Глава 6. Основы микропроцессорной техники

Когда программист воспринимает информацию о новом типе МП, он должен выяснить следующие вопросы: архитектура МП; система команд; простейшие системы, использующие данный МП; сигналы управления; назначение выводов.

Понятие архитектуры относится к организации регистров центрального устройства, числа бит шин адресов, данных и т. д.

Система команд — это список операций, которые МП может выполнить. Она включает в себя передачу данных, арифметические и логические операции, команды тестирования данных и ветвлений, операции ввода/вывода (ВВ). В то же время команды используют различные способы адресации.

Схема, представляющая простую информационную систему, показывает, как соединены различные устройства с МП. Простая система может содержать МП, генератор тактовых импульсов (ГТИ), ОЗУ, ПЗУ, порты ВВ, дешифратор адресов и источник питания. Иногда эти функции выполняются ИС или различными прочими составляющими; однако многие микропроцессорные устройства содержат большинство названных элементов.

Сигналы управления являются выходными и управляют другими ИС (ОЗУ, ПЗУ и портами ВВ). Некоторые сигналы могут управлять операциями чтения/записи в памяти или чтения/записи в устройствах ВВ (УВВ).

Наконец, изучение выводов каждой ИС обеспечивает дополнительную информацию о специальных входах и выходах МП. Среди прочих выводов мы найдем выводы питания, ГТИ, ввода-вывода последовательных данных, входов прерываний и управления шинами.

Архитектура простой микро-ЭВМ

На рис. 6.1 приведена архитектура простой микро-ЭВМ. Микропроцессор является центром всех операций. Ему необходимы питание и тактовые импульсы. Генератор тактовых импульсов может быть отдельным устройством или входить в состав кристалла МП. Типовой МП может содержать 16 адресных линий, которые составляют однонаправленную шину адресов, а также обычно восемь линий, которые составляют двунаправленную шину данных.

Архитектура, представленная на рис. 6.1, различает два типа полупроводниковой памяти, используемой системой. Постоянное запоминающее устройство ПЗУ представляет собой постоянную память, которая содержит программу-монитор системы. Оно содержит адресные входы, а также входы активизации только чтения и выбора кристалла, а также тристабильные. выходы, подсоединяемые на шины.

Очевидно, ПЗУ имеет также подсоединение питания, которое на схемах обычно не показывается. Архитектура на рис. 6.1 содержит ОЗУ, т.е. устройство временного размещения данных. В него входят адресные входы, а также входы выбора кристалла и активизации чтения/записи. Это ОЗУ имеет восемь выходов с тремя состояниями, подсоединенных к шине данных. Здесь показан также источник питания. Приведенная система микро-ЭВМ использует клавишное устройство ввода. На этой схеме показаны цепи питания, а также соответствующие линии данных, связанные со специальными ИС - интерфейсом ввода с клавиатуры.

Рис. 6.1. Архитектура микро-ЭВМ

В задачу интерфейса входит размещение данных и управление их вводом с клавиатуры. В нужный момент интерфейс клавиатуры прерывает МП по специальной линии прерывания. Сигнал прерывания заставляет МП: 1) закончить выполнение текущей команды; 2) поддерживать свою нормальную работоспособность; 3) перейти к выполнению специальной группы команд в своем мониторе, по которым ведется управление вводом данных, исходящих с клавишного устройства. Система интерфейса с клавиатурой снабжена адресными входами, линиями выбора кристалла и команд активизации устройства. Активизированное один раз устройство интерфейса с клавиатурой передает данные, поступающие с клавишного устройства на шину данных, микропроцессор их принимает. Если тристабильные выходы интерфейса не активизированы, они возвращаются в свое состояние высокого сопротивления.

