книги / Технические средства автоматизации химических производств

Глава 4

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

4.1. Микропроцессорные системы

Большие интегральные схемы (БИС) широко применяют при постро­ ении микропроцессоров (МП) - программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации. Совокупность МП и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивно-технологи­ ческому исполнению и предназначенных для совместного примене­ ния, образует микропроцессорный комплект. На базе таких комплек­ тов конструируют разнообразные микропроцессорные системы (МП-сис- темы), предназначенные для сбора и переработки контрольной ин­ формации и нахождения командных (управляющих) сигналов [15]. К классу МП-систем относят микроЭВМ, состоящие из микропроцессора, запоминающих устройств на полупроводниковых элементах и уст­ ройств связи с периферийной аппаратурой. МП-системой является ин­ формационная или управляющая цифровая система, в состав которой входят микроЭВМ и устройство связи с объектом (УСО), выполняющие ограниченный набор программ, хранящихся в постоянном запоминаю­ щем устройстве (ПЗУ).

Структура МП-системы. Структура обобщенной МП-еистемы показа­ на на рис. 4.1. В нее входят типовые функциональные блоки (МП, ПЗУ, ОЗУ), а также периферийные устройства (ПУ и УСО). Все блоки и устройства связаны между собой набором внутрисистемных шин через узкоспециализированные устройства - контроллеры (К).

Контроллеры выполняют функции управления отдельными блоками МП-системы, передачи и хранения информации на выходе некоторых устройств, выбора нужной БИС памяти, усиления электрической мощности сигналов. Контроллер ввода - вывода (КВВ) служит для связи с разными типами периферийных устройств и содержит узлы, которые в соответствии с заданным алгоритмом выбирают для обмена информацией одно из ПУ либо преобразуют последовательный код с системных шин в параллельный, и наоборот. В простейшем случае КВВ представляет собой буферный регистр памяти, называемый портом. Для работы МП необходима схема синхронизации (СС), вырабатываю­ щая непрерывную последовательность тактирующих импульсов. К числу необязательных блоков МП-системы относят таймер (Т) для отсчетов интервалов времени и пульт (П), который можно подключать к системе только на время ее настройки для работы с конкретным ТОУ.

Внутрисистемная шина представляет собой набор линий связи для передачи информации одного характера. Поскольку по конкретной шине в любой момент времени передается информация только от одного типового функционального блока, увеличение числа шин повышает быстродействие МП-системы. В зависимости от направления

71

II III

(К С1

I2

Рис. 4.1. Структурная схема микропроцессорных устройств

потока информации по отношению к МП шины делят на однонаправ­ ленные (входные, выходные и смешанные) и двунаправленные. Наи­ более часто в МП-системах используют следующие два набора шин: 1) выходная шина адресов, смешанная шина управления и двунаправ­ ленная шина данных; 2 ) выходная шина адресов, смешанная шина управления, выходная шина данных, входная шина данных из памяти, входная шина данных из подсистемы ввода - вывода. Во втором наборе шин информация одновременно передается из всех трех основ­ ных функциональных блоков МП-системы, но при этом усложняется коммутация системы. Для упрощения коммутации используют объе­ диненные шины, например, шину адресов и данных, в которой адреса и данные передают в разные интервалы времени.

Числом разрядов шины адресов определяется число ячеек памяти, к которым осуществляется непосредственное обращение. Аналогичным образом разрядностью шины данных определяется диапазон обрабаты­ ваемых двоичны*, чисел. Целое число без знака может принимать значения от 0 до 2^ - 1 (где число N - число разрядов). Для восьми­ разрядной шины максимальное целое положительное обрабатываемое число равно 255. Если старший разряд шины отведен под бит знака и отрицательные числа представляются в дополнительном коде, то диапазон целых чисел находится между -128 и +127. Для расширения диапазона чисел некоторые МП имеют режимы двойной и тройной точности, при которой двоичное число передают по шине данных по частям за несколько приемов, что снижает быстоолействие МП-систе­ мы.

Существенное увеличение диапазона обрабатываемых чисел дости­ гается использованием подпрограмм обработки чисел с плавающей запятой. В этом случае числа представляют в виде мантиссы, занима-

72

Таблица 4.1. Виды конструктивного исполнения элементов МП-системы

ющей, например, два байта, и порядка, занимающего один байт. При использовании подпрограмм обработки чисел с плавающей запятой быстродействие МП-системы снижается на порядок.

