- •Предисловие
- •Глава 1
- •1.1. Средства микропроцессорной вычислительной техники
- •1.2. Основные характеристики, место и классификация микроЭвм
- •1.3. Индустрия микропроцессорных средств вт
- •Глава 2 элементная база микроэвм. Микропроцессоры
- •2.1. Микропроцессорные бис
- •2.2. Микропроцессор 8086
- •2.3. Развитие семейства мп 8086
- •Глава 3 элементная база микроэвм. Микропроцессорные семейства бис
- •3.1. Сопроцессоры
- •3.2 Интегральные микросхемы памяти
- •3.3. Интерфейсные схемы, контроллеры
- •3.4. Схемы обрамления
- •Глава 4 магистрально-модульная организация микроэвм
- •4.1. Интерфейсы и магистрали микроЭвм
- •4.2. Магистрали типа Multibus
- •4.3. Интерфейсы периферийного оборудования
- •4.4. Конструктивные особенности микроЭвм
- •Глава 5 аппаратура микроэвм
- •5.1. Периферия микроЭвм
- •5.2. Аппаратура персональных микроЭвм
- •5.3. Модульные системы и одноплатные микроЭвм
- •Глава 6
- •6.1. Операционные системы
- •6.2. Средства автоматизации программирования
- •6.3. Пакеты прикладных программ
- •1. Монография я учебные издания
- •2. Периодические издания
- •3. Фирменные издания
- •Глава 1. Введение в микропроцессорную технику .............................. 5
- •Глава 2. Элементная база микроЭвм. Микропроцессоры ...................... 18
- •Глава 3. Элементная база микроЭвм. Микропроцессорные семейства бис ............................................................................................................................ 81
- •Глава 4. Магистрально-модульная организация микроЭвм ……………108
- •Глава 5. Аппаратура микроЭвм ............. ……………………………….148
- •Глава 6. Программное обеспечение микроЭвм ........................................187
2.1. Микропроцессорные бис
Микропроцессор. Это понятие объединяет большую группу ИС, реализующих функции обработки цифровой информации, управления процессом обработки и обмена с другими узлами. Все МП работают в соответствии с принципами программного управления, предложенными Дж. фон Нейманом в середине 40-х гг. Однако различные подходы к воплощению этих принципов в интегральных схемах, различные цели и задачи, на которые ориентированы разработки, способствовали появлению трех основных классов микропроцессорных ИС.
Однокристальные МП — микропроцессоры общего назначения (general purpose), выполненные в виде одной БИС или СБИС. В литературе под микропроцессором очень часто понимают именно однокристальные МП. Существенной особенностью однокристальных МП является невозможность аппаратного наращивания разрядности обрабатываемой информации простым увеличением количества используемы БИС.
С начала 80-х гг. в классе однокристальных приборов, кроме собственно микропроцессоров, появились микросхемы, получившие название микроконтроллер (microcontroller) и микрокомпьютер (microcomputer). Фактически это те же однокристальные микропроцессорные БИС, расширенные схемами постоянной (или полупостоянной) и оперативной памяти для хранения программ и обрабатываемых данных и схемами ввода-вывода информации. По сути эти БИС содержат все «электронные» схемы цифровой вычислительной машины. При этом и микроконтроллер, и микрокомпьютер предназначены для построения устройств управления различными процессами или объектами, микрокомпьютер отличается лишь большими возможностями по обработке данных. Чаще всего эти микросхемы обозначаются МК (µC) и называются «все в одном» (all in one).
Многокристальные МП — совокупность нескольких (2...5). БИС или СБИС, совместно реализующих функции процессора. Многокристальный МП обычно содержит БИС обрабатывающего устройства, БИС управления и интерфейсную БИС.
Секционные МП (bit-slice) — микросхемы, содержащие вертикальный битовый срез процессора, позволяющие путем несложных соединений однотипных ИС наращивать разрядность законченных устройств.
