибольшее распространение получили МП БИС типа КМОП и Би-КМОП.
По разрядности обрабатываемых данных различают 2-, 4-, 8-, 16-, 32-, 64-разрядные МП БИС и более. При этом обычно имеется в виду максимальная разрядность обрабатываемого информационного слова (операнда), например, 16-разрядный МП может обрабатывать 8-разрядные слова.
По типу архитектуры различают расширяемые (или секционные) и нерасширяемые (или закрытые) микропроцессоры. Расширяемые позволяют увеличивать разрядность обрабатываемых данных (операндов) путем параллельного объединения необходимого числа МП БИС. Так, для обработки 32-разрядного слова можно использовать два 16-разрядных или четыре 8-разрядных секционных МП. Естественно, в структуру таких МП БИС вводятся специальные входы, определяющие позицию секционного МП в микропроцессорной системе – младшая, средняя или старшая. В понятие типа архитектуры также включается тип шинной организации: с раздельными, с совмещенными, с двунаправленными шинами.
Рисунок 1 – Классификация МП БИС
Кроме возможности расширения разрядности схемные решения МП БИС позволяют организовать конвейерные архитектуры, когда обработка потока информации выполняется параллельно.
В зависимости от используемой системы команд различают два типа архитектур: МП CISC-архитектуры (CISC-Complex Instruction Set Computer), выполняющие полный набор команд и МП с RISC-архитектурой (RISC-Reduced Instruction Set Computer), выполняющие не все стандартные, а только наиболее часто используемые в вычислительных и управляющих системах типы команд. Это позволяет существенно сократить аппаратурные затраты, необходимые для реализации таких БИС, а главное, увеличить производительность работы МП БИС.
По виду временной организации работы МП БИС и их комплекты подразделяются на синхронные и асинхронные. Если в синхронных МП БИС время выполнения команд (тактовая частота работы БИС) остается постоянным и независимым от типа команд и величин операндов, то в асинхронных МП БИС начало выполнения каждой следующей команды определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей. Синхронные МП БИС отличаются сравнительной простотой организации внутреннего управления, хотя и обеспечивают более низкую по сравнению с асинхронными БИС производительность.
По функциональному назначению различают следующие типы МП БИС: БИС процессорных элементов (ПЭ), БИС микропрограммного управления (МПУ), интерфейсные БИС. Процессорные элементы фактически представляют собой операционное устройство любой микропроцессорной системы, которое выполняет полный набор операций. БИС МПУ, входящие в состав большинства микропроцессорных комплектов, предназначены для формирования последовательности адресов внешней памяти команд (микрокоманд) на основании кодов обрабатываемых команд, значений вырабатываемых процессорным элементом сигналов, сигналов внешних устройств, запросов прерываний и т. д. Интерфейсные МП БИС предназначены для организации связи БИС ПЭ и МПУ с внешними устройствами и друг с другом в составе любой микропроцессорной системы. Здесь, в свою очередь, различают такие их типы, как магистральные приемопередатчики (МПП), магистральные коммутаторы (МК), программируемые системные контроллеры (ПСК), программируемые каналы ввода-вывода (ПКВВ), многоцелевые буферные регистры, контроллеры прямого доступа к памяти (КПДП) и др.
По виду обрабатываемой информации МП БИС могут быть разделены на цифровые, аналоговые и комбинированные (цифро-аналоговые и аналого-цифровые). В цифровых МП БИС прием, обработка и выдача результата осуществляется в цифровой форме. В аналоговых МП БИС информация поступает на входы в аналоговой форме, затем преобразуется в цифровую с помощью встроенных средств и в таком виде обрабатывается МП. Результаты обработки снова преобразуются в аналоговую форму и поступают на выход БИС.
По области применения различают два больших класса МП БИС - специализированные и универсальные. Специализированные МП БИС предназначены для реализации лишь определенных классов микропроцессорных систем и устройств – цифровой обработки сигналов (ЦОС), систем решения задач радиолокации, гидродинамики, кинофототехники, медицинской электроники, автомобильной электроники и т. д. Универсальные МП БИС могут быть использованы в различных системах вычислительной техники и автоматики. Основное достоинство специализированных МП БИС – их высокая производительность на конкретных задачах.
По числу одновременно выполняемых программ МП БИС разделяются на одно- и многопрограммные. В однопрограммных МП БИС в один момент времени выполняется одна программа, переход к исполнению следующей программы (последовательности команд) происходит только после завершения предыдущей. В мультипрограммных МП БИС могут одновременно выполняться несколько программ.
Различают три группы параметров МП БИС: функциональные, электрические и динамические.
Основным функциональным параметром МП БИС является функциональная мощность К, измеряемая количеством операций, выполняемых в единицу времени (например, MIPS – миллион инструкций в секунду). В зависимости от типа операций различают несколько значений функциональной мощности, например: в формате операций регистр-регистр KRR, в формате операций регистр-память KRM и др.
Из других функциональных параметров используют разрядность слова адреса, разрядность слова данных, разрядность слова команды, число команд (микрокоманд), реализуемое МП БИС.
Электрические параметры МП БИС имеют размерность напряжения, тока и мощности и определяют основные технические характеристики микропроцессорных систем (см. параметры интегральных ЛЭ).
Динамические параметры МП БИС определяются по временной диаграмме (ВД), которая определяет развернутую во времени последовательность подачи на МП БИС управляющих воздействий, информационных, синхронизирующих и вспомогательных сигналов, а также последовательность считывания из БИС результатов обработки. На ВД приводится вид этих сигналов, указывают допустимые временные соотношения между ними, допустимые длительности и т. д.