Во многих МП-системах функциональные блоки объединены с соответствующими контроллерами в единые модули (микропроцес­ сорные, памяти, ввода - вывода). Каждый модуль выполняют в виде отдельной печатной платы с напаянными на нее корпусами интеграль­ ных схем. В этом случае МП-систему называют многоплатной. Если модули смонтированы на одной печатной плате, МП-систему называют одноплатной. В предельном случае все модули выполняют в одном корпусе БИС (соответствующую МП-систему называют однокристалльной). При уменьшении размеров МП-системы ее возможности, как правило, также сокращаются; например, в однокристалльных микроЭВМ объем памяти ОЗУ редко превышает 256 байт. Различные виды конструктивного исполнения МП-системы и ее элементов представле­ ны в табл. 4.1.

Основным функциональным блоком МП-системы является микро­ процессор. В общем случае МП содержит три основных функциональ­ ных узла: арифметико-логическое устройство (АЛУ), перестраиваемое на выполнение одной из нескольких десятков операций; сверхопера­ тивное запоминающее устройство (СОЗУ), регистры которого служат для кратковременного хранения текущей информации; устройство управления (УУ), организующее работу АЛУ, СОЗУ и всей МП-системы.

Все узлы МП находятся в одной БИС (однокристальный МП) или в нескольких (многокристальный МП). При использовании полевых транзисторов, позволяющих получить большую степень интеграции и малую потребляемую мощность, МП выполняют в виде одной БИС. Такие МП обладают сравнительно малым быстродействием. Схемы с использованием биполярных транзисторов дают более высокое быст­ родействие, но им присущи малая степень интеграции и большая потребляемая мощность. Поэтому МП размещают в нескольких БИС.

73

Таблица 4.2. Характеристики микропроцессорных комплектов

* Знак х указывает на возможность увеличения разрядности МПК путем совместной работы нескольких микропроцессорных секций.

При этом, разбивку схемы МП по БИС производят либо по функцио* нальным узлам, либо по секциям, производящим обработку слов малой разрядности, либо с одновременным использованием двух этих принципов.

Технология изготовления МП существенно влияет на их быстро­ действие и габариты. При использовании р*канальной МОП-технологии получают наиболее дешевые МП* обладающие малым быстродействи­ ем. Оно возрастает, если применять для изготовления МП л-канальную технологию. Более сложная технология комплементарных КМОП-стру- ктур обеспечивает высокую помехоустойчивость и малую потребля­ емую мощность. Технология схем ТТЛШ дает высокое быстродействие, но характеризуется малым уровнем интеграции. Технология схем с инжекционной логикой (ИЛ) практически сохраняет быстродействие ТТЛШ-схем и менее трудоемка [16].

Микропроцессорные комплекты (МПК) содержат от одной до двух десятков БИСи включают интерфейсные и интегральные схемы, исполь­ зуемые для построения контроллеров. В табл. 4.2 приведены некото­ рые основные характеристики наиболее распространенных серий МПК. Следует иметь в виду, что некоторые серии поставляют не в виде отдельных БИС, а как составные части готовых микроЭВМ. Например, серии К581, К586 и К587 используют в основном в микроЭВМ соответ­ ственно „Электроника-60”, „Электроника С5-21”, „Электроника НЦ”.

74

Возможность применения той или иной серии БИС для решения конкретной задачи оценивают путем сравнения следующих основных характеристик: технология изготовления (схемотехника) и быстродей­ ствие; число БИС в МП; число и разрядность шин; способ управления

МП; число и формат команд; виды адресации; число источников пита­ ния [17].

Быстродействие и другие характеристики однокристальных микро­ процессоров серий К580, К588, К1810 и микроЭВМ К1803, К1816, как правило, удовлетворительны для решения типовых задач управления технологическими процессами. Для построения систем управления с повышенным быстродействием используют секционированные МП серий К582, К583, К584, К587. Для наиболее быстродействующих систем управления применяют МП серии К589, КР1802, КР1804.

