2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких


Название2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких
страница1/5
Дата публикации24.07.2013
Размер0.64 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Информатика > Документы
  1   2   3   4   5
2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
2.1. Успехи интегральной технологии и

причины появления микропроцессоров
Интегральная технология (ИТ) за первые 20..30 лет своего развития достигла таких относительных темпов роста характеристик качества, которых не знала ни одна область человеческой деятельности (включая и такие бурно растущие, как авиация и космонавтика). Действительно, рассмотрим динамику изменений основных параметров ИТ за первые 20 лет ее развития (1960..1980гг):

  • Степень интеграции N – увеличилась на 5-6 порядков;

  • Площадь транзистора S – уменьшилась на 3 порядка;

  • Рабочая частота f – увеличилась на 1-3 порядка;

  • Факторы добротности:

1) fN ­– увеличился на 5-7 порядков;

2) Pt – уменьшился на 4 порядка;

где P – мощность, рассеиваемая элементом;

t – задержка на элементе;

  • Надежность (при сопоставлении элементо-часов) - увеличилась на 4-8 порядков;

  • Производительность технологии (в транзисторах) - увеличилась на 4-6 порядков;

  • Цена на транзистор в составе ИС - уменьшилась на 2-4 порядка.

Если бы авиапромышленность в те же годы имела аналогичные темпы роста соответствующих показателей качества (стоимость-скорость-расход топлива = стоимость-быстродействие-рассеиваемая мощность), то "Боинг 767" стоил бы $500, облетал земной шар за 20 мин. и расходовал на этот полет 10 л. горючего.

Успехи ИТ в области элементной базы позволяли "поглощать" кристаллом все более высокие уровни ЭВМ: сначала - логические элементы, потом - операционные элементы (регистры, счетчики, дешифраторы,...), далее - операционные устройства. Степень функциональной сложности, достигнутой в ИС, определяется особенностью технологии, разрешающей способностью инструмента, а также структурными особенностями схемы: регулярностью, связностью.

Кроме того, следует иметь в виду, что выпуск ИС был экономически оправдан лишь для функционально универсальных схем, обеспечивающих их достаточно большую тиражность.

С этой точки зрения интересно взглянуть на соотношение ИС логики и памяти в процессе эволюции ИС-СИС-БИС-СБИС. Первые ИС (степень интеграции N - 101) были исключительно логическими элементами. При достижении N примерно 102 стали появляться наряду с операционными элементами первые элементы памяти - 16-64-128 бит. По мере дальнейшего роста степени интеграции память стала быстро опережать "логику", т.к. по всем трем параметрам имела перед логическими схемами преимущество. Действительно, структура накопителя ЗУ существенно регулярна (повторяемость элементов и связей по двум координатам), связность ее растет пропорционально логарифму объема (при увеличении объема памяти вдвое и сохранении без изменения способа доступа в БИС достаточно добавить лишь один вывод). Наконец, память "нужна всем" и "чем больше, тем лучше", особенно, если "больше, но за ту же (почти) цену".

Что касается ИС логики, то на уровне N = 103 на кристалле можно уже размещать устройство ЦВМ (например, АЛУ, ЦУУ), но схемы логики (особенно управление) существенно нерегулярны, их связность (сильно зависящая от конкретной схемы) растет примерно пропорционально N, причем такие схемы, как правило, не являлись универсальными и не могли выпускаться большими тиражами (исключения - БИС часов и калькуляторов).

Рассмотренные выше основные элементы современных МП устройств имеют «жесткую» логику и не имеют возможность изменять свои внутренние свойства и выполняемые функции.

Следующий структурный уровень «универсальных вычислительных средств для специализированных применений» начинает формироваться на рубеже 70-х годов, когда успехи интегральной технологии конца 60-х годов привели к созданию БИС, и таким образом, впервые появилась реальная технологическая возможность создать универсальный процессор на одном кристалле.

Термин микропроцессор за рубежом связан с известной разработкой, которую фирма Intel выполнила в 1969г. по заказу одной из японских компаний. На одном из первых этапов разработки изготовитель предложил в место очередного специализированного набора БИС жесткой логики создать универсальный процессор на кристалле, который мог быть запрограммирован затем на выполнение заданных в спецификации заказчика функций. Фирма Intel завершила разработку первого МП в июне 1971 года.

