Программная реализация системы прерываний отличается простотой и характеризуется минимальным числом сигналов для идентификации источника прерываний. Однако ее существенным недостатком является большее время реакции на запросы - промежуток времени между моментами поступления запроса и началом его обслуживания.

Значительное уменьшение времени реакции системы достигается при аппаратной реализации учета приоритетов, сохранения содержимого регистров, перехода к нужной прерывающей программе и маскирования входов запросов на прерывание от отдельных УВВ.

Канал прямого доступа в память обычно используется для подключения к МП быстродействующих УВВ. Обмен данными через канал ПДП обеспечивает максимальную скорость ввода и вывода информации.

Работа канала ПДП основывается на непосредственной передаче данных между памятью и УВВ без участия МП. Такой обмен осуществляется при откладывании основной программы на время обращения УВВ к памяти. Поскольку память отключена от МП и подключена к УВВ только на время записи в ЗУ или чтения из ЗУ, можно говорить, что обмен происходит в режиме захвата цикла памяти. Обмен информацией по каналу ПДП может происходить, если устройство подключено к линии запроса шин. При таком способе периферийное устройство выставляет периодический сигнал - ЗАПРОС МАГИСТРАЛИ. После этого процессор приостанавливает выполнение программы, переходит в состояние «захват» и подаёт сигнал ОСВОБОЖДЕНИЕ МАГИСТРАЛИ. Дальнейший обмен происходит под управлением периферийного устройства или второго модуля процессора, подключенного к магистрали; при этом магистраль может быть общей для нескольких процессоров . Для синхронизации процесса передачи по магистрали от одного модуля к другому предусмотрено приоритетное синхронизирующее устройство. Все ведущие модули или внешние устройства, подключенные через канал прямого доступа, распределены по уровням модульного приоритета через зону нестандартных соединений унифицированной магистрали.

В целях минимизации внешних соединений внешние устройства, ведущие обмен информацией с процессором или памятью, подключаются к модулю отдельными разъемами. Такое подключение позволяет, кроме этого, значительно увеличить количество цепей внешних соединений, поскольку возможности коммутации со стороны унифицированных магистралей ограничены.

Передача данных с помощью канала ПДП по сравнению с использованием системы прерываний не дает потерь времени на вход в прерывающую программу и выход из нее, на сохранение, а затем и восстановление состояния регистров МП, что достигается за счет существенного усложнения интерфейса канала ПДП.

2.8. Архитектура и функционирование микропроцессора

Рассмотрим архитектуру и функционирование микропроцессора на примере МП комплекта серии К580 как имеющего наиболее простую и наглядную для изучения структуру.

В МПК серии К580 процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированные разрядность и систему команд, «зашитую» в БИС ПЗУ. МикроЭВМ, построенная на МПК с фиксированной разрядностью и ограниченным количеством магистралей, имеет типичную для данного типа МПК структуру. Изучение особенностей построения микроЭВМ на МПК серии К580 позволит освоиться с работой и других подобных МПК.

МПК серии К580 включает в себя микросхемы: 1.Микропроцессорная БИС КР580ИК80.

2. Программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации различного формата КР580ВВ55 - параллельный интерфейс.

3.Программируемый блок приоритетного прерывания КР580ВН59.

4.Программируемое устройство прямого доступа к памяти (ПДП КР580ВТ57 - контроллер.

5.интегральный таймер КР580ВИ53.

6.Универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемо-передатчик КР580ВВ51 - последовательный интерфейс.

7.Программируемый контроллер электронно-лучевой трубки КР580ВГ75.

8.Программируемый контроллер клавиатуры

KP580BB79.

9. Системный контролер КР580ВН28.

Ограничения по числу магистралей в МПК такого типа, как следствие ограниченного числа выводов микросхем, приводят к необходимости организации последовательной обработки информации, что обусловливает относительно медленное выполнение команд. При тактовой частоте генератора ТТ 2 МГц время выполнения команд колеблется от 2 до 8 мкс.