Микропроцессорный комплект серии К580 является наиболее функционально полным и используется в тех случаях, когда неболь­ шая разрядность и фиксированный список команд не являются огра­ ничивающими факторами. МП серии К588 применяют для построения систем с малой электрической мощностью и высокой помехозащищен­ ностью. Микропроцессоры серий К1810 и К580 имеют одинаковую архитектуру. Система команд МП серии К1810 несколько шире, чем команд МП серии К580 и дополнительно содержит команды умноже­ ния и деления чисел. Благодаря 20-разрядной шине адреса МПработает с памятью объемом до 1 Мбайт. Внутренний шестибайтный регистр команд позволяет организовать опережающую выборку команд и тем самым повысить быстродействие МП.

Для решения сравнительно несложных задач автоматизации целе­ сообразно использовать однокристальную микроЭВМ серии К1816. Эта микроЭВМ содержит перепрограммируемое ПЗУ емкостью 1кбайт, ОЗУ емкостью 64 байта и восьмиразрядный таймер. Возможна работа этой микроЭВМ с внешними ПЗУ емкостью до 3 кбайт и ОЗУ емкостью 256 байт. Для работы микроЭВМ необходимо подключение кварцевого резонатора на частоту от 1 до 6 мГц. Для передачи данных эта микроЭВМ имеет три восьмиразрядных двунаправленных порта ввода - вывода.

Однокристальная микроЭВМ К1803 содержит ОЗУ емкостью 256 бит с секциями 64x4, а также ПЗУ на 8192 бита. МикроЭВМ имеет 4-битный входной порт и 11 выходных регистров. Низкая стоимость и простота эксплуатации этой микроЭВМ делают ее перспективной для решения задач, не требующих высокого быстродействия.

Разрядность микропроцессоров определяет в значительной мере области их применения. Четырехразрядные микропроцессоры исполь­ зуют в качестве простейших программируемых контроллеров, встраи­ ваемых в схемы управления измерительных приборов; восьмиразряд­ ные - в системах управления технологическими процессами; шест­ надцатиразрядные - в аналого-цифровых преобразователях; 32-раз- рядные - в микроЭВМ широкого назначения.

На основе микропроцессорных комплектов серийно выпускают несколько типов простых микроЭВМ типа К1-10, К1-20, используемых

75

для логического управления ТОУ. Проектировать на основе микро­ процессорных комплектов нестандартные микроЭВМ целесообразно в том случае, если потребность в них составляет не менее нескольких сот штук.

Управление работой МП. При постороении МП используют два способа управления их работой: схемный и микропрограммный. В соответствии с этим устройство управления МП имеет различные конструктивные особенности.

Схемное управление, характерное для однокристальных МП, не допускает никаких изменений в системе команд. Возможность изме­ нить систему команд дают микропрограммные устройства управления, которые применяются в многокристальных МП.

Структура микропрограммного устройства управления, состоящего из четырех функциональных узлов (каждый из которых выполнен в виде отдельной интегральной схемы), показана на рис. 4.2. При двух­ уровневом управлении, когда команды прикладной программы написаны на языке высокого уровня и хранятся в ПЗУ МП-системы, устройство работает следующим образом.

Команда из ПЗУ поступает в формирователь адреса микрокоманды (ФАМК), который вырабатывает начальный адрес микропрограммы, записанный в запоминающем устройстве микрокоманд (ЗУМК). В соответствии с адресом из ячейки ЗУМК извлекается код микроко­ манды, часть которого подается на дешифратор (ДШ) и содержит информацию об управляющих сигналах для всех узлов МП. Вторая часть кода из ЗУМК содержит правила нахождения адреса следующей микрокоманды, а в случае необходимости и непосредственно сам адрес. Для организации условных переходов часть кода вводят на селектор условий (СУ), который из набора сигналов, характеризующих признаки полученных результатов, выбирает нужный сигнал. В зави­ симости от значения сигнала с селектора условий ФАМК увеличивает адрес на единицу или извлекает его из ЗУМК. Последняя микроко­ манда содержит бит, информирующий о выполнении микропрограммы и готовности ФАМК принять новую команду.

Для увеличения быстродействия МП-системы используют одно­ уровневое управление, при котором прикладная программа записыва­ ется не в ПЗУ, а сразу в ЗУМК. При этом на ФАМК подают только начальный адрес микропрограммы, и микрокоманды выполняются при подаче тактирующих импульсов на устройство управления.

