13.Понятие о микро-эвм или простом микропроцессорном

устройстве (МПУ). Структура и

Функционирование микро-эвм. Режимы работы эвм: однопрограммные и многопрограммные; прерывания.

МикроЭВМ - вычислительная машина, созданная на основе микропроцессора и предназначенная в основном для встраивания в аппаратуру систем в качестве элементов, обеспечивающих логическую и арифметическую обработку информации.

Организация микроЭВМ на базе типовых микро­процессорных комплектов определяется принципами формирования МПК, организацией системы памяти, системы ввода - вывода, системы прерываний, системы команд, архи­тектурными особенностями микропроцессора и неко­торыми характеристиками БИС МПК. Однако основ­ное влияние на организацию микроЭВМ оказывают способы реализации передачи данных и адресов меж­ду микропроцессором и другими компонентами микро­ЭВМ. С этой точки зрения различают два способа ор­ганизации микроЭВМ:

• с раздельными шинами данных и адреса;

• с мультиплексированной шиной данных и ад­реса.

Понятие архитектуры микро-ЭВМ или простого микропроцессорного устройства относится к организации регист­ров центрального устройства (МП), числа бит шин адресов, дан­ных и т. д.

Система команд - это список операций, которые МП может выполнить. Она включает в себя передачу данных, арифметические и логические операции, команды тестиро­вания данных и ветвлений, операции ввода/вывода (ВВ). Команды используют различные способы адресации.

Простое микропроцессорное устройство может содержать МП, генератор тактовых импульсов (ГТИ), ОЗУ, ПЗУ, порты ВВ, дешиф­ратор адресов и источник питания. Иногда эти функции выполняются ИС или различными прочими составляющи­ми, однако многие микропроцессорные устройства содер­жат большинство названных элементов.

Все элементы МПУ соединены между собой шинами. Шина - совокупность проводников, предназначенных для перемещения данных и сигналов между различными устройствами ВМ.

На рисунке 7.1 приведена типовая структу­ра микроЭВМ, реализованной на базе микропроцес­сорного комплекта. В качестве примера здесь показаны шестнадцатиразрядная шина адреса (ША) и 8-разрядная шина данных (ШД) и управления, которые образуют интерфейс между микропро­цессором (МП), с одной стороны, и ПЗУ, ОЗУ и интер­фейсными устройствами ввода - вывода (ИУВВ) - с другой. Выделение отдельных шин для всех управля­ющих сигналов, адресной информации и данных упрощает организацию обмена информацией между отдельными компонентами и уменьшает время вы­полнения команд в микроЭВМ. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) формирует сигналы, необходимые для работы МП.

Архитектура, представленная на рисунке7.1, различает два типа полупроводниковой памяти, используемой системой. Постоянное запоминающее устройство ПЗУ представляет собой постоянную память, которая содержит программу-монитор системы. Оно содержит адресные входы, а также входы активизации только чтения и выбора кристалла, а также тристабильные выходы, подсоединяемые на шины. ПЗУ имеет также подсоединение питания, кото­рое на схемах обычно не показывается. ОЗУ - устройство временного размещения данных, в которое входят адресные входы, а также входы выбора кристалла и активизации чтения/записи. Это ОЗУ имеет восемь выходов с тремя со­стояниями, подсоединенных к шине данных.

В задачу интерфейса устройств ввода - вывода входит размещение данных и управ­ление их вводом с клавиатуры. В нужный момент интер­фейс клавиатуры прерывает МП по специальной линии прерывания. Сигнал прерывания заставляет МП: 1) закон­чить выполнение текущей команды; 2) поддерживать свою нормальную работоспособность; 3) перейти к выполнению специальной группы команд в своем мониторе, по которым ведется управление вводом данных, исходящих с клавиш­ного устройства. Система интерфейса с клавиатурой снабжена адресными входами, линиями выбора кристалла и команд активизации устройства. Активизированное один раз устройство интерфейса с клавиатурой передает дан­ные, поступающие с клавишного устройства на шину дан­ных, микропроцессор их принимает. Если тристабильные выходы интерфейса не активизированы, они возвращаются в свое состояние высокого сопротивления.

