3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено на заседании

кафедры «Радиотехника».

Протокол № от г.

Цифровые эвм

Конспект лекций

(для студентов специальности 7.091.501 «Компьютерные и интеллектуальные системы и сети» всех форм обучения)

Запорожье ЗГТУ

2001

Цифровые ЭВМ: Конспект лекций / С.А.Сгадов, – Запорожье: ЗГТУ, 1997. – 255 с.

Ил.: 6 Библиогр.: Стр. 255

Составили: ст. препод. С.А. Сгадов,

Рецензент: канд. техн. наук,

.

Запорожский государственный технический университет

2001

СОДЕРЖАНИЕ

§1.1 История ЭВМ 5

§1.2 Структуры типичных микроЭВМ 7

§1.4 Архитектура ЭВМ 12

§2. Микропрограммные устройства управления 15

§2.1 Структура микропрограммных устройств 15

§2.2 Способы записи микропрограмм 16

§2.3 Микропрограммный принцип управления операциями 17

§2.4 Синтез МПА с использованием “жёсткой” логики 20

§2.5 Выбор схемы операционного устройства 21

§3. Запоминающие устройства 23

§3.1 Запоминающие устройства и их назначение 23

§3.2Классификация и основные характеристики полупроводниковых ЗУ 23

§3.3 Статические ОЗУ 25

§3.4 Динамические ОЗУ 26

§3.5 Память на ПЗС 27

§3.6 ЗУ на ЦМД 28

§3.7 Функциональные схемы ОЗУ 28

§3.8 Функциональные схемы ПЗУ и ППЗУ 30

§3.9 Организация многокристальной памяти 30

§3.10 Программирование ПЗУ 31

§3.11 Программируемые логические матрицы 31

§4. Процессоры и микропроцессоры 34

§4.1Классификация микропроцессоров 34

§5.Сравнение архитектур микропроцессоров 38

§5.1 Архитектуры микропроцессоров. 38

§5.2 Ортогональность архитектуры микропроцессоров. 40

§5.3 Основные принципы построения устройств обработки цифровой информации 42

§5.4 Принципы организации арифметико – логических устройств. 42

§5.5 Классификация АЛУ 43

§5.6 Структура и формат команд. Кодирование команд. 43

§6.Проектирование микро - ЭВМ 47

§6.1.Функциональные блоки и организация управления в микро - ЭВМ 47

§6.1.1Общие сведения 47

§6.1.2. Структура операционного устройства 49

§6.1.3. Структура устройства управления 53

§7.Описание микроконтроллеров 8051, 8052 и 80C51 60

§7.1 Вступление 60

Устройства 60

§7.2Специальные функциональные регистры 60

§7.3 Структура и работа портов 64

Альтернативная функция 64

§7.3.1 Конфигурации ввода-вывода 65

§7.3.2 Запись в порт 65

§7.3.3 Загрузка и согласование портов. 67

§7.3.4 Особенность чтения-модификации-записи 67

§7.4.Доступ к внешней памяти 67

§7.5 Таймер/счетчик 68

Таймер 0 и Таймер 1 69

Режим 0 (MODE 0) 69

М1 М0 Режим 70

§7.5 Последовательный интерфейс 74

§7.5.1 Многопроцессорные связи 75

§7.5.2 Управляющий регистр последовательного порта 76

§7.5.4 Скорость приема/передачи 76

§7.5.5 Использование таймера 1 для задания скорости приема/передачи 77

§7.6 Структура уровней приоритета 87

Источник 87

Адрес вектора 88

Внешние прерывания 88

Таблица 7.6. Программная защита 95

Рисунок 7.33. Внутричиповый осциллятор для СHMOS версий MSC-51 99

Рисунок 7.36. Захват внешней програмной памяти 100

§8.PIC16C84 101

§8.1.Введение 101

§8.2. Обзор характеристик 102

§9.Введение в ADSP 138

§9.1. Обзор 138

138

§9.2. Функциональные устройства 138

§9.3. Интерфейс системы и памяти 139

§9.4. Набор команд 139

§9.5. Рабочие характеристики цифровых сигнальных процессоров 140

§9.6. Базовая архитектура 140

§9.7. Вычислительные устройства 141

§9.8. Генераторы адреса и программный автомат 141

§9.9. Шины 142

§9.10. Другие устройства на кристалле 142

§9.11. Последовательные порты 142

§9.12. Таймер 143

§9.13. Порт интерфейса хост-машины (ADSP-2111, ADSP-2171, ADSP-21msp5x) 143

§9.14. Порты прямого доступа к памяти (ADSP-2181) 143

§9.15. Аналоговый интерфейс 143

§9.16. Система программно – аппаратных средств отладки процессоров семейства ADSP - 2100 143