Схема управляющего устройства с дешифратором, представленная на рис. 4.2, реализует вертикальный способ кодирования и позволяет использовать ЗУМК с минимальным количеством разрядов, но не дает возможности одновременно включать в работу несколько узлов МП. Аналогичная схема без дешифратора организует горизонтальное кодирование, при котором каждый разряд кода с ЗУМК связан с управляющим входом определенного узла МП. Горизонтальное коди­ рование требует ЗУМК большой разрядности, но преимущество его состоит в том, что можно организовать изменение состояний сразу

76

разработчиков и приводит к увеличению трудоемкости подготовки программного обеспечения.

Режимы работы МП. В зависимости от способа обмена информацией с периферийными устройствами в МП-системах существует три режима работы: без прерывания программы, с прерыванием программы и с прямым доступом к памяти [18].

Режим работы МП-систем без прерывания программ характеризует­ ся тем, что обращение к периферийному устройству происходит в моменты времени, задаваемые программой.

В режиме работы МП без прерывания программы существует два способа обмена информацией: синхронный и асинхронный. При син ­ хронном способе обмен информацией производят в темпе, зада­ ваемом микропроцессором, что предполагает использование перифе­ рийных устройств, обладающих не меньшим быстродействием, чем сам МП. При а с и н х р о н н о м способе МП проверяет готовность к обмену информацией периферийного устройства и, если оно не готово, то переходит в режим ожидания. Поскольку периферийные устройства часто имеют малое быстродействие, то режим без прерывания прог­ раммы может существенно снизить скорости вычислений по основной программе.

В режиме работы МП с прерыванием программы периферийное устройство в момент готовности к обмену информацией посылает в микропроцессор запрос о прерывании его работы по основной прог­ рамме. МП после получения запроса прерывает вычисления, заносит в стековую память все промежуточные данные, необходимые для продолжения работы по основной программе, и переходит к обслужи­ ванию периферийного устройства. Стековая память представляет собой совокупность ячеек ОЗУ, при обращении к которым нет необ­ ходимости в команде указывать адрес, так как при записи данные заносятся в очередную свободную ячейку.

Обслуживание периферийных устройств МП производит по прог­ рамме, которая обязательно предусматривает связь с этими устройст­

7?

вами через регистры СОЗУ. Закончив обслуживание периферийного устройства, МП извлекает из стека промежуточные данные и продол­ жает прерванные вычисления.

Если от устройства необходимо передать большой массив информа­ ции в ОЗУ, то целесообразно использовать режим с прямым доступом к памяти. В этом режиме данные от устройства не проходят через МП, а поступают непосредственно в ОЗУ по внутрисистемным шинам МП-си- стемы.

На время этой передачи МП останавливает свою работу и отключа­ ется от внутрисистемных шин, но длительность остановки гораздо меньше, чем при передаче информации при его посредничестве. В режиме прямого доступа к памяти часть функций МП по считыванию и пересылке информации берет на себя контроллер. Отключение шин от МП и их использование для передачи информации между периферий­ ным устройством и ОЗУ называют захватом шин.

Рассмотренные последовательности действий в режимах с прерыва­ нием программы и прямого доступа к памяти относят к способам работы МП „без опроса”, который используют, когда есть всего одно периферийное устройство. Если в МП-системе есть несколько перифе­ рийных устройств, необходимы дополнительные действия для опреде­ ления запрашивающегося устройства. Эти действия реализуют двумя способами: прерыванием с опросом и прерыванием по вектору.

Прерывание с опросом выполняют с помощью программных или аппаратных средств. В любом случае путем последовательного опроса определяют запрашивающее устройство, после чего вступает в работу программа обслуживания, начальный адрес которой связан с числом опросов, проведенных для обнаружения устройства. При аппаратном способе последовательного опроса используют цепочечную схему включения периферийных устройств, при которой сигнал на разреше­ ние прерывателя от МП распространяется самими же устройствами до тех пор, пока этот сигнал не попадет в запрашивающее устройство. При использовании прерывания по вектору на разрешение прерывания от МП сразу же вызывает передачу от запрашивающего устройства на­ чального адреса (вектора) обслуживающей программы.