Основной концепцией тогда являлось «создать стандартный логический блок, конкретное назначение, функцию которого можно было определить после его изготовления…». И, следовательно, ключ успеха МП в « быстром снижении стоимости в пересчете на выполняемую функцию, так как этот фактор всегда был основной движущей силой технологии…»

Другими словами стоимость аппаратных средств значительно стала меньше стоимости программных разработок.

Последовательная реализация принципа «универсального процессора для специализированных применений» привела к созданию МП, который

можно определить следующим образом:

-Микропроцессор-массовый универсальный преобразователь информации, основное назначение которого - рассредоточение машинного «интеллекта» до уровня блоков, узлов и отдельных деталей специализированных систем контроля и управления, с целью повышения их эффективности и расширения функциональных возможностей.

Разработка первого микропроцессора (МП) - попытка создать универсаль­ную логическую БИС, которая настраивается на выполнение конкретной функции после изготовления средствами программирования. На подобную БИС - МП первоначально предполагалось возложить лишь достаточно произвольные управляющие функции, однако позже МП стал использоваться как элементная база ЦВМ последующих поколений. Появление МП вызвало необходимость разработки целого спектра универсальных логических БИС, обслуживающих МП: контроллеры прерываний и прямого доступа в память (ПДП), шинные формирователи, порты ввода/вывода и др.

^ 2.2. Характеристики микропроцессоров

и поколения их создания
Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров:

  • разрядность;

  • быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды;

  • потребляемая мощность;

  • технология (уровень логических сигналов);

  • архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;

  • структурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;

  • число источников питания;

  • число БИС в комплекте;

В первые десятилетия своего развития микропроцессоры было принято делить на поколения, причем границы поколений (разумеется, весьма условно) проводились по признаку технологии, освоенной на данном этапе эволюции МП. Рассмотрим кратко особенности первых трех поколений МП.

Микропроцессоры 1 поколения. Первый МП был разработан фирмой INTEL и выпущен в 1971г. на основе p-МОП технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Фирма Rockwell выпустила модели МП PSS-4, PSS-8. Все они могут быть отнесены к МП 1 поколения, характеристиками которого являются:

  • разрядность - 4..8 бит;

  • технология - p-МОП;

  • быстродействие (RR) - 5..60 мкС;

  • тактовая частота - 200..800 КГц;

  • совмещение шин адреса и данных;

  • число вспомогательных ИС и СИС - 15..50;

  • подсистемы прерываний и ПДП - отсутствуют.

Первые МП 1-го поколения - 4-разрядные приборы, использовались для организации десятичной арифметики (калькуляторы). Так, i4004 имел 4-разрядное АЛУ с блоком десятичной коррекции, 16 РОНов, внутренний трехуровневый стек. Объем адресного пространства 212 (возможен выбор одного из 4 банков такого размера). Система команд включала 46 команд: пересылки, ввод/вывод, сдвиги, арифметические команды.

В процессе эволюции МП первого поколения (МП-1) имело место увеличение разрядности (до 8) и некоторое расширение функций. Так, в i4040 добавлены логические операции, увеличен массив РОН (до24), введено одноуровневое прерывание. i8008 предназначался прежде всего для использования в системах управления. В нем, по сравнению с i4004, увеличена разрядность (до 8), добавлены логические команды, но исключен блок десятичной коррекции. Все МП-1 выпускались в стандартном 16-выводовом корпусе.

Микропроцессоры 2 поколения. Совершенствование технологии МОП, переход на n-МОП технологию привел к появлению МП второго поколения, которые отличались от МП-1 не только количественными характеристиками, но и качественно. В 1974г. был выпущен МП i8080, который стал первым и наиболее популярным МП второго поколения (МП-2). Он же положил начало семейству однокристальных МП, которому суждено было стать (и оставаться до настоящего времени) доминирующим на мировом рынке МП. Вслед за i8080 другими фирмами были выпущены МП со сходными (иногда несколько лучшими) характеристиками. Наиболее известными являются. Z80 фирмы Zilog и MS6800 (Motorola). Эти МП, как и i8080, имеют своих 16- и 32-разрядных "потомков". Характерными признаками МП-2 можно считать:

  • переход на более прогрессивные технологии n-МОП и КМОП, позволившие повысить быстродействие МП до 2..2,5 МГц (200..500 тыс. операций RR), снизить потребление мощности (КМОП);

  • значительные архитектурные отличия: расширение системы операций, использование широкого набора способов адресации (прямая, косвенная, относительная, безадресная, непосредственная),введены подсистемы

  • прерываний и прямого доступа в память (ПДП), предусмотрен механизм универсального стека;

  • структурные отличия: шины адреса и данных разделены, уменьшено число вспомогательных ИС и СИС.