Приведенная на рис. 6.1 микро-ЭВМ имеет в качестве выхода группу семисегментных индикаторов. Индикаторы запитаны от источника, показанного на схеме справа. Система или специальная ИС интерфейса вывода на индикаторы служит для размещения данных и управления состоянием индикаторов. При активизации этого интерфейса по адресной шине, линиям выбора кристалла и активизации он принимает данные, поступающие с шины данных, и размещает их, а также управляет индикатором, на котором размещенные данные высвечиваются.

Адресная линия содержит 65 536 различных сочетаний 0 и 1 (21в). Линии адресной шины могут быть подсоединены ко многим устройствам, таким, как ОЗУ, ПЗУ, другие интерфейсы. Для того чтобы активизировать (включить в работу) требуемое устройство, дешифратор адреса считывает данные с адресной шины. Комбинационной логикой дешифратора адреса активизируется линия выбора соответствующего кристалла, активизируя, таким образом, выбранное устройство. Заметим, что для упрощения схемы все 16 линий адресной шины не показываются.

Структура простейшей памяти

Запись в память или считывание из нее происходит при наличии доступа в память. Обычно память выполняется с последовательным или произвольным доступом. Последовательный доступ означает, что к требуемым данным нужно последовательно пройти через всю память, расположенную до размещения искомых данных.

В случае произвольного доступа данные могут быть записаны в любую ячейку памяти или считаны из нее за определенное фиксированное время, называемое временем доступа в память. Оперативные и постоянные запоминающие устройства микро-ЭВМ являются устройствами памяти с произвольным доступом, существенно более быстродействующими, чем устройства с последовательным доступом.

Изучаемый тип микро-ЭВМ обладает адресной шиной из 16 линий, которые могут обеспечить 65 536 (216) различных комбинаций 0 и 1. На рис. 6.2 приведено множество двоичных комбинаций. Обычно принято двоичный адрес представлять в шестнадцатеричной форме. Как видно из рис. 6.2, 0000 0000 0000 00002=0000Н (000016).

Рис. 6.2. Адресная система микро-ЭВМ

Напомним, что здесь Н указывает на то, что речь идет о шестнадцатеричной системе счисления (Н-код). Наиболее значимым адресом на рис. 6.2 будет 1111 1111 1111 11112 или FFFFH.

Адресная шина микропроцессора 16-разрядная, она может сформировать 65 536 (0000—FFFFH) индивидуальных адресов. В случае этой специальной микро-ЭВМ первые 256 (00—FFH) ячеек памяти являются содержимым ПЗУ с объемом памяти 256x8 бит (т. е. 256 слов по 8 бит). Если адресная шина формирует адрес 0000Н, ПЗУ передает программированную комбинацию из 0 и 1, содержащуюся в постоянной памяти (слово 1100 0011).

На рис. 6.3 приведены три варианта реализуемых устройств ИС полупроводникового ОЗУ. На рис. 6.3, а единая ИС организована в ОЗУ 256X8 бит, на рис.

Рис. 6.3. Три способа формирования памяти микро-ЭВМ:

а — на одном кристалле; 6—на двух кристаллах: в—на восьми кристаллах

6.3,6 две ИС составляют такую же зону размещения данных и, следовательно, два ОЗУ 256X4 бит позволяют составить слово из 8 бит. Наконец, восемь ОЗУ на рис. 6.3, в формируют также устройство размещения для записи-чтения данных 256X8 бит. Устройство, представленное на рис. 6.3, в, широко используется для составления обширной памяти. Обычно используют ИС ОЗУ 1024X1, 4096X1, 16384X1 бит. Используя способ, показанный на рис. 6.3, в, восемь ОЗУ 4096X1 бит будет достаточно для формирования оперативной памяти 4096X8 бит.

Отметим, что в этом типе конфигурации такие ОЗУ будут активизированы одной и той же линией выбора кристалла, исходящей из дешифратора адресов,

В системе микро-ЭВМ объем памяти (или память 4096X8 бит) составляет 4 Кбайт {4 К=4096ю байт памяти)¹.

