Указатель сокращений

АЛУ	– арифметико-логическое устройство
АС	– аппаратные средства
АЦП	– аналого-цифровой преобразователь
БИС	– большая интегральная схема
ГСА	– графическая схема алгоритма
ГТИ	– генератор тактовых импульсов
ИМС	– интегральная микросхема
ЗУ	– запоминающее устройство
КД	– конструкторская документация
КОП	– код операции
КП	– контрольный процесс
КУВОП	– код управления выполнением операции
МП	– микропроцессор
МПК	– микропроцессорный комплект
МПС	– микропроцессорная система
ОБ	– операционный блок
ОЗУ	– оперативное запоминающее устройство
ПДП	– прямой доступ в память
ПЗУ	– постоянное запоминающее устройство
ПК	– персональный компьютер
ППЗУ	– программируемое постоянное запоминающее устройство
ППИ	– программируемый параллельный интерфейс
ПС	– программные средства
ПФ	– передний фронт
РОН	– регистр общего назначения
РП	– рабочий процесс
РУ	– регистр управления
ТЗ	– техническое задание
УА	– управляющий автомат
УБ	– управляющий блок
УВВ	– устройства ввода/вывода
ЦАП	– цифро-аналоговый преобразователь
ША	– шина адреса
ШБ	– шинный буфер
ШД	– шина данных
ЭЛТ	– электронно-лучевая трубка
ЭВМ	– электронная вычислительная машина

Введение

Необходимость быстрого решения сложных математических задач с давних пор вызывала попытки создания вычислительных машин.

Впервые идея построения программно управляемой вычислительной машины была предложена английским математиком и инженером Чарлзом Беббиджем в 1834 году. Многочисленные попытки реализации его проекта не увенчались успехом. В окончательном варианте аналитическая машина Ч.Беббиджа должна была быть размером с железнодорожный локомотив и приводиться в действие паровым двигателем. Неудача Ч.Беббиджа была полностью обусловлена тем, что его идеи опередили время более чем на 100 лет. Еще не было элементов, на которых мог быть реализован столь грандиозный проект. И только электроника смогла дать вычислительной технике необходимую элементную базу.

Первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) ENIAC была создана в США в 1946 году для расчета баллистических таблиц. В ней использовалось 17468 электронных ламп и 1500 электромагнитных реле. Эта машина успешно выдержала испытания, продемонстрировав невиданное до тех пор быстродействие (время сложения  200 мкс, умножения  2,8 мс, деления  6 мс). Однако она имела габаритные размеры 29 м  5,8 м  6 м, весила 30 т, потребляла 150 кВт электроэнергии в час, стоила 2,8 миллиона долларов и безотказно работала около 7 минут. Такие характеристики исключали возможность распространения подобных машин.

Дальнейшее развитие вычислительной техники неразрывно связано с развитием элементной базы. В начале 50-х годов появились дискретные полупроводниковые элементы, которые легли в основу ЭВМ 2-го поколения. Использование диодов и транзисторов позволило существенно улучшить характеристики ЭВМ: сократить габаритные размеры и массу, уменьшить потребляемую мощность и стоимость, увеличить быстродействие и надежность. Однако, достигнутые характеристики лишь незначительно расширили сферу применения вычислительных машин. Подобные ЭВМ могли приобретаться только крупными научно-производственными организациями.

Стремление до минимума сократить расстояние между элементами с целью уменьшения габаритных размеров и повышения быстродействия ЭВМ привело к изготовлению нескольких электронных компонентов одновременно на одном и том же полупроводниковом кристалле. Так, в начале 60-х годов, возникло новое направление в электронике  интегральная микросхемотехника. В результате появились интегральные микросхемы сначала малой, а затем средней степени интеграции. На одном кристалле в этих микросхемах размещались соответственно десятки и сотни транзисторов. В виде интегральных микросхем стали изготавливаться типовые узлы вычислительной техники: логические элементы, регистры, счетчики и т. д.

Использование интегральных схем для построения ЭВМ одновременно с оптимизацией их структуры привело к созданию в середине 60-х годов ЭВМ 3-го поколения, получивших название миниЭВМ. При тех же функциональных возможностях миниЭВМ имели существенно меньшие габариты и стоимость. Это привело к резкому расширению области применения вычислительных машин. МиниЭВМ появляются в небольших научных лабораториях, заводских коллективах и т.п. для выполнения математических расчетов.

Попытки решения всех проблем вычислительной техники с помощью интегральных микросхем с "жесткой логикой" привели к неограниченному росту номенклатуры элементов, что было неприемлемо для их серийного производства.

