Микропроцессорные устройства электрооборудования

(лекции)

В конспекте лекций рассмотрены элементы микропроцессорных систем: центральный процессор, адаптеры интерфейсов, таймеры, контроллеры системы, ЦАП и АЦП. Описаны методика применения устройств управления и защиты электрооборудования.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.. 5

Тема 1. 7

Архитектура микропроцессора.. 7

1.1. Структура микропроцессора КР580ИК80А.. 7

1.2. Система команд микропроцессора Кр580ИК80А.. 12

1.3. Основные временные параметры микропроцессора КР580ИК80А 14

Тема 2. 22

Программное обеспечение микропроцессора.. 22

2.1.Система команд.. 23

2.2.Команды перемещения данных.. 24

2.3.Команды обработки данных.. 28

2.4. Команды переходов ( альтернативные команды ) 33

2.5. Команды ввода вывода.. 35

2.6 . Специальные команды.. 36

2.7. Кодирование программы.. 38

Тема 3. 41

Вспомогательные устройства микропроцессорных систем.. 41

3.1. Архитектура последовательного интерфейса КР580ИК51. 41

3.2. Архитектура программируемого таймера КР580ВИ53. 50

3.3. Архитектура БИС параллельного интерфейса КР580ВВ55. 55

3.4. Архитектура контроллера прямого доступа к памяти КР580ВТ57 63

3.5. Архитектура БИС программируемого контроллера прерываний КР580ВН59 69

3.6. Генератор тактовыхимпульсов КР580ГФ24. 75

3.7. Системный контроллер и шинный формирователь КР580ВК28. 78

3.8. Буферные регистры КР580ИР82 и КР580ИР83. 80

3.9. Шинные формирователи КР580ВА86 и КР580ВА87. 81

Тема 4. 83

ПРИМЕРЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ К МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЕ 83

4.1. Пример подключения микросхемы КР 580 ВВ 5АА к микропроцессорной системе 84

4.2. Пример подключения микросхемы КР580ВИ53 к микропроцессорной системе через контроллер прерываний КР580ВН59. 90

4.3.Пример подключения трех контроллеров прерываний КР580ВН59 на 22 прерывания. 101

4.4. Пример подключения аналого-цифрового преобразователя. 103

4.5. Пример подключения цифро-аналогово преобразователя. 104

4.6. Пример совместного использования микросхем комплекта для управления технологическим процессом. 105

Литература.. 131

Обработка информации в цифровой форме осуществляется специальными электронными схемами которые называются процессорами (processor в переводе с англ. – обрабатывающий). Первый процессор был изготовлен в 1946 году. Разрабатывались первые процессоры на основе вакуумных электронных ламп, в следствии этого они занимали помещение площадью несколько десятков квадратных метров и потребляли мощность десятки киловатт. Амплитуда сигналов составляла более ста вольт, а рабочая тактовая частота сотни килогерц.

Следующее поколение процессоров появилось в шестидесятые годы с развитием полупроводниковой электроники (диоды, транзисторы) и появлением печатного монтажа. Амплитуды информационных сигналов в этих процессорах по сравнению с первыми были снижены до десятков вольт, рабочие токи – до миллиампер. Потребляемая мощность значительно уменьшилась за счет отсутствия потерь в цепях накала и уменьшения мощности информационных сигналов.

Развитие производства интегральных схем (ИС) позволило еще более уменьшить напряжения и токи, повысить надежность, а тактовая частота возросла до нескольких мегагерц. Процессор конструировался из отдельных блоков, которые в свою очередь собирались из интегральных микросхем.

Появление микропроцессора (МП), то есть процессора в микроэлектронном исполнении, связано с разработкой больших интегральных схем (БИС). Большие интегральные схемы объединили в себе различные электронные компоненты в единый элемент на кремниевом кристалле. Первое поколение микропроцессоров разработано в начале семидесятых годов, тогда фирма INTEL выпустила МП i8008. В 1974 году было освоено производство второго поколения микропроцессоров общего назначения i8080, получившего широкое распространение. Как развитие успеха i8080 в 1978 году разработан МП i8086, разновидность которого i8088 был выбран фирмой IBM для персонального компьютера IBM PC. Более развитыми версиями для микропроцессора i8086 являются МП iAPX80186, iAPX80286, iAPX80386, iAPX80486, PENTIUM, где iAPX80 – Intel Advanced Processor Architecture, что означает развитая архитектура процессоров фирмы INTEL линии 80.

С момента появления микропроцессоров (МП) произошел качественный скачок в их проектировании и производстве. МП последних моделей работают с тактовой частотой сотни мегагерц, а его схема содержит миллионы транзисторных ключей.