МП-2 пришли на смену МП-1, значительно расширив сферу применения МП. Правда, МП-1 (по признаку технологии p-МОП) возродились позже в новом качестве - дешевых приборов бытовой электроники.

Другая судьба ожидала МП-2. Появившиеся микропроцессоры третьего поколения (МП-3) стали развиваться параллельно с МП-2, причем МП-2 легли в основу т.н. однокристальных МП и микро-ЭВМ, а МП-3 - секционированных многокристальных МП.

третье поколение МП связано со стремлением к увеличению быстродействия МПС и переходом на биполярные технологии - ТТЛ и ТТЛШ.

Исходя из соотношения dEdt = const,

где dt - время переключения, dE - энергия переключения

очевидно, что повышение быстродействия связано с увеличением рассеиваемой мощности, а следовательно - к снижению степени интеграции кристалла. Первые МП-3 приборы были двухразрядными, что не приводило к увеличению производительности МП, хотя тактовая частота увеличивалась значительно (на порядок). Это обстоятельство повлекло значительные структурные изменения в МП-3 по сравнению с МП-2:

  • микропроцессоры выпускаются в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы УУ;

  • устройство управления вынесено на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;

  • за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусмотрены отдельные шины ввода и вывода данных, адреса, причем данные от разных источников вводились по различным шинам. Так, первый МП-3 i3000 (серия К589 - отечественный аналог) имел три двухразрядные входные шины данных (от памяти, УВВ и УУ) и две выходные шины - данных и адреса;

  • кристаллы управления реализуют УУ с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

Тенденции развития поколений. В настоящее время технология не является решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И2Л + ТТЛШ).

Современные микропроцессоры принято разделять на два больших класса: однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ.

Направление развития однокристальных МП - непрерывное наращивание вычислительной мощности процессора за счет увеличения разрядности, расширения системы команд, появления дополнительных функций - Кэш-памяти, конвейера операций, встроенных процессоров плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.

Однокристальные микро-ЭВМ, сохраняя вычислительную мощность процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС: тактовый генератор, память программ и данных, контроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микро-ЭВМ - АЦП и ЦАП и другие спец. средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно подключать к периферийным устройствам для создания микро-ЭВМ или включать в контур управления.

Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база "больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.

На Рис. 2.1 показаны направления развития различных типов МПС.

Из Рис. 2.1 видно, что наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров - INTEL. Далее будем иллюстрировать основные положения курса примерами организации МП этого семейства: однокристальные МП - i8080-i8086-i80286-i80386-i80486-Pentium-PentiumPro; однокристальные микро-ЭВМ - i8035-i8051/52


Р
ис. 2.1. Микропроцессоры (дерево развития)
^ 2.3. Классификация микропроцессоров
Бурное развитее микропроцессорной техники выделило из большого многообразия существующих МП три основные типы архитектуры МП:

  • секционированные с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением;

  • однокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;

  • однокристальные микроЭВМ.

Кроме того, МП могут быть классифицированы по ряду других признаков:

  • по функциональному назначению: универсальные, применяемые в вычислительной технике и цифровой автоматике и специализированные, предназначенные для построения одного типа вычислительных машин или устройств автоматики (например, БИС МП микрокалькулятора);

  • по разрядности обрабатываемых данных МП могут быть 2-, 4-, 8-, 12-, 16-, 24-, 32-разрядными;

  • по способу управления МП можно разделить на МП со схемным и МП с микропрограммным управлением. Первые более быстродействующее, однако, их программирование однозначно определяется хранящимися в МП командами и электрической схемой. Вторые, при сравнительно меньшим быстродействием функционируют в зависимости от последовательности микрокоманд, установленных оператором.

  • по используемой технологии: МП на основе ЭСЛ технологии – самые высокобыстродействующие (серия К1800); секционированные ТТЛШ МП наборы также обладают высоким быстродействием; МП на основе И2Л технологии обладают усредненными характеристиками; n-МДП технология обеспечивают самую высокую плотность компоновки и высокое быстродействие, однако имеет недостаточно широкий диапазон температур окружающей среды; КМДП(КМОП)-технология обеспечивает сверх низкое энергопотребление, высокую помехоустойчивость и наиболее приемлема для построения специализированных микропроцессорных систем для бортовых машин.