Микропроцессорная БИС КР580ИК80 представляет собой однокристальный 8- разрядный МП с двумя внешними магистралями: однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью АМ, двунаправленной 8-разрядной магистралью данных МД и с шиной УУ, по которой передаются 12 сигналов управления - 5 входных и 6 выходных (рис. 2.9; 2.10). МП БИС рассчитана на выполнение логических и арифметических операций с 5-разрядными числами в двоичной и двоично-десятичной системах счисления, а также операций с двойной разрядностью, то есть с 16-разрядными числами.

Функциональное назначение внешних выводов и сигналов:

А0-А15 - адресная магистраль, выходы с 3-мя состояниями, обеспечивающая адресацию к любой из 216 8-разрядной ячейке памяти или внешнего устройства (ВУ);

Д0-Д7 - двунаправленная магистраль данных, используемая для обмена информации с памятью или ВУ;

СИНХР (С, синхронизация) - на этом выходе МП БИС формируется сигнал СИНХР в начале каждого машинного цикла ТЦ;

П (прием) - сигнал на этом выходе указывает на готовность МП БИС к приему данных; ОЖД (ожидание) - сигнал ОЖД на этом выходе указывает, что МП находится в

состоянии ожидания;

ЗП - на этом выходе МП БИС сигнал ЗП указывает, что данные выданы МП БИС и установлены на МД и могут быть записаны в ВУ;

П.ЗХ (подтверждение захвата) - на этом выходе МП БИС сигнал П.ЗХ появляется в ответ на сигнал З.ЗХ (запрос захвата) и указывает, что МД и МА находятся в состоянии высокого сопротивления;

P.Пp (разрешение прерывания) - на этом выходе сигнал Р.Пр указывает на состояние внутреннего триггера разрешения прерывания МП БИС. Состояние триггера может быть установлено программно с помощью команд EI, DI. При уровне «0» на выходе Р.Пр прием запросов прерывания МП БИС невозможен;

Г (ГОТОВ) - сигнал ГОТОВ на этом входе информирует МП о готовности ВУ к обмену информацией с МП БИС. При уровне «0» МП БИС будет находиться в состоянии ОЖИДАНИЕ;

З.ЗХ (запрос захвата) - вход, используемый для подачи сигнала З.ЗХ на переход МП БИС в состояние ЗАХВАТ, в котором МА и МД переходят в третье состояние (высокое сопротивление ). Обычно состояние используется для организации обмена информацией по каналу ПДП;

З.Пр (запрос прерывания) - вход, используемый для подачи сигнала З.Пр. Сигнал поступает от внешнего устройства на прерывание выполнения основной программы и

Входы источников питания МП БИС: нулевой потенциал (земля), +5В, -5В, +12В. Условное обозначение схемы МП БИС КР580ИК80 приведено на рис. 2.10.

Структура МП КР580ИК80 приведена на рис. 2.9. МП БИС состоит из следующих функциональных блоков:

1. Регистров и логических цепей их выбора.

2.Арифметико-логического блока.

3.Регистра команд и устройства управления УУ.

4.Буферов МД - БФД и МА - БФА.

Секция регистров включает в себя шесть 16-разрядных регистров: W, Z, В, С, D, Е, Н, L; PC - программный счетчик от англ. program counter; SP - указатель стека. Стек - специально организованная область памяти - ОЗУ, используемая в микроЭВМ для временного сохранения данных или адресов. Число, записанное в стек последним, извлекается из него первым. Шесть 8-разрядных регистров общего назначения (РОН) составлены в пары регистров: В, С; D, Е; H,L. Они могут быть использованы в программах как отдельные 8-разрядные регистры, а также как три 16-разрядных регистра - В; D; Н.

Программный счетчик PC содержит текущий адрес памяти, к которому обращается программа. Содержание PC автоматически изменяется в течение каждого цикла команды. Указатель стека SP содержит адрес памяти, начиная с которого ee можно применять для хранения и восстановления содержания программно-доступных регистров МП БИС.