Две основные области, в которых МП БИС находят широкое применение — электронная обработка данных и управление [1.2]. Сфера обработки данных характеризуется большими объемами вычислений и, следовательно, требует более развитой системы команд, особенно групп арифметических операций и обработки символьной информации, и увеличенной разрядности представления информации.
Сфера управления, как правило, не требует многих вычислений, однако ей присущи большее разнообразие внешних устройств и необходимость работы в реальном времени, что должно поддерживаться развитыми системами ввода-вывода и прерывания. На начальном этапе производства средств МпВТ эти различия практически не учитывались. У основной части выпускаемых МП (4- и 8-разрядных) была упрощенная система команд, а фирмы не указывали их назначения, рекламируя как универсальные. В конце 70-х гг. установилась более четкая дифференциация: однокристальные МП (8- и 16-разрядные) с хорошей системой команд ориентированы на область обработки данных, а микроконтроллеры и микрокомпьютеры (4- и 8-разрядные) преимущественно предназначены для выполнения функций управления.
Возможности и особенности МП, конечно, не исчерпываются такими характеристиками, как технология изготовления, система команд, разрядность. Для полного описания микропроцессора используются три группы характеристик: алгоритмические, схемотехнические и эксплуатационные.
Алгоритмические характеристики (в литературе распространен также термин — архитектура) определяют возможности МП как устройства обработки данных. К ним относятся:
перечень программно доступных элементов памяти — количество внутренних регистров общего назначения (РОН); количество и назначение специальных регистров; количество адресуемых внешних элементов (байт, слов) памяти; количество адресуемых устройств (портов) ввода-вывода; для микроконтроллеров и микрокомпьютеров добавляется емкость внутренних ПЗУ и ОЗУ;
разрядность — количество разрядов двоичного кода, обрабатываемого арифметико-логическим устройством (АЛУ) МП (разрядность данных); количество двоичных разрядов, необходимое для кодирования программной информации (разрядность команд); количество разрядов кода, передаваемого по внешней шине данных (разрядность шины данных); количество двоичных разрядов, которые МП может выдать по адресной шине (разрядность адреса). В общем случае все разрядности могут быть различны. Например, МП может иметь 8-разрядную шину данных и 20-разрядную адресную шину, обрабатывать 16-разрядные коды, использовать переменную (1—3 байта) длину команд. Когда речь идет о разрядности МП в целом (например, 16-разрядный МП), то обычно подразумевают разрядность АЛУ — максимальную длину аппаратно обрабатываемого кода;
адресация — количество и виды доступа к внутренним и внешним элементам памяти и к внешним устройствам (портам) ввода-вывода;
система команд — количество типов выполняемых команд, список команд и способы их кодирования (форматы команд); способы кодирования обрабатываемой информации (форматы данных);
время выполнения команд — длительность выполнения команд каждого типа. Обычно в технической документации приводится количество тактов работы МП, необходимое для выполнения каждой команды. Зная период сигналов синхронизации, можно легко рассчитать время выполнения. В периодической литературе часто указывается время выполнения самой короткой и самой длинной команды при максимальной частоте синхронизации;
быстродействие — количество команд каждого типа, выполняемое в единицу времени, рассчитывается как величина, обратная времени выполнения. Иногда приводится среднее быстродействие или быстродействие при выполнении определенного тина команд (например, пересылки регистр — регистр, сложения);
система прерывания — количество внешних запросов на прерывания; количество внутренних источников прерывания; организация обслуживания запросов.