^ 2.3. Восьмиразрядный микропроцессор КР580ВМ80
Процессор - центральное устройство ЭВМ, которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразова­ния информации, управляет вычислительным процессом и координиру­ет работу периферийных устройств системы. Процессор, выполненный на одном кристалле методами интегральной технологии или на несколь­ких больших интегральных схемах БИС, называют микропроцессором.

Микропроцессоры широко используются для создания различных средств вычислительной техники и, в первую очередь, при разработке систем управления различными объектами. Родоначальником 8-разрядных микропроцессоров следует считать микропроцессор фирмы Intel i8080, созданный в 1974 г. Отечественным аналогом этого микропроцессора является КР580ВМ80А. Процессор оперирует с 8-битными данными и 16-битными адресами, что позволяет адресовать 64 Кбайта памяти.

По­нятие "микро", в первую очередь, связано с размерами и стоимостью системы. Однако это понятие накладывает определенные ограничения и на возможности вычислительной системы; так, ограничена длина машинного слова микропроцессора, ограничены объем памяти и быстродействие.

Основные функции микропроцессора могут быть определены последовательностью пяти операций:

1. Считывание входного двоичного кода.

2. Сравнение считанного кода с внутренним состоянием процессора.

3. Вывод кода, являющегося результатом сравнения.

4. Изменение внутреннего состояния на новое состояние.

5. Повторение описанной последовательности действий для ново­го входного кода.

Основными функциональными элементами микропроцессора являются регистры и арифметико-логическое устройство. Операция сравнения реализуется как некоторая арифметическая или логическая операция в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) микропроцессора. АЛУ может осуществлять логическую и арифметичес­кую обработку информации, представляемой в виде двоичных кодов.

Для хранения и передачи двоичных кодов используются регистры. Они состоят из нескольких запоминающих элементов емкостью один бит (триггеров), в которые информация записывается параллельно или последовательно. Буферным регистром с тремя состояниями называют электронную схему, предназначенную для отключения одной части микроЭВМ от другой. Эта схема работает подобно ключу. Выходы буферного реги­стра могут находиться в одном из трех состояний: 0, 1, высокоимпеансное состояние. Буферные регистры обычно могут передавать информацию в обоих направлениях: с входа на выход и с выхода на вход.

С
вязь между этими элементами осуществляется с помощью шин. Каждая шина состоит из отдельных линий связи. По линии связи можно передать один бит информации. Шины имеют разные функциональные назначение.

^ Структура микропроцессора

Микропроцессор в качестве своих элементов включает рассмотрен­ные выше устройства и имеет весьма сложную электронную схему, со­держащую около шести тысяч транзисторов. Однако, с точки зрения пользователя и программиста, микропроцессор можно представить в ви­де сравнительно простой структуры, показанной на рис. 2.2. Эта струк­тура относится к широко распространенному отечественному микропро­цессору КР580ВМ 80А (аналог микропроцессора Intel i8080).

На рис. 2.2 обозначены следующие компоненты микропроцессора: БД  буфер данных, А аккумулятор, ТЕМ регистр временного хранения информации, АЛУ арифметико-логическое устройство, F- регистр признаков, РК регистр команды, ДШК дешифратор команды, В,С,D,E,H,L  регистры общего назначения (РОН), SP указатель стека, PC счетчик команд, РА регистр адреса (буферный), УУ устройство управления, ШД - шина данных, ША - шина адреса, ШУ – шина управления.

Сигналы управления:

  • С1,С2 (01,02)  тактовые сигналы,

  • R (RESET)  сброс в исходное состояние,

  • Г (READY)  готовность внешнего устройства,

  • ЗХ (HOLD) требование ВУ захвата шин,

  • ЗПР (INT)  запрос прерывания,

  • ПЗХ (HLDA)  подтверждение захвата,

  • ЖD (WAIT)  ожидание готовности ВУ,

  • РПР (INTE)  разрешение прерываний,

  • П (DBIN)  прием информации (чтение),

  • ВД (WR)  выдача информации (запись),

  • F (SYNC)  сигнал синхронизации.