Буферные регистры W, Z не являются программно-доступными регистрами и используются для выполнения команд внутри МП БИС.

Арифметическо-логический блок (AДБ) выполняет арифметические и логические операции под воздействием устройства управления МП. Он включает в себя 8-разрядное АЛУ, схему десятичной коррекции ДК, построенную на базе ПЗУ, 5-разрядный регистр признаков - флагов АЛУ, регистр-аккумулятор А, буфер аккумулятора БФА и буферный регистр БФРг. АЛБ позволяет осуществить операции сложения, вычитания, а также операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и сдвиг. При проведении операций одно число всегда берется из буфера аккумулятора, а другое - из БФРг. По результату выполнения арифметико-логических операций АЛБ устанавливает в регистре признаков пять разрядов:

1. Признак переноса С (от carry) устанавливается в «1», если при выполнении команд появляется единица переноса из старшего разряда.

2.Дополнительный признак переноса АС (от auxiliary carry) устанавливается в единицу, если при выполнении команд возникает единица переноса из третьего разряда числа. Состояние разряда может быть проанализировано лишь командой десятичной коррекции числа.

3.Признак знака S - sign - в машинном слове можно представить числом от -128 до + 127. В этом случае седьмой (старший) разряд числа - его знак. «1» в седьмом разряде при такой записи будет указывать на отрицательное число, а «0' - на положительное.

4.В разряд нулевого признака Z - zero - записывается «1», если при выполнении команда результат равен нулю.

5.В разряд признака четности Р - parity - записывается «1',’ если при выполнении команды количество единиц в разрядах результата будет четным.

Регистр команд РгК и дешифратор команды ДШК используются в МП для получения

идешифрации кода команды. При извлечении команды первый байт, содержащий ее код,

помещается в РгК и поступает на ДШК. ДШК совместно с УУ и тактовыми сигналами Ф1 и Ф2 формирует управляющие сигналы для всех внутренних блоков МП, а также его выходные сигналы управления и сигналы состояния.

При использовании МП необходимо представлять динамику его работы, т.е. на каких магистралях, в зависимости от каких управляющих сигналов и когда МП БИС будет выдавать

ту или иную информацию. Это в дальнейшем поможет понимать работу схем, позволяющих согласовывать её с различными периферийными устройствами микроЭВМ.

Время выполнения команды -это время получения, декодирования и собственно выполнения команды. В зависимости от вида команды это время может состоять из 1-5 машинных циклов (рис. 2.1, а). Для МП БИС КР580ИК80 существует 10 различных типов машинных циклов (рис. 2.5):

1. Извлечение кода команды из ПЗУ.

2.Чтение данных из ОЗУ памяти.

3.Запись данных в ОЗУ памяти.

4.Извлечение (чтение) из стека.

5.Запись данных в стек.

6.Ввод данных (чтение) из внешнего устройства УВВ.

7.Запись данных во внешнее устройство.

8.Цикл обслуживания (разрешение) прерывания.

9.Останов.

10. Обслуживание прерывания при работе МП БИС в режиме останова.

Первым машинным циклом при выполнении любой команды всегда является цикл извлечения кода команды. На первом такте каждого машинного цикла МП указывает тип выполняемого цикла с помощью 8- разрядного слова состояния, выдаваемого на МД.

Отдельные разряды слова состояния задействуются в микроЭВМ для формирования магистрали управления. Слово состояния выдается на МД лишь на интервале синхросигналов

С- такты ТТ1 и ТТ2, а используются на протяжении всего машинного цикла, поэтому необходимо записать его в специальный регистр слова состояния РгСС. На рис. 2.11 приведена схема записи слова состояния. Запись осуществляется с использованием сигнала

Ссинхросигнала Ф1. Сигнал С появляется в начале каждого цикла и занимает промежуток времени между положительными фронтами синхросигнала Ф2 на тактах ТТ1 и ТТ2. Таким образом, запись слова состояния осуществляется сигналом Ф1 на такте ТТ2. После осуществления записи слова состояния в РгСС производится выдача данных на МД через двунаправленный шинный формирователь ДШФ. На рис. 2.11 приведена реализация схемы записи слова состояния с помощью многорежимного буферного регистра К589ИР12.