В поисках выхода из этого тупика американская фирма Intel в конце 60-х годов предложила использовать для построения вычислительных средств интегральные микросхемы с "гибкой логикой", функции которых могли перепрограммироваться. К этому времени развитие микроэлектронной технологии позволяло разместить на одном кристалле тысячи и десятки тысяч транзисторов. Это дало возможность реализации любого функционального узла ЭВМ в виде одной большой интегральной схемы (БИС).

Интегральная микросхема, выполняющая функции процессора ЭВМ, получила название МИКРОПРОЦЕССОР (МП). Весь набор интегральных схем, необходимый для построения ЭВМ, был назван МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ КОМПЛЕКТОМ (МПК) БИС.

В 1971 году фирма Intel выпустила на рынок первый МПК 4004 с 4-разряд­ным МП, а в 1973 году  МПК 8008 с 8-разрядным МП. Вскоре в широкую продажу поступили десятки МПК БИС конкурирующих фирм. Однако фирма Intel постоянно занимает лидирующее положение на рынке МПК. Многие удачные разработки этой фирмы были повторены в различных странах. Уже в 1974 году фирма Intel выпустила 8-разрядный МП 8080 (отечественный аналог КР580ВМ80), а в 1976 году  его улучшенный вариант МП 8085 (КР1821ВМ85). Особенно плодотворным было сотрудничество с фирмой IBM, в результате которого в период с 1978 по 1983 годы были созданы 16-разрядные МП 8086 (К1810ВМ86), 8088 (К1810ВМ88) и 80286. С 1985 года фирма Intel создает все более совершенные 32-разрядные МП 80386, 80486 и т. д.

Использование МПК БИС обеспечивает возможность построения ЭВМ в виде одной печатной платы. Такие ЭВМ получили название МИКРОЭВМ. При равных функциональных возможностях стоимость микроЭВМ уменьшилась в 1000-10000 раз, габаритные размеры и масса  в 20000-30000 раз, потребляемая мощность  в 100000 раз по сравнению с миниЭВМ. Столь резкое улучшение характеристик вызвало революционный переворот в применении вычислительных машин. Вследствие малых габаритов и массы, низкой стоимости и потребляемой мощности появилась возможность использования микроЭВМ везде, где это необходимо.

С самого начала микроЭВМ развивались в двух основных направлениях  для решения универсальных и специализированных задач.

Для решения универсальных задач микроЭВМ были оснащены стандартными периферийными устройствами ЭВМ: дисковыми накопителями, клавиатурой, дисплеем  и операционной системой. В результате появились персональные компьютеры (ПК), победное шествие которых продолжается по всему миру. В современных ПК используются наиболее совершенные МП: 80286, 80386, 80486, Pentium и т. д., обладающие большой вычислительной мощностью. По многим характеристикам они превосходят миниЭВМ 70-х годов.

Специализированные микроЭВМ ориентированы на решение одной задачи и часто выполняют не только вычислительные, но и управляющие функции. Они встраиваются непосредственно в управляемые объекты: технологическое оборудование, автомобили, приборы, придавая им интеллектуальные свойства. В этом случае для реализации управляющих функций микроЭВМ оснащаются специализированными датчиками и исполнительными механизмами. Подобные системы получили название МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ (МПС) или МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ.

В настоящее время для построения МПС наиболее целесообразно использовать МП К1810ВМ86 и К1810ВМ88 как наиболее совершенные элементы, выпускаемые отечественной промышленностью и обладающие достаточной вычислительной мощностью. Эти МП являются базовыми, и их изучение дает ключ к проектированию МПС на более развитых моделях МП фирмы Intel.

Однако изучение МПК и создание МПС сопряжены с рядом трудностей, обусловленных:

1) функциональной сложностью компонентов МПК БИС;

2) специфичностью и трудоемкостью разработки программных средств МПС, несущих основную функциональную нагрузку;

3) особенностями отладки и обслуживания МПС, требующих применения специальных аппаратных и программных средств.

Целью настоящего учебного пособия является систематизированное изложение сведений, необходимых для подготовки специалистов к практической деятельности в области проектирования и ремонта МПС на базе МП К1810ВМ86 и К1810ВМ88.

В основу пособия положены курсы лекций, многократно прочитанные автором в Рыбинской государственной авиационной технологической академии, а также на факультете повышения квалификации ИТР. Изложение материала сопровождается практическими примерами, взятыми из реальных НИР, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора.

Автор благодарен за помощь и сотрудничество всем, принимавшим участие в работе над рукописью данного пособия. Особую признательность автор выражает Шубину Н.А. за участие в обсуждении тонких аспектов рассматриваемых вопросов в процессе подготовки, а также просмотр готовой рукописи и его ценные замечания, способствующие улучшению качества настоящего пособия.