Глава 7 микропроцессоры и микроэвм

7.1. Общие понятия

Микропроцессор (МП)—программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Для повышения производительности процессора ЭВМ вместо однокристальных микропроцессоров используются многокристальные, а также секционные многокристальные микропроцессоры.

В многокристальном МП производится разделение логической схемы процессора на отдельные функциональные законченные части, каждая из которых реализуется в виде интегральной схемы.

Для выполнения сложных функций управления созданы микроконтроллеры — управляющие устройства, выполненные на одном или нескольких кристаллах. Микроконтроллеры выполняют функции логического анализа и управления, поэтому за счет исключения арифметических операций уменьшена их аппаратурная сложность и развиты функции логического управления.

Созданы аналоговые МП для прямой обработки аналоговых и цифровых сигналов; в их структуре имеется несколько каналов аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, а также цифровой процессор. Они повышают точность обработки аналоговых сигналов, имеют широкие возможности программной настройки цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки аналоговых сигналов.

Использование БИС микропроцессора вместе с БИС полупроводниковой памяти, БИС управления вводом-выводом позволило получить принципиально новую систему обработки данных и управления в виде микроЭВМ, получить высокую производительность, надежность, низкую стоимость, малые мощность потребления энергии и габарит, большую устойчивость к неблагоприятным климатическим и механическим воздействиям.

Архитектура микропроцессора — функциональные возможности аппаратурных электронных средств, используемых для представления данных, машинных операций описания алгоритмов и процессов вычислений.

Архитектура МП позволяет четко выделить то, что должно быть реализовано пользователем программным способом и дополнительными аппаратурными средствами, в частности числа и имена программно-доступных регистров, разрядность машинного слова, систему команд, доступный размер и адреса оперативной памяти, быстродействие процессора, схему обработки прерываний, способы адресации оперативной памяти и внешних устройств.

Создание сверхбольших интегральных схем (СБИС) дало возможность получить универсальные вычислительные модули, разместить на одном кристалле центральный процессор и оперативную память достаточно большого объема, что позволяет реализовать прямое восприятие языков программирования высокого уровня.

7.2. Классификация и характеристики микропроцессоров

Для МП важны такие качества и параметры: тип корпуса, количество источников питания, требования к синхронизации, мощность рассеяния, температурный диапазон, разрядность и возможность ее расширения, цикл выполнения команд (микрокоманд) , уровни сигналов, помехоустойчивость, нагрузочная спо¬ собность, надежность, долговечность и т. д.

В МП встраиваются аппаратурные средства реализации многих сотен команд, что обеспечивает компактную запись алгоритмов и эффективные программы.

Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС и СБИС, однако их возможности ограничены аппаратурными ресурсами кристалла и корпуса, поэтому более распространены многокристальные МП, а также многокристальные секционные МП.

В многокристальном МП проводится разбиение его логической структуры на функционально законченные части с реализацией их в БИС (СБИС).

Трехкристальные МП имеют разрядность до 32 бит и параметры, сравнимые с параметрами старших моделей рядов мини-ЭВМ и средних ЭВМ.

МП бывают универсальные и специализированные. Универсальные МП применяются для широкого круга задач. Среди специализированных МП выделяются различные микроконтроллеры для выполнения сложной последовательности логических операций; математические МП для повышения производительности выполнения арифметических операций за счет, например, матричных методов; МП для обработки данных и т. д. В универсальных МП в системе команд заложена алгоритмическая универсальность.

Сами МП — цифровые устройства, однако они могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Синхронные МП — микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления. Асинхронные МП позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По структуре микропроцессорных систем различают:

одномагистральные микроЭВМ, где все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов;

многомагистральные микроЭВМ, у которых устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что обеспечивает одновременную передачу информационных сигна-

лов по нескольким (или всем) магистралям и увеличивает производительность.

В однопрограммных МП выполняется только одна программа, переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных МП одновременно выполняется несколько программ (обычно несколько десятков), что позволяет осуществить

Таблица 7.1

Наименование НС-интегральных схем	Обозначение	Разрядность	Тактовая частота, МГц	Напряжение, В
Серия КР588
Ар ифметическо-логическое устройство	КР588ВС2	16	1,0	5,0
Управляющая память Системный контроллер Многорежимный буферный регистр	КР588ВУ2 КР588ВГ1 КР588ИР1	8	1,2 1,0	5,0 5,0 5,0
Магистральный приемопередатчик	КР588ВА1	8	—	5,0
Серия К1801
Однокристальные микро-ЭВМ	К1801ВЕ1	16	8,0	5,0
Однокристальный микропроцессор БИС матрицы вентилей	К1801ВМ1 К1801ВП1	16	5,0	5,0 5,0

контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

В табл. 7.1 в качестве примера указаны 2 типа микропроцессорных комплектов.

Микропроцессорные комплекты серии КР588 обладают низким потреблением энергии, имеют БИС управляющей памяти (УП) с емкостью программируемой логической матрицы (ПЛМ) в 150 логических произведений. Имеются БИС УП с закодированными в них микропрограммами для реализации системы команд микроЭВМ «Электроника-60», системы ЧПУ на базе «Электроника НЦ-31» и др.

МП комплекты серии К1801 созданы на основе СБИС однокристального микропроцессора с системой команд микроЭВМ «Электроника-60» и матричной БИС для построения разнообразных схем управления. В составе комплекта имеется СБИС однокристальной микроЭВМ с емкостью ОЗУ 128 и ПЗУ 1024 16 разрядных слов. На основе матричной БИС построены контроллеры управления ОЗУ емкостью 32К 16-разрядных слов, радиального последовательного интерфейса. В состав комплекта входит БИС ПЗУ емкостью 4К 16-разрядных слов. МПК серии

1801 является однокристальным и обладает весьма высокой степенью интеграции и высоким быстродействием (до 500000 операций/с). Комплект перспективный для применения в автоматизации, так как его интерфейс и система команд позволяют использовать программное обеспечение СМ ЭВМ «Электро-ника-79», «Электроника-100/25», «Электроника-60» и др.

Отметим наиболее характерные узлы микропроцессора [3], составляющие основу их структуры.

Центральным блоком МП является арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое обычно включает в себя сумматор, сдвиговые регистры, схемы ускоренного переноса, регистры. В АЛУ аппаратно выполняется около десяти простейших операций.

Регистры общего назначения (ΡΟΗ) образуют сверхоперативную память для хранения подлежащих обработке данных результатов и команд. Число ΡΟΗ в МП до нескольких десятков.

Для расширения возможностей АЛУ в МП имеется несколько специальных регистров, таких, как аккумулятор, программный счетчик (счетчик команд), указатель стека (УС), регистр команд, регистр состояния (признаков), буферные регистры и т. д. Аккумулятор позволяет сократить время выполнения некоторых операций и уменьшить длину некоторых команд. Стек служит для упрощения системы прерываний, ускорения реакции на прерывания, что важно в системах управления технологиями. Программный счетчик (ПС) содержит адрес очередной команды, подлежащей выполнению. Регистр команд (РК) хранит код выполняемой в данный момент команды. Регистр признаков (РП) предназначен для хранения признаков результата выполняемой операции в АЛУ (нулевого или отрицательного результата, переноса, переполнения).

Пересылки информации между регистрами МП и АЛУ осуществляются по внутренним шинам. С памятью и устройствами ввода-вывода МП взаимодействует при помощи адресной, информационной и управляющей шин. Часто информационные и адресные шины объединяют в единую общую шину, производительность МП при этом снижается.