В том случае, если возможен одновременный запрос на прерывание сразу от нескольких периферийных устройств, необходимо организо­ вать приоритетное прерывание, при котором в первую очередь обслу­ живается более важное устройство. Приоритетное прерывание обеспе­ чивают путем программного или аппаратурного сравнения кодов всех запрашивающих обслуживание устройств. При цепочечной схеме включения более важное устройство устанавливают ближе к началу цепочки.

78

4.2. Однокристальные микропроцессорные БИС

Структура микропроцессора. В состав многих МП-систем входят однокристальные микропроцессоры серии К580. Структурная схема од­ ного такого микропроцессора К580ВМ8А изображена на рис. 4.3. МП содержит три основных функциональных блока: арифметико-логичес­ кое устройство (АЛУ), утройство управления и набор регистров. Кроме того, в состав МП входят схема инкрементатора-декрементатора(±1)и буферные каскады. МП имеет три шины: адресов, данных и управле­ ния. Каждая из шин содержит соответственно 16, 8 и 10 линий. Темп работы МП задают внешние сигналы и Т2, представляющие две последовательности несовпадающих во времени импульсов. Питание МП осуществляют от трех источников питания с напряжениями отно­ сительно общей точки схемы 5В; - 5 В; 12В. Буферные каскады могут отключать шину данных и адресов от микропроцессора в режиме прямого доступа к памяти.

Регистры МП обмениваются информацией по внутренней шине данных. Устройство управления имеет каналы связи со всеми осталь­ ными узлами МП. Схема ± 1 уменьшает или увеличивает содержимое регистров на единицу, например счетчика команд (программного счетчика) или указателя стека при последовательной выборке команд или данных из памяти. В программную модель МП входят только регистры А, Р9 УС, СК и регистры общего назначения (РОН) - В, С, Д Е, Ц I. Регистры А ,Р и общего назначения являются восьмиразрядны­ ми, а регистры СК и УС - шестнадцатиразрядными. Адреса восьмираз­ рядных регистров кодируют тремя битами, например регистру В соответствует двоичный адрес 0 0 0 .

Регистры общего назначения могут объединяться в пары ВС, ДЕ, НЬ, которые имеют двоичные адреса 0 0 , 0 1 , 10 соответственно, и хранят шестнадцатиразрядные операнды. В регистре А, называемом аккуму­ лятором, обязательно содержится один из операндов, поступающих на АЛУ. Результаты: вычислений также помещают в регистр А .

Регистр признаков Р состоит из отдельных триггеров (флажков). В одной части триггеров постоянно записаны 0 или 1, а другая часть устанавливается в единичное состояние только при определенных особенностях текущих результатов. По этим состояниям МП определя­ ет необходимость условных переходов в программе. Наиболее часто МП производит анализ следующих флажков: С - переноса, который устанавливается в „1” при наличии переноса из старшего бита резуль­ тата; 8. - знака, который имеет единичное состояние при отрицатель­ ном результате (состояние этого флажка совпадает со значением старшего бита аккумулятора); 2 - нуля (принимает единичное состоя­ ние при нулевом результате). Следует отметить, что флажки устанав­ ливаются в нужное состояние только в результате выполнения ариф­ метических и логических операций.

Счетчик команд хранит адрес ячейки запоминающего устройства, из которой должна быть извлечена очередная команда. Указатель стека хранит адрес стековой ячейки памяти, в которую введен последний

79

Регисто - шунилятор

ЙЛ У

Указатель стека (УС)

Счетчик команд (С К)

Рис, 4.3. Структурная схема микропроцессора

код. Ввод новой информации в стековую память осуществляют в ячейку с адресом на единицу меньшим, чем содержимое указателя стека. Считывание кодов из стека производится из ячейки с адресом, находящимся в указателе стека.

Стек используют для организации работы по нескольким подпрог­ раммам (ПП), вложенным одна в другую. При обращении к первой ППв стек заносят содержимое счетчика команд, то есть адрес команды, которая должна выполняться по окончании подпрограмм. Если в первой ПП есть обращение ко второй, то в стек заносится адрес возвра­ та первой ПП, который определяет команду, выполняемую первой подпрограммой, после окончания второй. Таким образом, после завершения очередной вложенной одна в другую подпрограммы из стека в счетчик команд вводится адрес возврата предыдущей ПП, и микропроцессор начинает выполнять эту ПП.

При извлечении очередной команды из памяти содержимое счетчи­ ка команд через регистр адреса устанавливается на шине адресов. Из

80