§ 62. Микропроцессоры и микроэвм в системах управления

Микропроцессор —■ это устройство, выполненное в ьиде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Микропро­цессор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких программно-управляемых БИС и выпол­няющий функции автоматической обработки цифровой информации. Миниатюрные размеры, незначительная масса, малое потребление энергии, экономичность и надежность в работе обусловили воз­можность введения микропроцессоров в электронные схемы изме­рительных приборов, средств управления и других устройств.

В зависимости от функциональных возможностей микропроцессоры делятся на универсальные и специализированные.

Универсальным микропроцессорам присущи все осо­бенности центрального процессора. Они служат основой микроЭВМ

Рис. 128. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы адаптивной системы стабилизации мощности резания

и используются для решения широкого круга задач в системах уп­равления, измерительных приборах и т. д.

Специализированные микропроцессоры рассчитаны на узкое применение, решение конкретной задачи и оптимизиро­ваны по определенному параметру.

Совокупность специально разработанных микропроцессорных и интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным и могут быть собраны в единое целое, образуют микропроцессорный комплект.

МикроЭВМ представляет собой конструктивно законченное вы­числительное устройство, построенное на основе микропроцессор­ного комплекта БИС или модулей, имеющее свой источник питания, пульт управления, узлы ввода-вывода информации, свое програм­мное обеспечение.

Свойства их могут быть описаны основными характеристиками, определяющими выбор микропроцессоров:

1) вид микропроцессора (универсальный или специализиро­ванный, однокристальный или многокристальный); 2) технология изготовления: р-канальная МОП (р-МОП) n-канальная МОП, (n-МОП) и т. д.; 3) разрядность (4; 8; 16; 32)—длина информа­ционного слова; 4) емкость адресуемой памяти; 5) принцип управ­ления: программное управление с «жесткой» логикой, микропро­граммное управление (хранимая в памяти логика); 6) быстродейст­вие. Продолжительность выполнения одной операции или числа операций «регистр-регистр» в секунду; 7) потребляемая мощность; 8) питающее напряжение (число уровней, номиналы); 9) конструк­тивные данные (габарит, число выводов); 10) условия эксплуата­ции (интервал рабочих температур, относительная влажность воз­духа и т. д.); 11) надежность, 12) стоимость.

Архитектура микропроцессора определяет принцип внут­ренней организации, общую структуру конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и систему взаимодействия между аппаратной частью и программой обработки информации, выполненную на базе микропроцессора.

Архитектура микропроцессора имеет много общего с архитек­турами процессоров ЭВМ. Множество выпускаемых промышлен­ностью универсальных микропроцессоров можно разделить по конструктивному признаку на однокристальные и мно­гокристальные микропроцессоры. Первые имеют фикси­рованную разрядность слова (длину) и определенную систему команд, вторые — наращиваемую разрядность слова и микро­программное управление, позволяющее достичь гибкости в его применении, повысить производительность ЭВМ, выполняемых на таких микропроцессорах, и т. п.

Рассмотрим структуру однокристального восьмиразрядного мик­ропроцессора. В состав микропроцессора (рис. 129) входит а р и ф -метическо-логическое устройство, управляющее уст-, ройство и блок внутренних регистров.

Это устройство (АЛУ) служит ядром микропроцессора и вы­полняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2. Регистром называют электронную схему для временного хранения двоичной информации (машинного слова). Регистры, служащие для ввода, хранения и вывода инфор-

мации, называют накопительными. Сдвигающие регистры допол­нительно выполняют операцию сдвига двоичного числа влево, вправо или в обоих направлениях.

Рис. 129. Структура однокристального восьмиразрядного микропроцессора

Устройство управления (УУ) управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции оно формирует внутренние сигналы уп­равления блоками микропроцессора.

Блок внутренних регистров служит внутрен­ней памятью микропроцессора для временного хранения данных и команд. Обычно этот блок содержит регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения (РОН), число которых может из­меняться от 4 до 64, определяют вычислительные возможности микропроцессора, они предназначены для хранения данных, под­лежащих обработке. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее уст­ройство.

Регистр-аккумулятор предназначен для времен­ного хранения данных, подлежащих обработке, или промежуточ­ного результата арифметических и логических операций, произво­димых АЛУ. Очень часто ввод и вывод информации в микропро­цессоре идет через аккумулятор.

Буферный регистр сдвига — специальный ре­гистр для приема и хранения адресной части исполняемой команды. Буферный регистр данных предназначен для вре­менного хранения выбранного из памяти слова перед выдачей его на внешнюю шину данных.

Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в ко­торой помещены байты выполняемой команды. Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд.