Описываемый микропроцессор работает с двоичными числами длиной восемь бит или один байт. Такое число называется машинным оловом или данными D=D7D6D5D4D3D2D1D0, где D1- биты слова. Основ­ными элементами макропроцессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ; восьмиразрядные регистры A, B, С, D, Е, Н , L, ТЕМ и РК ; регистр признаков F ; 16-разрядные регистры SP (ука­затели стека) и PC (счетчик команд); буферные регистры данных, адреса и устройство управления. При использовании микропроцессора не все из перечисленных элементов доступны программисту. В процес­се составления программы могут использоваться только регистры А, В, С, D, E, H, L ,ТЕМ и РК.

Регистр А называется аккумулятором и используется для хранения одного из восьмиразрядных чисел, с которыми работает арифметико-логическое устройство АЛУ. Эти числа называются операндами. Таким образом, в аккумуляторе всегда хранится один из операндов. Резуль­тат выполнения операции в АЛУ вновь помещают в аккумулятор. Шесть восьмиразрядных регистров (В, С, D, E, H, L) предназначены для хранения информации внутри микропроцессора и называются регистрами общего назначения (РОН). При выполнении некоторых команд регистры ВС, DE, HL объединяются в регистровые пары для хранения 16-разрядных данных.

Регистр F называется регистром признаков результата выполне­ния операции в АЛУ. Он включает ряд триггеров, которые устанавли­ваются в "1" или сбрасываются в "0" в зависимости от некото­рого признака получившегося в АЛУ результата выполнения операции. Каждый триггер хранит какой-то один признак. В регистре признаков хранятся следующие биты информации о признаках результата выпол­нения операции:

  • Бит Z - признак нуля; устанавливается в "1" , если результат выполнения операции равен нулю (нули во всех разрядах восьмираз­рядного кода данных);

  • Бит S - признак знака; устанавливается, если результат выполнения операции отрицателен;

  • Бит Р - признак четности; устанавливается, если количество еди­ниц в двоичном коде результата четное;

  • Бит С - признак переноса; устанавливается, если в результате сложения двух восьмиразрядных чисел возникает перенос из старше­го разряда или в результате вычитания возникает заем;

  • Бит ^ АС - признак вспомогательного переноса; устанавливается, если перенос возникает из четвертого разряда D3 двоичного числа. Этот признак используется при операциях с четырехразрядными опе­рандами.

Буферный восьмиразрядный регистр ^ БД данных позволяет вводить и выводить восьмиразрядные данные в микропроцессор или отключать его от внешней шины данных ШД, 16-разрядный регистр адреса РА служит для временного хранения и вывода из микропроцессора 16-разрядного двоичного кода, являющегося адресом ячейки памяти или внешнего устройства.

Восьмиразрядный регистр ТЕМ служит для временного хранения дан­ных перед их передачей в АЛУ или в один из регистров процессора. Этот регистр недоступен программисту и на структурной схеме показан для детального пояснения взаимосвязей структурных элементов микропроцессора.

Регистр команды РК хранит двоичный код выполняемой команды. Так как этот регистр восьмиразрядный, то оказывается возможным разли­чить 28=256 кодов операций, что в большинстве случаев более чем достаточно. Код операции указывает, как происходит обработка данных при выполнении команды. Этот код декодируется дешифратором кода операции и совместно с устройством управления преобразуется в кон­кретные управляющие сигналы, реализующие запрограммированную ко­манду.

Счетчик команд PC указывает, где в памяти расположен код данной команды, т.е. содержит адрес команды. Устройство управления УУ уве­личивает содержимое счетчика команд PC на единицу всякий раз, когда команда передается из памяти в процессор. Перед началом считыва­ния команды счетчик команд PC уже содержит адрес текущей команды и имеет 16 разрядов, что позволяет различить 216= 65536 ад­ресов и, следовательно, использовать программы с большим числом команд.

16-разрядный указатель стека SP используется при необходимости изменения последовательности выполнения команд программы микропро­цессором, например в случае использования подпрограммы, для за­поминания адреса команды, к которой нужно вернуться после вы­полнения подпрограммы.