Состав команд

Группа команд, которые может выполнять данный МП, называется его составом команд. Состав команд МП может содержать как малое число (восемь), так и большое число (200) основных команд. Составы команд не являются нормализованными. Это неудобство связано как с индивидуальным подходом к разработке, так и с различиями архитектуры и назначений МП.

Имеется много способов классификации команд одного состава. В этой главе согласно нормативам, предложенным научным обществом инженеров-электронщиков, мы изучим следующие команды: арифметические, логические, передачи данных, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм, прочие.

Элементарный МП будет представлен следующим составом арифметических команд: сложение, вычитание, инкрементирование, сравнение, отрицание.

Некоторые конкретные МП могут обладать другими арифметическими командами, такими, как сложение с переносом, вычитание с заемом, умножение и деление.

Элементарный МП наделяется следующими логическими командами: И, ИЛИ, ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, НЕ (отрицание), сдвиг вправо, сдвиг влево.

Некоторые МП, кроме того, наделены такими логическими командами, как арифметический сдвиг вправо, циклические сдвиги вправо и влево, циклические сдвиги вправо и влево с переносом и тестирование.

Наш же элементарный процессор всегда наделяется командами передачи данных: загрузки, размещения, перемещения, ввода, вывода.

Более сложный состав будет содержать команды обмена, сброса и инициализации. Что касается команд ветвления, они следующие: безусловный переход; переход, если нуль; переход, если не нуль; переход, если равенство; переход, если неравенство; переход, если положительно; переход, если отрицательно. Другие команды условных переходов, имеющиеся в некоторых микропроцессорах, могут зависеть от таких условий, как: больше или меньше, сдвиг или нет, переполнение или нет. Команды ветвления являются командами принятия решений.

Элементарный микропроцессор будет наделен командой вызова подпрограммы (обычно CALL—вызов), чтобы программа могла перейти к специальной группе команд, которые решают поставленную задачу. Все МП обладают командой безусловного вызова, а некоторые наделены командой условного вызова, например, CALL, если нуль; CALL, если не нуль; CALL, если положительно или не положительно, и т. д.

В конце выполнения подпрограммы МП должен иметь возможность возврата в точку отправления из начальной программы. Эта операция выполняется командой возврата. Эта команда обычно безусловна, но некоторые МП снабжены и условным возвратом.

Наконец, прочими командами элементарного МП будут: нет операции, поместить в стек, выйти из стека, ожидание, останов.

Возможны и другие команды: прерывания активизации или сброса, останова, десятичной коррекции.

Пользователи микропроцессорных систем встречаются с многочисленными способами выражения одних и тех же команд. Из этого множества приведем команду сложения двух чисел для микропроцессора Motorola 6800. Имя команды является активной формой глагола и называется операцией. В табл. 6.1 выполняемой операцией является сложение.

Таблица 6.1

Пользователи работают часто с сокращенными формами выражения операции, которые являются обычно мнемоническими. В табл. 6.1 мнемоникой сложения является ADD А (отметим, что мнемоники всегда записываются большими буквами). Регистр команд и схема декодирования понимают только язык нулей и единиц. Код операции (КОП) является шестнадцатеричным представлением 8-разрядного двоичного кода, который заставляет МП выполнить эту команду. В табл. 6.1 КОП для МП Motorola 6800 для ADD А будет 8ВН (1000 10112). В колонке символики в табл. 6.1 показывается, что содержимое памяти (М) складывается с содержимым аккумулятором (А) в МП, стрелка указывает, что результат помещается в аккумулятор А.

На рис. 6.4 приведен пример использования команды сложения ADD А.

Рис. 6.4. Блок-схема команды сложения

Содержимое (А) аккумулятора (0001 11102) складывается с содержимым (М) памяти (0000 11112), сумма (0010 11012) помещается в аккумулятор (справа). Заметим, что содержимое ячейки памяти не изменилось, тогда как содержимое аккумулятора стало другим.