Однако принцип обработки информации, организация выполнения основных операций ввода-вывода, приемы программирования пока остаются прежними. Поэтому начинать изучение микропроцессоров целесообразно с несложного по устройству и совместимого по алгоритмам выполнения процессов обработки данных МП. Таким является МП КР580 (аналог i8080), который стал предшественником линии МП INTEL iAPX80, положенной в основу компьютеров IBM. Так как фирма INTEL придерживается принципа совмещения "снизу-вверх", все что применимо к МП КР580 справедливо для современных микропроцессоров. Другой причиной выбора МП КР580 послужило то, что в последние годы литература по несложным восьмиразрядным микропроцессорам не переиздается, а они является основой управляющей и регулирующей серийно выпускаемой аппаратуры ("РЕМИКОНТ", "ЛОМИКОНТ").

Архитектура микропроцессора

Тема 1

 

 

Микропроцессор (МП) по своим функциям эквивалентен процессору ЭВМ. Это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им, построенное на одной большой интегральной схеме (БИС). В настоящее время в мире выпускается более ста типов микропроцессоров. Такое разнообразие МП определяется различным сочетанием их характеристик, однако, любой из них предназначен для выполнения последовательных команд, предусмотренных программой. Большое распространение получил микропроцессорный комплект БИС серии КР580, предназначенный для создания широкого класса средств вычислительной техники и обработки информации. На основе комплекта строятся микроЭВМ контрольно-измерительных систем, микроЭВМ для управления технологическими процессами, контроллеры периферийных устройств, бытовых приборов и игровых автоматов. МПК КР580 выполнен по n-МОП технологии и напряжения логических уровней согласуется с ИС ТТЛ. Кроме того, МП КР580 имеет архитектуру, по которой разрабатываются более современные и производительные микропроцессоры. Под архитектурой МП понимают его логическую организацию, определяемую возможностями микропроцессора по аппаратной или программной реализации функций, необходимых для осуществления процесса обработки информации.

 

 

Структурная схема микропроцессора приведена на рис. 1.1. В состав БИС входят: 8-разрядное арифметико-логическое устройство (ALU)', регистр признаков (RS), фиксирующий признаки, вырабатываемые ALU в процессе выполнения команд; аккумулятор (А)', регистр аккумулятора (RGa), регистр временного хранения операндов (RGb)-, десятичный корректор(DAA), выполняющий перевод информации из двоичной в двоично-десятичную форму; регистр команд (IR), предназначенный для хранения первого байта команды, содержащего код операции; дешифратор команд (DCU), блок регистров для приема, выдачи и хранения информации в процессе выполнения программ, содержащий программный счетчик (PC), указатель стека (SP), регистр адреса (PGA), шесть регистров общего назначения (В, С, D, Е, Н, L) и вспомогательные регистры (Wn Z); схема управления и синхронизации(CU), формирующая последовательность управляющих сигналов для работы ALU и блока регистров; 16-разрядный буферный регистр адреса (ВА)-, 8-разрядный буферный регистр данных (BD), двунаправленный мультиплексор (MU X)для обме на операндами и результатами операций между ALU и блоком регистров по внутренней шине данных.

Рис. 1.1.

 

Программный счетчик предназначен для хранения текущего адреса команды, автоматически увеличивающегося в процессе выполнения команды на 1, 2 или 3 в зависимости от формата выполняемой команды.

 

Указатель стека содержит адрес вершины стека, а сам стек может использовать любую зону оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) объемом до 64К байт или специальное ЗУ, адресуемое сигналом STACK. Содержимое указателя стека уменьшается на 2, когда данные загружаются в стек, и увеличивается на 2, когда данные извлекаются из стека.

Микропроцессор имеет 16-разрядный трехстабильный канал адреса А(15-0), 8-разрядный двунаправленный трехстабильный канал данных D(7-0), четыре входных и шесть выходных выводов управления. МП обеспечивает адресацию внешней памяти объемом до 64К байт, а также адресацию 256 устройств ввода и 256 устройств вывода.

Назначения входных, выходных и управляющих сигналов МП приведены при описании выводов микросхемы в табл. 1.1.