Схемотехнические характеристики описывают требования к электронному обрамлению МП. Микропроцессор автономно работать не может, он должен быть подключен к различным схемам (память, интерфейсные БИС и т. п.). Правильность включения МП определяют следующие схемотехнические характеристики;
внешние сигналы—перечень сигналов, которые необходимо подать в МП (входные) и которые генерируются МП (выходные); назначение сигналов и их функции; возможность третьего состояния;
система синхронизации — количество сигналов синхронизации;
частота сигналов синхронизации и допустимые пределы ее изменения (или то же для периода); количество тактов синхронизации, необходимое для доступа к памяти, для обращения к внешним устройствам;
характеристики питания — количество источников питания;
номинальные напряжения источников питания и допустимые пределы их изменения; потребляемые токи, суммарная потребляемая МП мощность;
статические параметры сигналов — уровни логических сигналов; входные и выходные допустимые токи; число нагрузок, которое можно одновременно подключить к выходу (нагрузочная способность); токи утечки для выходов в третьем состоянии;
динамические параметры сигналов — время переключения сигналов; время перехода сигналов из третьего состояния в состояния (9 или 1; время задержек сигналов относительно синхросигнала и/или относительно друг друга.
Эксплуатационные характеристики определяют условия правильного конструктивного оформления и эксплуатации МП. Приводятся следующие характеристики:
конструктивные особенности — тип и габаритные размеры корпуса, количество и расположение выводов, масса микросхемы. Кристаллы МП обычно упаковываются в пластмассовые или керамические корпуса типа DIP (dual in-line package) с двухрядным ^ расположением выводов (количество контактов до 40—48) или корпуса с расположением контактов с четырех сторон, рекомендованные JEDEC (Joint Electron Device Engineering Counsil), если количество выводов больше 60;
надежностные параметры — вероятность того, что МП проработает без отказа в течение заданного интервала времени t (вероятность безотказной работы Р (t)); вероятность отказа за единицу времени после данного момента при условии, что до этого момента отказ не произошел (интенсивность отказов К (t)); средняя продолжительность работы МП до отказа (наработка на отказ Тер). Для ИС справедлив экспоненциальный закон распределения отказов, при котором λ(t) = λ = const. а P(t) = ехp(-λ(t)). Интенсивность отказов 8-разрядных однокристальных МП оценивается в 2*107 ч-1 при температуре 25 °С [1.28], что дает вероятность отказа 0,002 за год работы;
параметры окружающей среды — допустимые пределы изменения температуры, при которой гарантируется нормальное функционирование МП (температурный диапазон); допустимый уровень электромагнитного и радиационного излучения. По температурному диапазону исполнения МП в США делятся на военные (-55 °С - +125 °С), индустриальные (—40 °С— +85 °С) и общего применения (0 °С— +70 °С).
Ограничиваясь приведенным списком технических характеристик МП, отметим также. Во-первых, все характеристики (особенно схемотехнические и эксплуатационные) тесно взаимосвязаны и определяются принятой технологией изготовления прибора. Во-вторых, никаких всемирных, региональных и государственных стандартов на список и порядок оценки технических характеристик МП нет, поэтому фирмы-изготовители по своему усмотрению составляют технические описания и, самое главное, могут не сообщать принятой методики оценки того или иного параметра. В-третьих, схемотехнические и эксплуатационные характеристики МП относятся не только к МП, но и ко всем остальным ИС, так как и они, конечно, должны правильно включаться в схему и правильно эксплуатироваться.
Необходимо также отметить, что нет никаких общепринятых систем условного обозначения типа микропроцессорных БИС. Каждый изготовитель пользуется собственной системой, а в некоторых случаях существует разнобой и в рамках отдельной фирмы. Более того, один и тот же микропроцессор может выпускаться разными фирмами (по лицензии, как второй поставщик и т. п.) и иметь разные обозначения. Так, фирма Intel обозначает свой 16-разрядный микропроцессор либо 8086, либо i8086, в последнее время — iAPX8610. Аналогичный микропроцессор выпускается фирмой NEC Microcomputer под названием µPD 8086.
Основные характеристики ряда распространенных однокристальных МП и МК приведены в табл. 2.3 и 2.4 соответственно [1.35, 2.6, 2.71. Дадим краткую характеристику усредненных изделий.