Регистр стека. Стек в микропроцессорах — это набор регистров, хранящих адреса (команды возврата, команды заполне­ния состояния внутренних регистров). Этот набор организован так, что слово адреса или данных выбирается по принципу: «во­шедший последним — выходит первым».

При записи в стек очередного слова все находящиеся в нем слова смещаются на один регистр вниз, при выборке слова из стека — вверх. Стек может выполняться во внутреннем и внешнем запоминающих устройствах. Указатель стека (регистр) служит для хранения адреса последней занятой ячейки стека.

Регистр признаков представляет собой набор триггеров, назы­ваемых флажками, которые имеют два состояния — 0 или 1. Пред­назначены для информации состояния процессора, содержания регистра и т. д.

Связь между регистрами осуществляет внутренняя шина дан­ных, т. е. группа линий передачи информации, объединенных об­щим функциональным признаком. В микропроцессорной системе используют шины данных, шины адресов и шины управления. Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это требует мультиплексного режима обмена данных между микро­процессором и внешней памятью.

Мультиплексором называют устройство, которое выби­рает данные от одного, двух и более вводимых информационных каналов и подает эти данные на свой выход (рис. 130, а). Мульти­плексоры входят в состав микропроцессора, а также выпускаются в виде отдельных БИС и представляют собой совокупность логиче­ских элементов И—ИЛИ, управляемых распределителем импуль­сов. Противоположную задачу решает демультиплексор, показанный на рис. 130, б.

Обработка данных. Используя рассмотренное назначение узлов и структурную схему микропроцессора (см. рис. 129, а), ознакомимся с процедурой обработки данных. Структурная схема отражает организацию 8-разрядного однокристального микропроцессора (типа КР580ИК80А).

Будем полагать, что обработка данных заключается в сложе­нии двух операндов, каждый из которых представляет со­бой 8-разрядное двоичное число, т. е. б а й т. Все арифметические и логические операции выполняет 8-разрядное АЛУ. Для одно-

Рис. 130. Структурные схемы мультиплексора (а) и демультиплексора (б)

адресной организации микропроцессора (микроЭВМ) характерно, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе. На первый вход АЛУ получает байт из 8-разряд­ного аккумулятора, а на второй вход поступает байт из 8-разряд­ного промежуточного регистра. Результат сложения двух байтов передается с выхода АЛУ на внутреннюю шину данных в аккуму­лятор. Регистры РОН расположены попарно, т. е. В и С, D и Е, Н и L, что дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, и доступны программисту. Регистры W и Z используют для кратковременного хранения данных во время выполнения команд, они недоступны программисту. Обмен данными с РОН (считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор, при­чем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров по сигналам УУ.

Обмен, информацией между регистрами и другими блоками производится через внутреннюю шину данных, передача команд и данных разделены во времени. Связь с внешней шиной данных осуществляет буферный регистр данных.

Микропроцессор — это программно-управляющее устройство. Процедура обработки данных определяется программой, т. е. со­вокупностью команд, которые делятся на две части: код операции и адрес. Код указывает на вид операции над данными, подлежа­щими обработке. Адрес указывает место, где расположены эти данные. Дешифратор кода операции дешифрирует содержимое ре­гистра команд, определяет характер операции и адреса операндов. Эта информация передается в УУ, которое вырабатывает управ­ляющие сигналы блоком микропроцессора, участвующим в выпол-

нении данной команды. Только после завершения процедуры счи­тывания команд и адресов начинается обработка.

Микропроцессорные системы (микроЭВМ) представляют собой совокупность взаимодействующих БИС микропроцессорного ком­плекта, т. е. вычислительную или управляющую систему с микро-

процессором в качестве узла обработки информации (рис. 131). Система содержит ряд узлов, требующих пояснения.

Генератор тактовых сигналов дает последова­тельность прямоугольных импульсов, с помощью которых обеспе­чивается управление событиями (командами) во времени.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — устройство, в котором хранится программа (иногда кон­станты), составленная заранее изготовителем в соответствии с тре­бованием пользователя. Программа жестко «зашита» в запоминаю­щем устройстве и не может быть стерта.

Программируемое постоянное запоминающее устрой­ство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может са­мостоятельно запрограммировать ПЗУ и ввести ее с помощью спе­циального программатора только 1 раз.

Репрограммируемое постоянное запоминающее уст­ ройство (РППЗУ) позволяет перепрограммирование и соответст­ венно перезапись программы.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит памятью данных, подлежащих обработке в результате вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах — также программ, которые часто меняются. Данное устройство позволяет при необ­ходимости стереть информацию, а на ее место записать новую. При исчезновении напряжения питания информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает (стирается).

Интерфейс — это устройство сопряжения, которое, исполь­зуя электрические, механические и программные средства, соединяет модули системы между собой и с периферийными устройствами.