Устройство управления УУ является одним из важнейших блоков мик­ропроцессора и обеспечивает необходимую последовательность всех действий элементов микропроцессора и микропроцессора в целом. После извлечения команды из памяти и ее дешифрирования устройст­во управления генерирует последовательность сигналов, необходимую для выполнения команды, а также самостоятельно реагирует на различные внешние сигналы. На рис. 2.2 обозначены входные и выходные сигналы устройства управления, связывающие микропроцессор с внешними устройствами. Назначение этих сигналов следующее:

  • С12 – входы тактирующих импульсов;

  • R - установка нуля. Вход сигнала установки микропроцессора в исходное состояние;

  • Г – готовность. Вход сигнала о готовности внешнего устройства ввести или принять информацию по шине данных;

  • ЗХ - захват. Вход сигнала, означающего запрос внешнего устрой­ства на предоставление ему магистральных шин;

  • ЗПР - запрос прерывания. Вход сигнала от внешнего устройства, информирующего микропроцессор о запросе на прерывание основной программы;

  • ПЗХ - подтверждение захвата. Выход сигнала - реакции на захват, подтверждающий, что шины адресные и данных микропроцессора отклю­чены от внешних магистралей;

  • ЖД - ожидание. Выход сигнала, свидетельствующего, что микропро­цессор находится в состоянии ожидания;

  • РПР - разрешение прерывания. Выход сигнала, разрешающего преры­вание основной программы;

  • П - прием. Выход сигнала, подтверждающего прием информации с магистрали данных в микропроцессор;

  • ВД - выдача. Выход сигнала, подтверждающего выдачу байта инфор­мации на магистраль данных;

  • F – синхронизация. Выход сигнала, свидетельствующего о начале машинного цикла.

Работа микропроцессора, как и любого цифрового устройства, заключается в последовательной схеме состояний, каждому из которых соответствует некоторое определенное сочетание сигналов на всех линиях шин, входах и выходах элементов. Смена состояний обеспечивается подачей сигналов тактирования С1 и С2, каждый из которых является последовательностью прямоугольных импульсов. Одно состояние схемы микропроцессора длится в течение одного такта.

Определенное число тактов (от 3 до 5) образует машинный цикл. Машинный цикл обеспечивает выполнение некоторого простейшего действия микропроцессором: выборки кода команды из памяти и его дешифрации, выборки операнда из памяти и др. Цикл команды – это последовательность некоторых машинных циклов (от 1 до 5), выполнение которых обеспечивает исполнение команды.

Типичным машинным циклом является цикл выборки кода команды из памяти и его дешифрация. Каждый цикл начинается с выдачи микропроцессором сигнала синхронизации F и одновременного вывода на шину данных слова состояния, биты которого определяют особенности работы в осуществляемом цикле:

  • b0: INTA – подтверждение прерывания,

  • b1: WO – признак записи/вывода,

  • b2: STACK – признак работы со стеком,

  • b3: HLTA – признак остановки,

  • b4: OUT – признак вывода в порт,

  • b5: M1 – признак выборки первого байта команды,

  • b6: INP – признак ввода из порта,

  • b7: MEMR – признак обращения к памяти.

Из сигналов управления микропроцессора и битов слова состояния формируется расширенный набор системных управляющих сигналов. Принцип формирования на примере нескольких сигналов поясняется схемой на рис. 2.3.

При выдаче микропроцессором ^ МП сигнала синхронизации F в регистр состояния РГС записывается слово состояния микропроцессора, присутствующее в этот момент на его шине данных ШД. Запись тактируется сигналом С2.

С помощью логических схем «И» из значений бит слова состояния и сигналов управления микропроцессора формируются новые системные управляющие сигналы, расширяющие возможности управления:

  • I/OW – вывод данных на внешнее устройство,

  • I/OR – ввод данных из внешнего устройства,

  • MEMR – чтение из памяти,

  • MEMW – запись в память,

  • INTA – подтверждение прерывания.

Конструктивно микропроцессор КР580ВМ80А оформлен в виде СБИС, имеющей 40 контактных выходов. На рис. 2.4 показано схемно-графическое изображение микропроцессора КР580ИК80А с указанием номеров контактных выводов и их назначения. Для работы микропроцессора необходимы три источника питания: U1 = 12 В, U2 = 5 В и U3 =-5 В. Общая потребляемая микропроцессором электрическая мощность составляет 1,5 Вт.

^ Системные шины

Связь микропроцессора с внеш­ними устройствами осуществляется через системные шины, которые пред­ставляют собой набор соединитель­ных проводников - линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в ви­де уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или ло­гической единице. По роду передаваемой информации все линии раз­делены на три группы, образующие: шину данных, шину адресов и ши­ну управления.

Информация по шинам передается в виде двоичных кодов, длина которых определяется числом линий в шине. По шине данных передаются коды информационных сигналов, являющиеся данными для работы системы. Шина данных является двунаправленной шиной и позволяет передавать данные в любом направлении: от микропроцессора - к внешним устройствам и от внешних устройств – к микропроцессору.