Типичный 8-разрядный микропроцессор. Выполнен по пМОП
технологии, имеет внешнюю 8-разрядную шину данных и 16-разрядную адресную шину, что обеспечивает доступ к 64 Кбайт памяти. Содержит около десятка регистров общего назначения. Система команд насчитывает до 100 различных типов. Основные группы команд: пересылки, арифметики с фиксированной запятой (сложение, вычитание, операции с десятичными числами), логики и сдвигов, передачи управления (длина команд 1—3 байта). Используется 5—6 способов адресации: непосредственная, прямая, косвенная, относительная, индексная, стековая. Частота синхронизирующего сигнала — порядка нескольких мегагерц, время выполнения самой короткой операции — менее микросекунды, время выполнения самой длинной операции — десятки микросекунд. Характеризуется одноуровневой системой прерывания и допускает организацию прямого доступа к памяти.
Типичный 16-разрядный микропроцессор. Изготавливается по пМОП технологии, имеет 16-разрядную шину данных и 20-, 24-разрядную адресную шину. Емкость адресуемой внешней памяти 16 Мбайт. Система команд расширена операциями умножения/ деления с фиксированной запятой над 8- и 16-разрядными числами, операциями со строками данных, защиты памяти. Увеличено количество способов адресации, введен режим виртуальной адресации.
Частота синхронизации и время выполнения команд аналогичны 8-разрядному МП. В следующем разделе подробно описан 16-разрядный МП типа 8086 фирмы Intel (США).
Таблица 2.3. Основные характеристики однокристальных микропроцессоров
Фирма |
Тип МП |
Технология |
Разрядность, бит |
Адресуемая память, байт |
Система команд |
Количество РОН |
Максимальная тактовая частота МГц |
Примечания |
|||||||||
дан- ных |
Ко-манд |
Типов команд |
Способов адресации |
||||||||||||||
8-разрядные микропроцессоры |
|||||||||||||||||
Intel
Motorola
Zilog MOS Technology |
8080А 8085
6800 6809 Z 80 650X |
nMOS nMOS
nMOS nMOS nMOS nMOS |
8 8
8 8 8 8 |
8-24 8-24
8 8 8-24 8 |
64К 64К
64К 64К 64К 64К |
78 80
89 100 150 56 |
5 5
6 13 |
8 8
0 0 14 0 |
2.6 5.5
2.0 2.0 4.0 4 |
Аналог К580ИК80 СССР) Улучшенная версия 8080, аналог К1812ВМ85 (СССР) --- --- Аналог И808 (ГДР)
|
|||||||
16-разрядные микропроцессоры |
|||||||||||||||||
Intel
Zilog National Semiconductor Motorola |
8086 8088 80186 80188 80286 Z 800 32008 32016 680X0 |
HMOS HMOS HMOS HMOS HMOS nMOS nMOS nMOS nMOS |
8, 16 8, 16 8, 16 8, 16 8, 16 8, 64 8, 32 16, 32 16, 32 |
8-48 8-48 8-48 8-48 8-48 16-48 8-24 8-24 16 |
1М 1М 1М 1М 16М 48М
16М |
97 97
110
56 |
11 11 11 11 11 11 9 9 14 |
8 8 8 8 8 17 8 8 17 |
8.0 9.0 8.0 8.0 10.0 10.0 10.0 10.0 12.5 |
Аналог К1810ВМ86 (СССР) --- --- --- --- --- --- --- Семейство МП: 68000, 68010, 68020 |
|||||||
32-разрядные микропроцессоры |
|||||||||||||||||
Intel Zilog National Semiconductor |
80386 Z80000 32032 68020 |
CHMOS nMOS nMOS CMOS |
8, 16,32 |
8-48 |
4 Г
4 Г |
|
11 9 9 18 |
8 16 8 16 |
16 25 10 24 |
--- --- --- --- |
Таблица 2.4. Основные характеристики однокристальных микрокомпьютеров/микроконтроллеров
Фирма |
Тип |
Технология |
ОЗУ в корпусе |
ПЗУ в корпусе |
Внешнеерасширение памяти |
Количество линий ввода-вывода |
Типов команд |
Максимальнаяїтактоваяжчастота, МГц |
Примечания |
4-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры |
|||||||||
National Semicon doctor
NEC Microcomputers
Panasonic
Texas Instruments |
COP410 COP420 COP440 µPD546 µPD651 µPD652 MN1400 MN1430 MN1450 TMS-1000 TMS-1000 |