В микропроцессорных системах применяют специальные уни­версальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой. При сложных периферийных устройствах берут усложненный интерфейс, называемый периферийным про­граммируемым адаптером.

Особенность структуры микропроцессорной системы — маги­стральная организация связей между входящими в ее состав мо­дулями. Она осуществляется с помощью трех шин: данных, адреса, управления. Достоинством шинной структуры является возмож­ность подключения к микропроцессорной системе новых модулей

(ОЗУ, ПЗУ).

Нормальное функционирование микропроцессорной системы не­возможно без четкого взаимодействия ее составных частей, коор­динации их работы, синхронизации.

Основополагающую роль в организации управления событиями во времени играют тактовые импульсы, поступающие от генера­тора на выводы Ф₁ и Ф₂ микропроцессора (рис. 131, б). Будем по­лагать, что в данной микропроцессорной системе тактирование осуществляется с помощью двух идентичных последовательностей, сдвинутых на полпериода. Микропроцессорная система функцио­нирует синхронно с появлением тактовых сигналов. Простейшее действие — состояние, которое занимает один период сигнала — тактовый интервал (такт), 3—5 тактовых сигналов составляют ма­шинный цикл, требуемый для одного обращения к памяти или устройству ввода-вывода. Циклом команды называют интервал времени необходимый для выборки из памяти команды и ее ис­полнения. Он состоит из 1—5 машинных циклов, что определяет длительность процедуры исполнения команды.

Управляющее устройство микропроцессорной системы реали­зует функции управления, синхронизации, смену событий в тре­буемой последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. В течение цикла команды делятся на две фазы: выборка (считывание) и исполнительная фаза, когда формируются сигналы и их последовательность, необходимая для выполнения команды. Все фазы управления требуют некоторого времени, которое составляет часть машинного цикла.

По ходу работы микропроцессорной системы иногда появляется «запрос на обслуживание внешних устройств», что программой (ПЗУ) не предусмотрено. В этих случаях микропроцессор, получив запрос на шины управления, прерывает работу по программе и вы­полняет программу обработки внешнего условия. Такой режим называется прерыванием, которое может быть простым век­торным, приоритетным.

Таким образом, обработка информации микропроцессорной си­стемой производится по программе, которая представляет собой совокупность, последовательность команд, направляющих работу устройства управления. По функциональному назначению все мно­жество команд можно разбить на группы: команды операций, пе­ресылки данных, управления, ввода-вывода, обращения к под­программам и т. д.

Они носят типовой характер, как по своему функциональному назначению, так по обозначениям. Например, команды арифмети­ческих операций — АДД (сложить) I и В Т ACT (вычесть), команды пересылки данных — МО Е (переслать), ОАД (загрузить) и т. д. Подробно обозначения команд изложены в литературе по вычис­лительной технике.

Микропроцессорная система (МП и микроЭВМ), состоящая из микропроцессора, источника питания, модулей памяти, интерфейса и устройства ввода-вывода представляет собой аппаратурную часть системы обработки, которая для возможности обработки информа­ции дополняется программной частью, обеспечивающей функцио­нирование микроЭВМ.

Различают системное программное обеспечение, не зависящее от конкретного применения (поставляет изготовитель микроЭВМ) и программное обеспечение пользователя, разрабатываемое им для решения конкретных задач.

Постановка задач для решения на микроЭВМ состоит из этапов: математической постановки задачи, разработки алгоритма решения, представления алгоритма в виде структурной схемы, программиро­вания, отладки программы, решения задачи.

Составление алгоритма это не только первый, но и очень важный этап решения задачи. Алгоритм содержит точное предпи­сание о выполнении в определенном порядке элементарных опера­ций с целью решения задачи. Процесс создания алгоритма решения называют алгоритмизацией решения.

Запись алгоритма с помощью формализованной системы зна­ков, принятой для описания процедур решения задач на ЭВМ, на­зывают программой, а знакомые системы — языками программирования.

В зависимости от уровня языка, т. е. степени детализации ша­гов при выполнении программы, различают машинный язык, язык ассемблера и языки высокого уровня.

Машинный язык характеризует высокая степень детали­зации шагов. Это единственный язык, который «понимает» микро­процессор. Язык — это система команд в двоичных кодах, или си-

стема инструкции. Для программиста язык неудобен, так как пред­ставляет собой последовательность нулей и единиц, составление программы требует много времени, возможны ошибки, трудность развития ранее написанных программ, сложность отладки.

Язык ассемблера — символическое изображение машин­ного языка. Каждая команда обозначается символом, представ­ляющим собой сокращенную форму полной записи наименования данной команды на английском языке (табл. 9).