Таблица 1.1.Описание выводов микросхемы

Обозначения выводов	Номера контактов	Назначение выводов
А(15 - 0)	25; 26; 27; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 1; 40; 37; 38; 39; 36	Трехстабильная 16-разрядная шина адреса
D(7-0)	10: 9; 8; 7; 3; 4; 5; 6	Двунаправленная трехстабильная 8-разрядная шина данных
WR		Выход сигнала «выдача» - напряжение L-уровня указывает на выдачу байта информации на шину D(7-0) для записи в ЗУ или устройство ввода-вывода (УВВ)
DBIN		Выход сигнала «прием» - напряжение Н-уровня указывает на прием с шины D(7 - 0) байта информации, выданного ЗУ или УВВ
INTE		Выход сигнала «разрешение прерывания»
INT		Вход сигнала «запрос на прерывание»
HLDA		Выход сигнала «подтверждение захвата» - напряжение H-уровня указывает на перевод шин адреса и данных МП в высокоимпедансное состояние
HOLD		Вход сигнала «захват» - напряжение H-уровня указывает на запрос другими устройствами системы на управление шинами системы
WAIT		Выход сигнала «ожидание» - напряжение H-уровня указывает на состояние ожидания МП
READY		Вход сигнала «готовность» - напряжение H-уровня указывает на готовность данных на шине D(7 -0) к вводу в МП или на готовность внешних устройств к приему информации, служит для синхронизации микропроцессора с ЗУ или УВВ
SYNC		Выход сигнала «синхро» - напряжение H-уровня идентифицирует начало каждого машинного цикла
CLKI		Вход фазы 1
CLK2		Вход фазы 2
RESET		Вход установки 0 - установка счетчика команд в нуль, сброс триггеров разрешения прерывания и захвата шин
ubc		Напряжение питания (+12 В)
Ucc		Напряжение питания (+5 В)
ubs		Напряжение питания (-5 В)
GND		Напряжение питания (0 В)
Примечание: L-уровень- низкий логический уровень: H-уровень - высокий логический уровень

Система команд микропроцессора Кр580ИК80А

Информация в микропроцессоре представлена в виде 8-разрядных (однобайтовых) кодов (рис. 1.2). Для идентификации отдельных разрядов в байте они нумеруются отDO до D7 и считаются расположенными справа налево. При этом нулевой бит DO соответствует младшему разряду, а D7 - старшему разряду. Однобайтовый код может рассматриваться либо как положительное целое число с диапазоном значений от 0 до 255, либо как целое число со знаком в дополнительном коде с диапазоном значений от -128 до + 127. Для целых чисел можно использовать двухбайтное и многобайтное представления.

Рис. 1.2.

 

Форматы команд (рис. 1.2, а – в) могут быть одно-, двух- или трехбайтными. Многобайтная команда должна размещаться в последовательно расположенных ячейках памяти, а в первом байте команды B1 всегда указывается код операции (КОП).

Для управления процессом выполнения программы используется слово-состояние программы (рис. 1.2, г). Старший байт слова-состояния представляет содержимое аккумулятора, а младший - флаги условий регистра признаков, определяемые по результатам выполнения арифметических и логических операций.

Каждый флаг устанавливается при определенных условиях:

флаг знака S, если знаковый бит результата операции равен 1, иначе сбрасывается;

флаг нуля Z, если результат операции равен 0, в противном случае сбрасывается;

флаг дополнительного переноса АС при наличии переноса из третьего разряда, иначе сбрасывается;

флаг четности Р, если результат содержит четное число единиц, иначе сбрасывается;

флаг переноса СY при наличии переноса (при сложении) или заема (при вычитании) из старшего разряда результата, иначе сбрасывается.

В микропроцессоре применяются пять способов адресации данных:

прямая - адрес М ячейки памяти, где расположен операнд, указывается во втором (младшая часть адреса) и в третьем (старшая часть адреса) байтах команды;

регистровая - в команде задается адрес оперативного регистра или пары регистров, где находится, соответственно, 8- или 16-битовый операнд;

регистровая косвенная - адрес М ячейки памяти, где расположен операнд, определяется содержимым парного регистра, явно или неявно указанного в команде; при этом старший байт адреса находится в первом регистре пары, а младший - во втором;

непосредственная - операнд содержится в команде: для двухбайтовых команд - во втором байте, для трехбайтовых - во втором (младшая часть операнда) и в третьем (старшая часть операнда) байтах команды;

стековая - адрес ячейки памяти, содержащей операнд, находится в указателе стека.

Специфический способ адресации памяти используется в однобайтовой команде RST, применяемой при обработке прерывания для вызова одной из восьми подпрограмм обслуживания прерываний. Команды RST различаются по номеруN, задаваемому в трехбайтовом поле кода команды. В результате выполнения команды RSTN управление передается по адресу, определяемому восьмикратным увеличением N.

По функциональному признаку команды микропроцессора делятся на пять групп: команды передачи данных из регистра в регистр или память и из памяти в регистр; арифметические команды (сложения, вычитания, инкремента и декремента), логические команды: (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, сравнение, сдвиг, инвертирование), команды передачи управления и обработки подпрограмм; команды ввода/вывода и управления состоянием процессора.

Система команд МП содержит 78 команд, включающих 111 операций, она описана во второй главе.