nMOS nMOS nMOS pMOS CMOS CMOS nMOS pMOS CMOS pMOS CMOS |
32*4 64*4 128*4 96*4 64*4 32*4 64*4 64*4 64*4 64*4 64*4 |
512*8 1024*8 2048*8 200*8 1000*8 1000*8 1024*8 1024*8 1024*8 1024*8 1024*8 |
Да Да Да Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет |
16 20 32 35 35 21 30 30 30 23 23 |
40 49 49 80 58 58 75 75 75 43 43 |
0,25 0,25 1 0,44 0,44 0,44 0,3 0,2 0,5 0,4 1 |
Семейство МК 10 штук, выпускаются и по СMOS технологии Семейство МК 12 штук (µPD 551 включает АЦП) --- Семейство МК 16 штук --- --- Семейство МК 10 штук --- |
8-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры |
|||||||||
Intel
Zilog
Motorola
|
8022 8041/87211 8048/8748 8049 8051 Z8 Z8601 6801 6805 |
nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS |
64*8 64*8 64*8 128*8 128*8 144*8 128*8 128*8 64*8 |
2048*8 1024*8 1024*8 2048*8 4096*8 2048*8 2048*8 2048*8 1100*8 |
Нет Да Да Да Да Да Да Да Да |
27 18 27 27 32 32 32 20 20 |
70 90 96 96
47
61 61 |
3 6 6 11 12 8 8 3,58 3,58 |
Имеет 2 встроенных АЦП --- Аналог К1816ВЕ48 (СССР) Аналог К1816ВЕ49 (СССР) --- Выполняет 16-розрядные операции --- --- |
16-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры |
|||||||||
Intel
Texas Instruments |
8096
TMS 9940 |
nMOS |
232*8
128*8
|
8192*8
2048*8 |
Да
Нет |
40
16 |
70
68 |
12
5 |
Семейство МК 8 штук имеет 8-канальный 10-розрядный АЦП --- |
Аналоговый процессор |
|||||||||
Intel |
2920 |
nMOS |
40*25 |
192*24 |
Нет |
12 |
21 |
2,5 |
4-аналоговых входа и 8 аналоговых выходов. Аналог КМ1813ВЕ1 (СССР) |
Типичный 32-разрядный микропроцессор. Позволяет обрабатывать 8-, 16- и 32-разрядные числа с повышенной скоростью. Время выполнения команд снижено за счет увеличения частоты синхронизации до уровня 15—20 МГц и введения буферной памяти команд с предварительной выборкой последовательности команд из основной памяти и конвейерного способа их обработки (4—6 фаз). Среднее быстродействие — 2—3 млн. операций/с. Обмен информацией выполняется по шине данных с программно настраиваемой разрядностью (8, 16, 32). Шина адреса имеет 24-32 разряда, что обеспечивает доступ к памяти емкостью 16 Мбайт — 4 Гбайта. Введен режим страничной виртуальной памяти с внутренними двухуровневыми таблицами трансляции адресов. МП полностью программно совместим с 16-разрядным предшественником.
Типичный однокристальный 4-разрядный микрокомпьютер.
Имеет внутреннее оперативное ЗУ (ОЗУ, random access memory, RAM) емкостью 64 четырехразрядных кода, встроенное постоянное ЗУ (ПЗУ, read only memory, ROM) емкостью 1024—2048 байт для хранения программ и возможность адресации к внешним ОЗУ (ПЗУ). Шина данных заменена 20—30 линиями ввода-вывода, обеспечивающими подключение источников и приемников информации различной разрядности. МК имеет 1—2 линии последовательного ввода-вывода. Отдельные образцы включают встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для ввода непрерывных сигналов. МК выполняются по КМОП или пМОП технологии. В кристалле предусмотрен генератор синхросигналов частотой 0,5—1 МГц, время выполнения короткой команды 1—5 мкс, время выполнения самой длинной команды 20—30 мкс. Реализует 60—90 различных команд, допускает ограниченное количество вложенных обращений к подпрограммам (2—5), имеет одноуровневую систему прерывания. Восьмиразрядные МК обеспечивают обработку 8-разрядных кодов, обладают встроенным ОЗУ на 64—128 байт, остальные характеристики аналогичны.
Как правило, фирмы выпускают наборы (семейства) однотипных МК, отличающихся наличием ил отсутствием ОЗУ, емкостью встроенного ПЗУ или его типом (программируемое изготовителем, программируемое пользователем, со стиранием и многократным программированием), наличием или отсутствием АЦП, различным количеством линий ввода-вывода, технологией изготовления. Такое разнообразие МК призвано перекрыть все возможные области их применения.
Секционные (разрядно-модульные) МП БИС ориентированы на создание вычислительных устройств, организация которых учитывав специфику решаемых задач. Устройства, построенные на базе секционных МП, обладают высоким быстродействием, гибкостью и универсальностью, которые обеспечиваются микропрограммным
принципом управления и разрядно-модульной организацией. В состав таких серий обязательно входят две микросхемы: процессорная секция и устройство управления выборкой микрокоманд. Последняя БИС называется также секвенсором или блоком микропрограммного управления. Указанные микросхемы определяют основные алгоритмические возможности микропроцессора, они характеризуются разрядностью обрабатываемых кодов, количеством выполняемых микрокоманд и максимальной тактовой частотой. Следует подчеркнуть, что разрядность законченного процессора задается количеством параллельно включенных секций. Так, если использовать 4 четырехразрядных секции, то процессор сможет обрабатывать 16-разрядные коды, если включить 8 секций, то разрядность увеличится до 32. Аналогично можно наращивать разрядность устройства управления выборкой микрокоманд, расширяя тем самым доступную емкость памяти микрокодов.
Основные характеристики секционных МП БИС приведены в табл. 2.5 [12.6, 2.71]. Типичный секционный набор выпускается фирмой Advanced Micro Devices (семейство Am 2900). Схемы выполнены по ТТЛШ технологии. Секционный МП обрабатывает 4-разрядные коды, имеет 16 РОН и выполняет 16 типов микрокоманд. Время выполнения одной микрокоманды — не более 60 нс. Секвенсор 4-разрядный (или 12-разрядный), максимальное время формирования адреса 100 нс. Семейство включав более 50 БИС разных типов.
Многокристальные МП, занимающие промежуточное положение
между однокристальными и секционными, предназначены для построения высокоэффективных микропроцессорных систем обработки данных, приближающихся по своим характеристикам к мини и супермини-ЭВМ. Как правило, комплект БИС, из которых строится микропроцессор, имеет систему команд, повторяющую систему команд одной из популярных серий мини-ЭВМ. Например, фирма Data General Corp. выпускает набор micro EAGLE из пяти БИС, совместимый с супермини серии Eclipse той же фирмы. Набор включает микросхемы 32-разрядного центрального процессора, микросеквенсора, процессора арифметики с плавающей запятой, устройства системного ввода-вывода и блок-мультиплексного канала, которые позволяют построить законченный 32-разрядный процессор с производительностью, равной половине производительности супермини типа MV 8000 [2.8].
Оригинально выполнен многокристальный микропроцессор 1АРХ432 фирмы Intel. Он реализован на трех БИС: 43201—декодер команд и ПЗУ микрокодов, 43202 — исполнительный модуль, 43203 — интерфейсный модуль. Первые две БИС образуют 32-разрядный процессор обработки данных общего назначения, третья БИС обеспечивает обмен данными с внешними устройствами. Микропроцессор iAPX432 ориентирован на системы с большим объемом программирования на языках высокого уровня, а также на системы с параллельными процессами и надежной защитой от ошибок программирования [1.17].