§9.17. Генераторы адреса и программный автомат 144

§10Вычислительные устройства 144

§10.1. Обзор 144

Последовательности двоичных символов 144

Беззнаковый формат 145

Знаковые числа в дополнительном коде 145

§10.2. Арифметико – логическое устройство (АЛУ) 145

Блок-схема АЛУ 146

Возможность операций с повышенной точностью 148

Режим насыщения АЛУ 148

Режим фиксации переполнения АЛУ 149

Деление 149

§10.3. Умножитель – накопитель (умножитель) 150

Арифметические операции умножителя 151

Арифметические операции устройства сдвига 152

Операции умножителя-накопителя 152

Регистры ввода/вывода умножителя-накопителя 153

Денормализация 158

Нормализация 158

§11.3 Команды управления программой 161

§12.1. Обзор 166

§12.5. Сопряжение последовательного порта с АЦП 170

§12.6. Сопряжение последовательного порта с другим последовательным портом 171

§12.7. Сопряжение микрокомпьютера 80С51 с портом интерфейса хост – машины 172

§12.8. Обзор 173

§13. Программное обеспечение 173

§13.1. Процесс отладки системы 173

§14. Система команд МП типа К580ИК80 175

§14.1 Способы адресации МП 175

§14.2 Команды МП 177

§15. Архитектура микропроцессора Z-80 184

§15.1 Назначение выводов 184

§15.2 Логическая организация Z80 185

Устройство управления. 185

Регистры пользователя (основные регистры). 185

Регистровая пара HL. 185

Набор альтернативных регистров. 186

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). 186

Команды и данные. 186

§16.Микросхема 80130 198

§17.Микросхема 80186 201

§18.Микросхема 80286 208

Инициируемый цикл шины 210

§19.Микропрцессоры серии iX86 фирмы INTEL 214

§19.2. Процессор 80286 217

§19.3. Процессор 80386 217

§20.Pentium Pro 224

§21.PENTIUM processor 229

§22.Введение в команды MMX. 235

§22.1. Регистры 236

§22.2. Префиксы 236

§22.4. Типы данных 237

§22.5. Краткое описание команд 238

§23.Логическая структура микропроцессорной системы на основе комплекта БИС секционного микропроцессора 241

§23.1. Комплект БИС секционного микропроцессора. 241

§23.2. БИС микропрограммного управления на основе программируемой логической матрицы (ПЛМ). 241

§23.3. Комплект БИС для построения электронной системы. 243

§24. Обзор секционируемых МПК БИС 245

§24.1. Микропроцессорный комплект серии КР1802 245

§24.1.1. Восьмиразрядная микропроцессорная секция (МС) КР1802ВС1. 245

§24.1.2. Двухадресная память общего назначения КР1802ИР1. 246

§24.1.3. Шестнадцатиразрядный арифметический расширитель КР1802ВР1. 246

§24.1.4. Схема обмена информацией (ОИ) КР1802ВВ1. 247

§24.1.5. БИС интерфейса (БИС И) КР1802ВВ2. 247

§24.1.6. Сумматор (СМ) К1802ИМ1. 247

§24.1.7. КМ1802ВРЗ—умножитель двух 8-разрядных чисел. 248

§24.1.8. КМ1802ВР4—умножитель двух 12-разрядных чисел. 248

§24.1.9. КМ1802ВР5—умножитель двух 16-разрядных чисел. 248

§24.2. Микропроцессорный комплект серии К1804 248

§24.2.1. Центральные процессорные элементы К1804ВС1 и К1804ВС2 248

§24.3. Микропроцессорный комплект серии К587 249

§24.3.1. Арифметическое устройство К587ИК2. 249

§24.3.2. Управляющая память К587РП1. 251

§24.3.3. Устройство обмена информации К587ИК1. 253

§24.3.4. Арифметический расширитель К587ИКЗ. 255

§24.3.5. Архитектурные особенности построения управляющей микро-ЭВМ на базе МПК серии К587 257

§1.Введение.

§1.1 История ЭВМ

ЭВМ — это сложная система, включающая как технические средства (интегральные микросхемы, печатные платы, кабели, источники питания, печатающие устройства, дисплеи и т. п.), так и программное обеспечение (отладчики, редакторы текста, трансляторы, загрузчики и т. д.). Для изучения ЭВМ целесообразно использовать ту или иную степень ее детализации. Здесь мы представим ЭВМ в виде трех последовательно усложняющихся уровней детализации:

1) аппаратные средства — электронные схемы, из которых строят отдельные устройства ЭВМ;

2) архитектура — состав, характеристики и взаимосвязь устройств ЭВМ (структурная организация ЭВМ), принцип функционирования ЭВМ и ее машинный язык;

3) программное обеспечение ЭВМ.

Рассмотрим с использованием этих уровней, как изменились ЭВМ за 40 лет их существования.

Первый этап (до 1955 г.). За точку отсчета эры ЭВМ принимают 1946 г., когда началась опытная эксплуатация первых образцов подобных машин. Известны такие данные о первой из них: общая масса — 30 т, число электронных ламп — 18 тыс., потребляемая мощность— 150 кВт (мощность, достаточная для небольшого завода), объем памяти — 20 10-разрядных десятичных чисел, время выполнения операций: сложения — 0,0002 с, умножения — 0,0028 с. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора на переключателях, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных полях. Производительность этой гигантской ЭВМ была ниже, чем в канцелярском магазине.

Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а, следовательно, объем производства этих машин. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием атомной энергетики, реактивной авиации, ракетостроения и т. п. Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкие надежность и производительность ламповых машин, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввода и отладки программ, написанных на языке машинных команд.

Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увеличения ее памяти и улучшения архитектуры: использование двоичных кодов для представления чисел и команд, а также размещение их в увеличивающейся памяти ЭВМ упростили структуру процессора и повысили производительность обработки данных. Для ускорения процесса подготовки программ стали создавать первые языки автоматизации программирования (языки символического кодирования и автокоды).

Второй этап (до 1965 г.). Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач. Стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических (АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономических (КОБОЛ) расчетов.

Но и на этом этапе основной задачей технологии программирования оставалось обеспечение экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти). Для ее решения стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при исполнении пользовательских задач). Первые операционные системы (ОС) просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в машину текста программы, вызов нужного транслятора, вызов потребовавшихся для программы библиотечных подпрограмм, вызов компоновщика для размещения этих подпрограмм и основной программы в памяти ЭВМ, ввод исходных данных и т. д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводилась еще и инструкция, где перечислялись этапы обработки, приводился ряд сведений о программе и ее авторе (чтобы было известно, с кого брать деньги за обработку данных). Затем в ЭВМ стали вводить сразу по несколько заданий пользователей (пакет заданий), операционные системы стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями — появился мультипрограммный режим обработки данных (например, пока выводятся результаты одной задачи, производятся расчеты для другой и в память вводятся данные для третьей).

Третий этап (до 1970 г.). Увеличения быстродействия и надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их габаритов, потребляемой мощности и стоимости удалось добиться за счет создания технологии производства интегральных микросхем (ИС), состоящих из десятков электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1 см. Такая пластина (кристалл) размещается в небольшом пластмассовом корпусе, размеры которого, как правило, определяются только числом «ножек» (выводов от входов и выходов электронной схемы, созданной на кристалле). Это позволило не только повысить производительность и снизить стоимость универсальных ЭВМ (больших ЭВМ), но и создать малогабаритные, простые, дешевые и надежные машины — мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализованных контроллеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом, в автоматизированных системах управления технологическими процессами, системах сбора и обработки экспериментальных данных, различных управляющих комплексах на подвижных объектах и т. д.

Появление мини-ЭВМ позволило сократить сроки разработки контроллеров. Вместо длительной процедуры разработки и создания сложной электронной схемы надо было лишь купить готовый универсальный «полуфабрикат» контроллера, чтобы потом запрограммировать его на выполнение требуемых функций. Правда, такое универсальное устройство, как правило, обладало функциональной избыточностью (для создаваемого контроллера могли не потребоваться некоторые команды мини-ЭВМ, часть ее памяти, высокое быстродействие и т. п.). Однако низкая цена серийной мини-ЭВМ, большое число серийных устройств связи с объектом управления и хорошее программное обеспечение обычно обусловливали экономическую эффективность использования такого программируемого контроллера.

Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков, экспериментаторов и обучающихся, т. е. дать их прямо в руки пользователей ЭВМ. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники:

универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемый для применения в различных специализированных системах контроля и управления;

небольших габаритов универсальную ЭВМ, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, технологического участка, т. е. задач, в решении которых оказывались заинтересованными 10—20 человек, работавших над одной проблемой.

Четвертый этап (до 1978 г.). Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команды: стоимость байта памяти и одной машинной операции начала резко снижаться. Но так как затраты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.

Разрабатывались новые операционные системы, позволяющие программистам отлаживать свои программы прямо за дисплеем ЭВМ (в диалоговом режиме), что облегчало работу пользователей ЭВМ и ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило концепциям первых этапов информационной технологии: «процессор выполняет лишь ту часть работы по обработке данных, которую люди принципиально выполнить не могут,— массовый счет». Стала прослеживаться другая тенденция: «все, что могут делать машины, должны делать машины; люди выполняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать».

В 1971 г. был изготовлен первый микропроцессор — БИС, в которой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС (на одном кристалле) почти всех электронных устройств несложных по архитектуре ЭВМ, т. е. возможность серийного выпуска простых ЭВМ стоимостью 5—50 руб. (без учета стоимости внешних устройств). Появились дешевые микрокалькуляторы (карманные клавишные ЭВМ) и микроконтроллеры — управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления (т. е. с внешними устройствами такой специализированной ЭВМ). Программы управления подачей топлива в двигатель автомобиля, движением электронной игрушки или заданным режимом стирки белья вводились в память ЭВМ либо при изготовлении подобного контроллера, либо непосредственно на предприятиях, выпускающих автомобили, игрушки, стиральные машины и т. п.

В 70-х годах стали изготавливать и микроЭВМ—универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода-вывода и тактового генератора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной печатной плате (одноплатная ЭВМ). Таким образом, повторялась картина 60-х годов, когда первые мини-ЭВМ отбирали часть работы у больших универсальных ЭВМ.

Пятый этап. Улучшение технологии производства БИС позволяло изготавливать дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле—схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС).

Появилась возможность создать настольный прибор с габаритами массового телевизора, в котором размещались микроЭВМ, клавиатура, экран, кассетный магнитофон (или гибкий диск), а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством (например, с электрической пишущей машинкой), измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.д.

Кроме функций помощника в решении традиционных задач расчетного характера персональный компьютер (ПК) может выполнять работу личного секретаря: помогать в составлении личной картотеки и ведении рабочей тетради; создавать, хранить (например, на магнитной ленте), редактировать и размножать различные тексты (письма, документы, статьи, конспекты лекций и даже книги); получать по линиям связи различные справочные данные из библиотек и архивов и т. д. ПК можно использовать для обучения детей (с помощью учебных машинных курсов), в развлекательных целях (от остросюжетных до познавательных игр) и во многих других приложениях.

Наиболее широкое применение нашли микроЭВМ в гибких системах автоматизации производства (ГАП) и научных исследований (АСНИ). Здесь используются как персональные компьютеры, так и встраиваемые в аппаратуру микроконтроллеры и микроЭВМ. Существует и множество других приложений микроЭВМ.

Для построения интеллектуальных систем и устройств выпускается очень большое число вычислительных средств: общий объем мирового производства оценивался в 1985 г. на уровне 200 млн. микропроцессоров и 10 млн. персональных компьютеров в год. Их встраивание в аппаратуру, обслуживание и программирование требует колоссального числа специалистов, которых нельзя (да и нецелесообразно) готовить в рамках одной специальности. Поэтому программирование постепенно перекладывается на плечи непрофессиональных программистов — специалистов различных отраслей народного хозяйства, которые приобрели начальные навыки программирования, освоив небольшие по объему дисциплины в техникумах, вузах или на курсах повышения квалификации. Эти же непрофессионалы должны выполнять и часть работ по встраиванию микроЭВМ в разрабатываемую ими аппаратуру. В связи с этим сейчас так много людей изучает в том или ином объеме устройство микроЭВМ и их язык.

Так как при современном состоянии вычислительной техники не позволительно проводить такую работу, рассматривая микроЭВМ как «черный ящик», Понимание этих принципов позволит произвести правильный выбор типа микроЭВМ, объема ее памяти, набора внешних устройств и т.п.