2.2 Сравнение z80 с аналогами

После ухода из Intel Федерико Фэггин основал компанию Zilog. К проекту также присоединились интеловский инженер Ральф Уингерманн и японский инженер Масатоши Шима (один из создателей Intel 4004). Команда Фэггина сразу же принялась за разработку нового процессора, взяв за основу Intel 8080, выпущенный незадолго перед этим. Новый CPU создавался бинарно-совместимым с 8080, так что большая часть старого кода работала на новом процессоре без изменений, в частности — операционная система CP/M.

Z80 имел ряд улучшений по сравнению с 8080:

• расширенный набор команд, включая побитовые операции, поблочное копирование, поблочный ввод/вывод, инструкции поиска

• новые регистры IX и IY, и инструкции для них

• новые режимы прерываний

• два отдельных блока регистров, между которыми можно быстро переключаться, например, для быстрой реакции на прерывания

• единственный 5-вольтовый источник питания

• встроенная схема регенерации динамической памяти

• требовалось меньшее количество других микросхем для обслуживания процессора

• значительно меньшая цена

Необычно большое, для 8-ми разрядного процессора, количество процессорных регистров, позволяло в ряде случаев строить схемы микроконтроллеров вообще без ОЗУ, используя, например, бо́льшую часть «альтернативного» набора регистров для оперативного запоминания данных.

Благодаря этим преимуществам, Z80 быстро опередил 8080 на рынке и в итоге стал одним из самых популярных 8-разрядных процессоров.

Первые модели Z80 работали на тактовой частоте 2,5 МГц, со временем максимальная частота для первоначального дизайна была доведена до 8 МГц, и до 20 МГц в КМОП-версии, минимальная частота составляла порядка 1 МГц; производные от Z80 процессоры Z180 и eZ80 предназначены для частоты 33 и 50 МГц соответственно.

Отличия микропроцессора Z80 от отечественного аналога КР580:

• Для работы Z80 нужен один сигнал тактирующий работу процессора (одна фаза) и при этом частоту этого сигнала можно уменьшить до нуля (его можно останавливаться фазой).

• Для 8080 нужно две фазы причем вполне определенной формы и расположения друг относительно друга. Для формирования фаз в этом комплекте есть специальный кристалл КР580ГФ24. КР580 выдает по шине данных из себя "БАЙТ СОСТОЯНИЯ" который можно использовать для работы схемы МПС (микропроцессорная система), Z80 этого не делает.

• Z80 генерирует из себя на шину адреса и на вывод RFCH (может быть разночтения) сигналы для регенерации динамического ОЗУ, КР580 нет.

• Z80 внутри два набора регистров (основной и альтернативный) у КР580 набор один.

2.3 Разработка упрощенной структурной схемы микропроцессорной

системы

Для создания управляющей микроЭВМ на базе микропроцессора Z80 необходимы следующие устройства:

- ЦП – Центральный процессор;

- ОЗУ – Оперативное запоминающее устройство, предназначено для хранения информации в виде двоичных чисел от внешних устройств и во внешнее устройство, промежуточные результаты вычислений и адресной информации.

- ПЗУ – Постоянное запоминающее устройство. Хранит в информацию в виде двоичных чисел. Таблицы, константы, программы управления.

- ГТИ – генератор тактовых импульсов. Генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике.

- Таймер - счётчик времени. Таймер предназначен для реализации функций, связанных с отсчетом времени. Необходимо в таймер загрузить число, задающее частоту, задержку или коэффициент деления, затем таймер реализует необходимую функцию под управлением МП.

- Параллельный интерфейс – предназначен для подключения внешних устройств ввода/вывода, таких, как клавиатура, дисплей.

- Клавиатура – устройство, предназначенное для ввода в микроЭВМ информации пользователем.

- Индикатор – устройство отображения информации, на индикатор выводится информация с микроЭВМ.

ГТИ

МП

ШФ

ОЗУ

ПЗУ

ШД

ШУ

ША

Таймер

ППИ

входы синхронизации

Клавиатура

Дисплей

Рисунок 3 – Упрощенная структурная схема МПК Z80

По ШУ передаются служебные управляющие слова (сигналы синхронизации, чтения, запись, запросы на прерывание, подтверждение адреса и др.)

По шине адреса происходит передача микропроцессором адреса из ОЗУ в ПЗУ или устройств ввода/вывода, по шине данных - соответственно передача данных.

3 РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ

3.1 Оперативное запоминающее устройство К537РУ8

ОЗУ - К537РУ8. Данная серия микросхем наиболее развита. Она включает в себя более 20 типономиналов микросхем, отличающихся друг от друга информационной емкостью (от 1024 до 65536 бит), организацией (одноразрядная и словарная), быстродействием (более чем в пять раз), потребляемой мощностью. Общими свойствами микросхем являются: единое напряжение питания 5 В, уровни ТТЛ входных и выходных сигналов, схема выхода с тремя состояниями и др. Таким образом, при необходимости увеличения ОЗУ достаточно взять микросхему большей емкости той же серии. Микросхема КР537РУ8 имеет емкость 2К х 8 байт и работает в режиме записи, считывания и хранения информации, в зависимости от сигналов управления, приходящих с микроконтроллера.