Таблица 2.1

Характеристики микропроцессора КР580ВМ80А

Параметр

Значние параметра

Разрядность шины данных, бит

8

Разрядность адресной шины, бит

16

Объем адресуемой памяти, Кбайт

64

Число команд

78

Максимальное число подключаемых внешних устройств ввода-вывода

256/256


Число каналов запроса прерывания

8

Производительность при выполнении операций вида регистр-регистр, тыс. операций в с

625


Время выполнения команды вида регистр-регистр, мкс

1,6

Ток утечки по входам, мкА

1

Ток утечки на шинах адресной и данных, мкА

10

Время нарастания и спада напряжения на выводах микропроцессора, не более , нс

30

Напряжение логической единицы тактирующих импульсов, не менее, В

10

Напряжение логического нуля тактирующих импульсов, не более, В

0,8


Входное напряжение логической единицы, не менее, В

3,3

Выходное напряжение логической единицы, не менее, В

3,7

Входное напряжение логического нуля, не менее, В

0,6

Выходное напряжение логического нуля, не менее, В

0,45

Предельная частота тактирующих импульсов, мГц

2,5

Предельный выходной ток логической единицы, мА

0,1

Предельный выходной ток логического нуля, мА

1,8

Пределы рабочей температуры окружающей среды, 0С

-10…+70



Шина адресов служит для выбора конкретного источника или приемника информации в каждой операции передачи данных. Число адресуемых внешних устройств определяется разрядностью кода адреса. Так, если для адресации используется 16-разрядный двоичный код, то можно адресовать 216 = 65536 отдельных устройств или ячеек памяти.

По шине управления передаются логические сигналы управления, организующие совместную работу устройств, подключаемых к системным шинам.

Общие технические характеристики микропроцессора КР580ВМ80А приведены в табл. 2.1.

Для построения управляющих контроллеров находят применение и другие 8-разрядные микропроцессоры. Микропроцессор К1821ВМ85А (аналог i8085) полностью совместим с КР580ВМ80А по системе команд, однако в отличие от последнего имеет встроенный генератор тактовых импульсов, встроенный контроллер прерываний, блок управления последовательным вводом-выводом, системный контроллер – шинный формирователь и требует только одного напряжения питания.

Микропроцессор Z80 фирмы Zilog также широко применяется в промышленных контроллерах. Этот микропроцессор совместим с i8080, но имеет более высокую тактовую частоту, двойной набор регистров РОН и расширенную систему команд. В микроконтроллерах находят также применение микропроцессоры других фирм.
  1   2   3   4   5

Похожие:

2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconПервые предпосылки для появления в России психотерапии как личностно-...
Н. И. Новикова, А. Н. Радищева, А. И. Галича и др., а также плеяды выдающихся врачей, таких как С. Г. Зыбелин, М. Я. Мудров, И. Е....
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconИ т п. б) Одышка. Время появления, частота, причины, провоциру­ ющие...
Боли в области сердца. Локализация и иррадиация, частота, сила, продолжительность, периодичность
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconВопросы к зачёту по учебной дисциплине «Педагогика. Педагогические системы и технологии»
Понятие «педагогическая технология». Состав и структура педагогической технологии
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconТемы рефератов (докладов) по дисциплине Мультимедиа технологии. Мультимедиа...
...
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconПричины развития витаминной недостаточности
Гиповитаминоз заболевание, возникающеепри неполном удовлетворении потребностей организма в витаминах. В целяхпрофилактики витаминной...
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconПрограмма курса лекций теоретические основы химической технологии...
Этапы формирования химической технологии как науки. Тенденции развития химической технологии
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconЭлементы химической термодинамики Основные понятия
Однако в процессе своего развития термодинамика позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления теории, описывающей...
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconЭкзаменационные вопросы по фармацевтической технологии раздел «Технология...
Определение фармацевтической технологии (ФТ) как научной и учебной дисциплины. Связь фт с базисными дисциплинами. Место фт в системе...
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких iconПлан действий на первые три года
...
2 Успехи интегральной технологии и причины появления микропроцессоров Интегральная технология (ИТ) за первые 20 лет своего развития достигла таких icon52. Политическая культура общества, ее социальная роль и функции
Его употребляют и профессиональные политики, и журналисты, и люди от политики далекие. Данное понятие стало своего рода интегральной...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница