Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС. Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры

Глава 5

Микропроцессорные БИС/СБИС и их применение в микропроцессорных системах 1

§ 5.1. Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС. Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры.. 1

§ 5.2. Управление памятью и внешними устройствами. Построение модуля памяти. 5

Модуль памяти. 7

§ 5.3. Микропроцессор серии 1821 (Intel 8085A) 9

Синхронизация и последовательность действий МП.. 14

§ 5.4. Схемы подключения памяти и внешних устройств к шинам микропроцессорной системы.. 25

Микропроцессорные БИС/СБИС и их применение в микропроцессорных системах

Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС. Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры

Микропроцессор — термин, по-видимому, самый модный в современной микроэлектронике и вычислительной технике. Необычайная популярность микропроцессоров объясняется тем, что их появление привело к внедрению вычислительной техники в самые разнообразные сферы жизни. Универ­сальность микропроцессоров ведет, к большой тиражности их производства и, следовательно, к снижению их стоимости, а это, в свою очередь, расши­ряет круг потребителей и способствует дальнейшему удешевлению микро­процессоров.

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс об­работки информации и управление им.

Решаемая задача определяется реализуемой МП программой, структура микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее универсальность.

Микропроцессоры появились, когда уровень интеграции ИС достиг значе­ний, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. МП — цен­тральный процессорный элемент микропроцессорной системы (микро­ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).

Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в со­ставе микроЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС (МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения воз­можностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.

В микропроцессорной системе (МПС) организуется процесс выполнения за­данной программы, и самые разные задачи решаются путем выполнения последовательности команд, свойственных данному МП (входящих в его систему команд). Вычислительные, контрольно-измерительные или управ­ляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, отно­сятся к числу МПС.

Практически всегда структура МПС является магистрально-модульной. В та­кой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени.

Термин " шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.

Типична трехшинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и СВ (Control Bus).

Рис. 5.1. Структура микропроцессорной системы

На рис. 5.1 показана структура микропроцессорной системы с МП, имею­щим мультиплексируемую шину адресов/данных (например, с МП К1821ВМ85А). Линии A_15-8 являются адресными, через них в систему пере­дается старший байт 16-разрядного адреса. В эту шину включен формирова­тель на постоянно открытом по входу разрешения EN буферном регистре ИР82, обеспечивающем работу шины на нагрузку, образуемую внешними цепями. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как прави­ло, не хватает. Линии AD_7-0 мультиплексируются. Вначале они передают младший байт адреса, признаком чего служит наличие сигнала ALE (Address Latch Enable), загружающего этот байт в регистр ИР82.

После загрузки регистра сигнал ALE снимается, и содержимое регистра ос­тается неизменным вплоть до новой загрузки в следующем цикле работы процессора. Так формируется 16-разрядная шина адреса, содержащая адрес A_15-0. Этот адрес используется блоками постоянной и оперативной памяти ROM и RAM. Адресация портов ввода и вывода данных требует восьмираз­рядного адреса, что соответствует возможности работы не более чем с 256 портами каждого из типов. Адрес портов можно снимать с любой половины адресной шины (во взятом для примера МП состояния обоих полушин ад­реса при адресации портов дублируются).

После передачи младшего байта адреса шина AD_7-0 отдается для передачи данных. Эти передачи двунаправлены, направление задается буфером дан­ных BD в зависимости от сигнала Т (Transit). При активном состоянии сиг­нала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассив­ном — в обратном направлении. К шине данных подключены информаци­онные выводы всех модулей МПС.

Выводы x₁ и x₂ служат для подключения кварцевого резонатора или иных контуров, задающих частоту тактовому генератору, расположенному в МП. Тактирование системы производится на частоте, равной половине частоты резонанса кварца или иного контура, поскольку генератор работает на триггер, с которого снимаются сигналы тактирования модулей МПС, а триггер делит частоту на 2. Вход является входом асинхронного сброса, приводящим МП в исходное состояния. Сигнал L-активный. Сброс может быть осуществлен замыканием ключа К и автоматически происходит при включении питания Ucc. В этом случае благодаря цепочке RC напряже­ние на входе нарастает постепенно, и в течение некоторого времени после включения питания остается низким (ниже порогового), что равно­ценно.подаче сигнала .

Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда за­дает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполне­ние, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.

По однонаправленной адресной шине МП посылает адреса, определяя объ­ект, с которым будет обмен, по шине данных (двунаправленной) обменивается данными с модулями (блоками) системы, по шине управления идет об­мен управляющей информацией.

ПЗУ (ROM) хранит фиксированные программы и данные, оно является энергонезависимым и при выключении питания информацию не теряет.

ОЗУ (RAM) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежу­точные, результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения-системы в работо­способное состояние после включения питания ОЗУ следует загрузить необ­ходимой информацией.

Устройства ввода-вывода (УВВ) или внешние устройства (ВУ) — техниче­ские средства для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, вос­принимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, на­зываемыми адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода). Напом­ним, что интерфейсом называют совокупность аппаратных и программных средств, унифицирующих процессы обмена между модулями системы.

На схеме (рис. 5.1) модули системы показаны укрупненно. Кроме обозначен­ных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами — контроллеры. К их числу отно­сятся, прежде всего, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Имеются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т. д.

Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.

Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются микро­процессором, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передачи данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.

В состав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирую­щие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.