Приведенные зна­чения параметров характеризуют микросхему в диапазоне рабочих темпера­тур — 10... +70° С.

Для микросхемы памяти К537РУ8 характерно сравнительно невысокое быстро­действие, определяемое временем цикла обращения, равным сотням наносе­кунд, высокая помехоустойчивость, малая потребляемая мощность, способ ность сохранять записанную информацию при напряжении питания 1,5 ... 3 В и при значительно меньшем уровне энергопотребления, чем в режиме обращения, и возможность использования источника низковольтного резервного питания - для обеспечения свойства энергонезависимости.

Микросхема КР537РУ8 имеет словарную организацию Эти микросхемы допускают запись и считывание информации 8-разрядными словами. Информационные входы и выходы в этих микросхемах совмещены, поэтому записываемая информация вводится в мик­росхему, а считываемая выводится из нее по одним линиям, что обусловливает мультиплексный режим их работы.

Другой особенностью названных микросхем является наличие у них до­полнительного сигнала управления ОЕ состоянием выхода. Он может пода­ваться одновременно с сигналом выбора CS или с некоторой задержкой. От­сутствие разрешающего состояния этого сигнала, как можно видеть из таб­лиц истинности, не позволяет вывести считанную информацию из микросхемы. В этом режиме выходы находятся в Z-состоянии. При наличии всех необходи­мых для считывания сигналов выходы переходят в функциональное состояние только по сигналу ОЕ = 0. Считываемые данные появятся на выходах спустя время выборки сигнала разрешения выхода.

Микросхемы КР537РУ8 имеет по два равнозначных сигнала выбора. Условием разрешения доступа к микросхеме является CS₁ = CS₂ = 0 Кроме того, надо учитывать, что в микросхеме КР537РУ8, относящейся к группе тактируемых статических ОЗУ, код адреса фиксируется перепадом одного из сигналов выбора из состоя­ния высокого уровня в состояние низкого уровня напряжения, причем того из сигналов, который совершит указанный переход последним.

Структурная схема БИС приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема БИС ОЗУ К537РУ8

Она содержит матрицу запоминающих элементов 128х128 М, представляющую собой накопитель емкостью 16384 бит, дешифраторы адреса строк DCK и столбцов DCS, блок управления СИ, адресные и выходные формирователи BF и разрядные усилители записи/считывания DD/ Режим работы устанавливается с помощью сигналов CS1, CS2 и WE.

Чтение и запись информации ведутся словами, размерностью в 1 байт. Дешифратор адреса строки, реализует функцию одной линии из 128, а столбца - функцию выбора 8-ми линий из 128. Выходной формирователь содержит восемь усилителей считывания и следующих за ними оконченных каскадов, осуществляющих усиление и передачу данных на выход. Адресный код А0 - А11 запоминается в регистре адреса и не зависит от состояния внешних адресных шин.

Рисунок 5 - Назначение выводов К537РУ8

Таблица 3 - Назначение выводов микросхемы КР537РУ8

№ вывода	Обозначение		Наименование	Назначение	Тип сигнала	Состояние
	Англ.	Рус.
1	2	3	4	5	6	7
1-8	А0 - А7	ША	Шина адреса	Порты адреса	вход	1,0,z
9 - 11, 13 - 17	D0 - D7	ШД	Шина данных	Входы-выходы порта D	вход	1,0,z
12	OV	Общ	Сигнал питания	"Земля" (Общий вывод И.П.)	-	-
18	CS1	ВБ	Выбора микросхемы	Сигнал выбора микросхемы 1	вход	0

Продолжение таблицы 4

1	2	3	4	5	6	7
19	A10	ША	Шина адреса	Порты адреса	вход	1,0,z
20	CS2	ВБ	Выбора микросхемы	Сигнал выбора микросхемы 2	вход	0
21	W/R	Зп/Чт	Запись/чтение	Сигнал записи/чтение	вход	0
22-23	A8, A9	ША	Шина адреса	Порты адреса	вход	1,0,z
24	5 V	Пит	Сигнал питания	Питание + 5В	-	-

МС КР537РУ8 имеет встроенные входные регистры - «защелки», срабатывающие от перепада сигнала CS. Наличие входных регистров придает МС ряд особенностей, прежде всего в режимах управления.

Истинность представленной МС рассмотрена в таблице 3.

Таблица 5 – Истинность микросхемы КР537РУ8

CS1vCS2	WR/RD	А0…А10	DIO0…DIO7	Режим работы
1	Х	X	Z	Хранение
0	0	А	D0…D7	Запись
0	1	А	D0…D7	Считывание