САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

Е. Г. Павловский, В. А. Жвариков, А.А. Кузьмин

ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Методические указания к лабораторному практикуму

Санкт-Петербург

2011

УДК 004.2

Е. Г. Павловский, В. А. Жвариков. Основы организации ЭВМ и микро­процессоров: Учебное пособие и методические указания к лабораторному практикуму. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2011. — 115 с., ил.

В пособии излагаются основные принципы организации и функцио­нирования центрального ядра ЭВМ, построенного на базе микропроцессоров различ­ных классов. Приводится описание архитектуры отдельных микропро­цессорных БИС. Рассматриваются особенности блоков управления, исполь­зуе­мые способы адресации, системы команд и некоторые вопросы взаимодействия микропроцессоров с памятью и внешними устройствами. Теоретический мате­риал, изложенный в пособии, поддержан лабораторным практикумом на базе микропроцессорных тренажеров, позволяющих проводить исследования как микропроцессоров с фиксированной разрядностью и списком команд, так и модульных (секционных) с микропрограммным управлением. Пособие предназ­начено для студентов, обучающихся по направлениям «Автоматизация и управление» и «Информатика и вычислительная техника», и призвано помочь студентам в закреплении знаний по курсам «Организация ЭВМ», «Вычисли­тельные машины, системы и сети», «Микропроцессорные системы».

Печатается по решению кафедры компьютерных систем и программных технологий Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

 Санкт-Петербургский государственный

Политехнический университет, 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие  4

1.  Микропроцессоры. Общие сведения  5

2.  Организация микропроцессоров с фиксированными разрядностью и списком команд  25

3.  Секционные микропроцессоры  40

4.  Методические указания к лабораторному практикуму  51

4.1.  Микропроцессорные системы на основе однокристальных микропроцессоров  52

4.1.1.  Структура и режимы работы стенда ТУМ1  52

4.1.2.  Программа работы на стенде при изучении МПК серии К580  57

4.1.3.  Разработка программ индивидуальных заданий  64

4.1.4.  Знакомство с простейшими техническими средствами организации интерфейса микропроцессорных систем  64

4.2.  Секционные (модульные) микропроцессоры с микропрограммным управлением серии К1804 с естественной, принудительной и стековой адресацией микрокоманд  70

4.2.1.  Структура и режимы работы стенда МТ1804  70

4.2.2.  Программа работы на стенде МТ1804  76

4.2.3.  Изучение принципов построения простейших микроконтроллеров и их микропрограммирования на основе МПК серии К1804  83

4.2.4.  Разработка функциональной схемы микропроцессорной системы на БИС МПК К1804  83

Список литературы  84

Приложение 1.  Система команд микропроцессоров КР580 и К1821  85

Приложение 2.  Типы машинных циклов МП КР580ВМ80А  90

Приложение 3.  Примеры и варианты заданий лабораторного практикума  91

Приложение 4.  Порядок подготовки и проведения лабораторных НИР  111

Предисловие

В современном мире невозможно представить специалиста любой области знаний, не владеющего компьютером. С помощью персональных компьютеров (ПК) решается бесконечно большое число пользовательских задач, и нет сомнения, что области применения компьютеров будут расширяться. ПК, работающие под управлением современных операционных систем, являются сложными программно-аппаратными комплексами. Многие пользователи, успешно применяющие ПК в исследованиях и работе, в большинстве своем пользуются компьютером как «черным ящиком», не особенно представляя себе архитектуру, состав и организацию вычислительной машины (ВМ) в целом. Для основной массы пользователей такое «потребительское» отношение к ВМ удобно и, скорее всего, является, чуть ли, единственно возможным. Совсем иначе обстоит дело со специалистами в области вычислительной техники, которые обязаны знать детали и нюансы организации и использования ВМ. К сожалению, по мере развития современных вычислительных систем вопросам изучения аппаратных основ вычислительной техники, знакомству с архитектурой ВМ различных типов на самом низком уровне их организации, на наш взгляд, уделяется недостаточное внимание. Вопросам организации ВМ посвящено значительное количество учебников и специальной литературы [1–4]. Данное учебное пособие и методические указания к циклу лабораторных работ по курсу с обобщенным названием «Организация ЭВМ, микропроцессоры и микропроцессорные системы» дополняет список источников, но в отличие от известных, имеет узкую направленность, поддерживая лабораторный практикум.

Целью данного учебного пособия и методических указаний к лабораторному практикуму по основам соответствующих учебных дисциплин является:

– знакомство с архитектурами микропроцессоров различных типов и микропроцессорных систем на их основе;

– изучение систем команд и микрокоманд микропроцессоров различных типов;

– практическое ознакомление с отдельными БИС микропроцессорных комплектов;

– приобретение навыков программирования и построения вычислительных устройств на основе изучаемых микропроцессоров.

Содержание пособия в определенной степени является расширением и переработкой материалов ранее изданных учебных пособий [3, 4]. В нем рассматриваются некоторые начальные (базовые) положения из курса «Микропроцессорные системы», приводится описание отдельных типов микропроцессоров и принципов построения устройств на их основе. Кроме этого в пособии содержатся методические указания по организации работы на микропроцессорных тренажерах и программе исследований, проводимых в рамках лабораторных работ.

1. Микропроцессоры. Общие сведения

Процессором называется устройство ВМ, непосредственно осуществляю­щее процесс переработки цифровой информации и управление им в соответствии с заданным алгоритмом, реализованным в виде программы. Процессор занимает центральное место в структуре ВМ. С его помощью осуществляется управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ВМ: он считывает и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обслуживает запросы прерываний, поступающие из устройств ВМ и извне.

Процессоры современных ВМ в большинстве случаев реализуют на одном кристалле с использованием технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС). Соответствующую интегральную схему называют микропроцессором (МП). Понятие микропроцессор в функциональном отношении совпадает с понятием процессор и отражает лишь особенности, связанные с использованием технологии СБИС при его реализации. Основными достоинствами МП, как одного из наиболее массовых типов средств вычислительной техники, являются программируемость, дешевизна, малые габариты и вес, надежность, простота эксплуатации. Появление МП сыграло революционную роль в автоматике и вычислительной технике, послужив мощным ускорителем развития средств и систем управления и контроля. С созданием микропроцессоров впервые появилась возможность применять вычислительные устройства в таких областях, где раньше это считалось неэффективным либо просто невозможным. Уже первые использования определили два основных направления их применения: использование МП в качестве центральных процессоров вычислительных машин и реализация на базе МП встраиваемых систем управления различными объектами.

Все современные полупроводниковые интегральные микросхемы, в том числе и микропроцессорные, построены на основе транзисторных структур. В зависимости от типа используемых транзисторов различают биполярные и МОП (металл — окисел — полупроводник) микросхемы. На ранних этапах развития микроэлектронных технологий биполярные структуры обеспечивали большую частоту работы, но не допускали высокой плотности размещения элементов на кристалле. В отличие от них канальные (полевые) структуры характеризовались высокой плотностью компоновки элементов, обладали приемлемым быстродействием и более низкой стоимостью производства СБИС. Оба класса микросхем постоянно совершенствовались. В настоящее время обе технологии имеют примерно одинаковые характеристики быстродействия, но КМОП технологии (от англ. CMOS — Complementary Metal Oxide Semiconductor) допускают большую степень интеграции элементов и более технологичны. По этой причине большинство современных микропроцессоров реализуются как КМОП-структуры.