Рассмотрим временные диаграммы работы МПС при различных машинных циклах. Извлечение кода команды, данных из памяти или внешнего устройства. Схема чтения кода команды или данных из памяти приведена на рис. 2.12. Этот цикл является основным циклом, с которого начинается выполнение любой команды, поэтому временные процессы для него рассмотрим более подробно. Анализ процессов будем проводить по каждому машинному такту (рис. 2.13). На первом такте программный счетчик МП выдает на МА адрес ячейки памяти, из которой будет считываться код команды. При этом схема приращения адреса МП БИС автоматически увеличивает на 1 значение числа, записанного в программном

счетчике. Положительным фронтом сигнала Ф2 формируется сигнал СИНХР и выдается слово состояния на МД. Сигнал ПРИЕМ, управляющий двунаправленным шинным формирователем ДШФ, на этом такте равен нулю, что позволяет слову состояния поступить на МД.

На такте ТТ2 слово состояния записывается в регистре. Положительным фронтом Ф2 заканчивается сигнал СИНХР и формируется единичный сигнал ПРИЕМ, позволяющий

данным поступить на вход МП БИС через ДШФ. На такте ТТ2 из сигнала ПРИЕМ и седьмого разряда слова состояния Д7 формируется сигнал на чтение данных из памяти Чт.ПАМЯТЬ, позволяющий данным поступать из памяти на МД - рис. 2.12. При нулевом сигнале на входе

ГОТОВ МП БИС переходит к выполнению такта ТТ3.

Если к моменту появления отрицательного фронта Ф2 на такте ТТ2 сигнал на входе ГОТОВ будет иметь нулевой потенциал, то МП БИС на такте ТТ3 переходит в режим

ожидания. В этом режиме приостанавливается процесс обработки данных и формируется сигнал «1» на выходе ОЖИДАНИЕ, подтверждающий это состояние. Время ожидания выражается целым числом тактов и может длиться как угодно долго, на каждом такте в этом режиме при отрицательном фронте Ф2 будет проверяться состояние на входе ГОТОВ. В режимах ЗАХВАТ, ОСТАНОВ, ПРЕРЫВАНИЕ, начиная с ТТ3 диаграммы работы МП БИС будут изменяться. Эти режимы рассмотрим позже.

На такте ТТ3 в момент отрицательного фронта сигнала Ф1 производится запись данных во внутренний регистр кода команды. Положительным фронтом Ф2 оканчивается сигнал ПРИЕМ на выходе МП БИС и, следовательно, сигналы Чт.ПАМЯТЬ. Отметим, что импульс на выходе ПРИЕМ будет формироваться микропроцессором на машинных циклах: извлечения кода команды ТЦ1, чтения данных из памяти, прерывания, чтения из стека или внешнего устройства.

На последующих тактах ТТ4 и ТТ5 дешифратор кода команды МП расшифровывает код команды, определяет количество байтов в команде, формирует команды на внутренние пересылки данных и подготавливает МП БИС к выполнению следующих машинных циклов.

КР580ИК80

Д0 Д0

МД

Рис. 2.11. Схема записи слова состояния в регистр СС

Выход РгСС

Прием

Чт.Память

Готов

А0 - А15

Захват, Об.ост.

Рис. 2.13. Временные диаграммы процесса получения МП БИС кода команды

Рис. 2.14. Схема записи данных в память

Отличие машинных циклов чтения данных из памяти, стека или ВУ по сравнению с первым циклом будет заключаться в том, что МП будет воспринимать числа, полученные на такте ТТ3 по МД не как код команды, а как данные. При записи с ВУ на МУ формируется сигнал чтения устройств ввода-вывода Чт. ВВ из сигнала ПРИЕМ и разряда Д6 слова состояния. Этот сигнал позволяет ВУ выдать информацию на МД микроЭВМ.