Приведенная на рисунке 7.1 микро-ЭВМ имеет в качестве выхода группу семисегментных индикаторов. Индикаторы запитаны от источника. Си­стема или специальная ИС интерфейса вывода на индика­торы служит для размещения данных и управления состо­янием индикаторов. При активизации этого интерфейса по адресной шине, линиям выбора кристалла и активизации он принимает данные, поступающие с шины данных, и раз­мещает их, а также управляет индикатором, на котором размещенные данные высвечиваются.

Представленная на рисунке 7.2 схема иллюстрирует на примере микропроцессорного комплекта орга­низацию микроЭВМ с мультиплексированной шиной адреса и данных. Использование одной шины умень­шает число внешних выводов БИС микропроцессорно­го комплекта, однако приводит к временному разделению передачи адресов и данных, т. е. к снижению скорости обмена информацией между процессором и адресуемыми устройствами, а также к необходимо­сти применения внешних регистров адреса (РгА).

Некоторую специфику имеет организация микро­ЭВМ на базе МПК с микропрограммированием и сек­ционным выполнением микропроцессора (на рисунке 7.2 показана одна секция микропроцессорного комплекта). Использование таких микропроцессорных комплектов позволяет наращивать разрядность микро­ЭВМ за счет «параллельного» включения элементов комплекта, обеспечивает широкие возможности мо­дификации структуры микроЭВМ в соответствии с требованиями конкретного применения. Такие микропрограммируемые микроЭВМ, как правило, требуют разработки двухуровневого управления - микропро­граммного и программного. Это позволяет иметь про­извольную систему команд, однако усложняет микро­ЭВМ.

Рисунок 7.1Структура микроЭВМ с раздельными шинами данных и адреса

Рисунке 7.2 Структура микроЭВМ с мультиплексирован­ной шиной данных и адреса

Нормальное функционирование микроЭВМ можно обеспечить лишь при правильном временном соотношении сигналов, определяющих взаимодействие ее компонентов. Поэтому значительную часть техничес­ких параметров компонентов МПК составляют раз­личные временные ограничения.

Первичный источник временных сигналов в микро­ЭВМ - генератор тактовых импульсов, вырабатываю­щий одно-, двух-, трех- или четырехфазную последова­тельность импульсов. К параметрам тактовых импуль­сов предъявляются достаточно жесткие требования, включающие минимальную и максимальную частоты импульсов, максимальные времена фронта и среза импульсов, допуски на низкий и высокий уровни напряжения импульсов, допуски на длительность так­товых импульсов, временные соотношения между так­товыми импульсами различных фаз. Несоблюдение требований к тактовым импульсам может привести к неправильному выполнению операций, поскольку выполнение каждой операции складывается из после­довательности действий, каждое из которых имеет вполне определенную длительность. Частота генерато­ра тактовых импульсов обычно стабилизируется квар­цем и реализуется в виде отдельного компонента микропроцессорного комплекта или на кристалле мик­ропроцессора.

Тактовые импульсы от генератора начинают посту­пать на микропроцессор сразу после включения источ­ника питания, но запуск микропроцессора осуществля­ется только по сигналу начальной установки, подавае­мому на специальный его вход. По этому сигналу в программный счетчик записывается определенный адрес, с которого микропроцессор начинает выборку команд программы. Кроме того, в некоторых микро­процессорах по сигналу начальной установки произво­дится сброс в нуль нескольких внутренних регистров.

Простейшие способы формирования сигнала на­чальной установки: а) использование генератора оди­ночных импульсов, запускаемого, например, от кноп­ки; б) формирование импульса начальной установки по включению питания с задержкой на время, необхо­димое для установки номинального значения напря­жения питания после включения источника.

Серьезные ограничения накладываются на времен­ные параметры сигналов, обеспечивающих взаимо­действие компонентов микроЭВМ. Пока быстродейст­вие компонентов достаточно для правильной реакции на все сигналы микропроцессора, что обычно выпол­няется в микроЭВМ с небольшим числом компонентов одного микропроцессорного комплекта, никаких про­блем по временному сопряжению компонентов не возникает. Усложнение схемы адресации, увеличение емкости памяти, использование компонентов других микропроцессорных комплектов могут привести к не­соблюдению некоторых обязательных временных соот­ношений и, следовательно, к неправильной работе мик­роЭВМ.