Запись данных в память или внешнее устройство. Процесс записи данных в память иллюстрируется на схеме, показанной на рис. 2.14. На такте ТТ1 содержание регистра адреса

МП БИС выдается на МА, а на МД выдается слово состояния. На такте ТТ2 на МД выдаются данные для записи в память.

На такте ТТ3 формируется сигнал, по которому будет проходить запись данных в память или ВУ.

На протяжении всего машинного цикла записи данных в память сигнал ПРИЕМ находится на нулевом уровне, что позволяет двунаправленному шинному формирователю работать в режиме выдачи данных на МД.

Процесс записи данных во внешнее устройство аналогичен записи данных в память. Единственное отличие этого процесса заключается в формировании сигнала записи ЗпВВ .

Для этого используется сигнал с выхода Зп и разряд Д4 слова состояния.

Работа в режиме ЗАХВАТ. Режим ЗАХВАТ используется для останова управления МП БИС работой микроЭВМ. При работе в этом режиме выходные магистрали МП БИС переводятся в третье состояние, когда сопротивление линий связи равно бесконечности, и отключаются от магистралей микроЭВМ, обеспечивая тем самым возможность обмена информацией с микроЭВМ по каналу доступа к памяти.

Режим ЗАХВАТ инициируется подачей сигнала «1» на вход управления З.ЗХ (рис. 2.9) МП БИС подтверждает переход в режим ЗАХВАТ путем выдачи сигнала «1» на выходе П.ЗХ.

Состояние ЗАХВАТ будет длиться целое число тактов. Установка низкого уровня потенциала на входе З.ЗХ проверяется на каждом сигнале Ф2 и при наличии на следующем импульсе режим «захват» будет прекращен и МП перейдет к выполнению очередного машинного цикла, начиная с такта TТl.

Работа в режиме ОСТАНОВ при выполнении команды HALT (разд. 3.2) в МПС устанавливается режим ОСТАНОВ. Находясь в этом режиме, магистрали МП БИС не отключаются от магистралей микроЭВМ, а процессор просто отмечает время, в течение которого он ничего не выполняет. Состояние микроЭВМ в этом режиме аналогично состоянию ОЖИДАНИЕ, за исключением того, что это состояние устанавливается программно.

Обычно режим ОСТАНОВ оканчивается тогда, когда ВУ выдают запрос на обслуживание. Один из методов формирования запроса на обслуживание - подача запроса прерывания на вход З.Пр МП БИС - уровень «1 на входе З.Пр. Если сигналы прерывания не воспринимаются МП БИС, например, после выволнения команды DI - «Запрет прерываний», то остается один выход из состояния OСTAНОB - подача сигнала начальной установки на вход R МП БИС.

Специфика режима ОСТАНОВ заключается в том, что в этом состоянии МП БИС может входить в режим ЗАХВАТ и выходить из него. В режиме ОСТАНОВ запрос на ЗАХВАТ не будет удовлетворяться, если запрос на прерывание был уже подан на вход З.Пр, но не было еще подтверждено его обслуживание - уровень «1» на выходе П.Пр не установлен. После подтверждения получения прерывания (уровень «0» на выходе П.Пр) микроЭВМ может войти в состояние ЗАХВАТ.

Обслуживание запросов на прерывание. Внешние устройства выдают сигнал запроса прерывания асинхронно по отношению к работе МП путем подачи уровня «1» на вход З.Пp. Запрос может быть удовлетворен только в том случае, если МП БИС находится в состоянии разрешения восприятия запросов прерывания. МП автоматически устанавливается в состояние запрета восприятия запросов прерывания после выполнения начальной установки, также после начала обслуживания запроса прерывания может осуществляться программно, с помощью команды ЕI, разрешение прерываний, а c помощью DI - запрет прерываний.

МП БИС указывает на возможность восприятия прерываний на выходе Р.Пр. Если на этом выходе присутствует уровень «1», то запросы прерывания могут быть восприняты, в противном случае (уровень «0» на выходе Р.Пр.) запросы прерывания восприниматься не будут.