книги / Технические средства автоматизации химических производств
..pdfГлава 4
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
4.1. Микропроцессорные системы
Большие интегральные схемы (БИС) широко применяют при постро ении микропроцессоров (МП) - программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации. Совокупность МП и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивно-технологи ческому исполнению и предназначенных для совместного примене ния, образует микропроцессорный комплект. На базе таких комплек тов конструируют разнообразные микропроцессорные системы (МП-сис- темы), предназначенные для сбора и переработки контрольной ин формации и нахождения командных (управляющих) сигналов [15]. К классу МП-систем относят микроЭВМ, состоящие из микропроцессора, запоминающих устройств на полупроводниковых элементах и уст ройств связи с периферийной аппаратурой. МП-системой является ин формационная или управляющая цифровая система, в состав которой входят микроЭВМ и устройство связи с объектом (УСО), выполняющие ограниченный набор программ, хранящихся в постоянном запоминаю щем устройстве (ПЗУ).
Структура МП-системы. Структура обобщенной МП-еистемы показа на на рис. 4.1. В нее входят типовые функциональные блоки (МП, ПЗУ, ОЗУ), а также периферийные устройства (ПУ и УСО). Все блоки и устройства связаны между собой набором внутрисистемных шин через узкоспециализированные устройства - контроллеры (К).
Контроллеры выполняют функции управления отдельными блоками МП-системы, передачи и хранения информации на выходе некоторых устройств, выбора нужной БИС памяти, усиления электрической мощности сигналов. Контроллер ввода - вывода (КВВ) служит для связи с разными типами периферийных устройств и содержит узлы, которые в соответствии с заданным алгоритмом выбирают для обмена информацией одно из ПУ либо преобразуют последовательный код с системных шин в параллельный, и наоборот. В простейшем случае КВВ представляет собой буферный регистр памяти, называемый портом. Для работы МП необходима схема синхронизации (СС), вырабатываю щая непрерывную последовательность тактирующих импульсов. К числу необязательных блоков МП-системы относят таймер (Т) для отсчетов интервалов времени и пульт (П), который можно подключать к системе только на время ее настройки для работы с конкретным ТОУ.
Внутрисистемная шина представляет собой набор линий связи для передачи информации одного характера. Поскольку по конкретной шине в любой момент времени передается информация только от одного типового функционального блока, увеличение числа шин повышает быстродействие МП-системы. В зависимости от направления
71
II III
(К С1
I2
Рис. 4.1. Структурная схема микропроцессорных устройств
потока информации по отношению к МП шины делят на однонаправ ленные (входные, выходные и смешанные) и двунаправленные. Наи более часто в МП-системах используют следующие два набора шин: 1) выходная шина адресов, смешанная шина управления и двунаправ ленная шина данных; 2 ) выходная шина адресов, смешанная шина управления, выходная шина данных, входная шина данных из памяти, входная шина данных из подсистемы ввода - вывода. Во втором наборе шин информация одновременно передается из всех трех основ ных функциональных блоков МП-системы, но при этом усложняется коммутация системы. Для упрощения коммутации используют объе диненные шины, например, шину адресов и данных, в которой адреса и данные передают в разные интервалы времени.
Числом разрядов шины адресов определяется число ячеек памяти, к которым осуществляется непосредственное обращение. Аналогичным образом разрядностью шины данных определяется диапазон обрабаты ваемых двоичны*, чисел. Целое число без знака может принимать значения от 0 до 2^ - 1 (где число N - число разрядов). Для восьми разрядной шины максимальное целое положительное обрабатываемое число равно 255. Если старший разряд шины отведен под бит знака и отрицательные числа представляются в дополнительном коде, то диапазон целых чисел находится между -128 и +127. Для расширения диапазона чисел некоторые МП имеют режимы двойной и тройной точности, при которой двоичное число передают по шине данных по частям за несколько приемов, что снижает быстоолействие МП-систе мы.
Существенное увеличение диапазона обрабатываемых чисел дости гается использованием подпрограмм обработки чисел с плавающей запятой. В этом случае числа представляют в виде мантиссы, занима-
72
Таблица 4.1. Виды конструктивного исполнения элементов МП-системы
КокструктивньН! |
|
Функциональный вид изделия |
|
■идизделия |
микроЭВМ |
блок |
секция |
< |
|||
БИС |
М икроконтроллер |
Микропроцессор |
Микропроцессорная |
Одна печатная плата |
1816 |
серии К580 |
секция серии К1804 |
МикроЭВМ |
Микропроцессор |
|
|
|
С5-21М |
на секциях серии |
|
|
М икроконтроллер |
К589 |
|
|
МС 2702 |
|
|
Блок с несколькими |
МикроЭВМ |
|
|
платами |
СМ 1800 |
|
|
ющей, например, два байта, и порядка, занимающего один байт. При использовании подпрограмм обработки чисел с плавающей запятой быстродействие МП-системы снижается на порядок.
Во многих МП-системах функциональные блоки объединены с соответствующими контроллерами в единые модули (микропроцес сорные, памяти, ввода - вывода). Каждый модуль выполняют в виде отдельной печатной платы с напаянными на нее корпусами интеграль ных схем. В этом случае МП-систему называют многоплатной. Если модули смонтированы на одной печатной плате, МП-систему называют одноплатной. В предельном случае все модули выполняют в одном корпусе БИС (соответствующую МП-систему называют однокристалльной). При уменьшении размеров МП-системы ее возможности, как правило, также сокращаются; например, в однокристалльных микроЭВМ объем памяти ОЗУ редко превышает 256 байт. Различные виды конструктивного исполнения МП-системы и ее элементов представле ны в табл. 4.1.
Основным функциональным блоком МП-системы является микро процессор. В общем случае МП содержит три основных функциональ ных узла: арифметико-логическое устройство (АЛУ), перестраиваемое на выполнение одной из нескольких десятков операций; сверхопера тивное запоминающее устройство (СОЗУ), регистры которого служат для кратковременного хранения текущей информации; устройство управления (УУ), организующее работу АЛУ, СОЗУ и всей МП-системы.
Все узлы МП находятся в одной БИС (однокристальный МП) или в нескольких (многокристальный МП). При использовании полевых транзисторов, позволяющих получить большую степень интеграции и малую потребляемую мощность, МП выполняют в виде одной БИС. Такие МП обладают сравнительно малым быстродействием. Схемы с использованием биполярных транзисторов дают более высокое быст родействие, но им присущи малая степень интеграции и большая потребляемая мощность. Поэтому МП размещают в нескольких БИС.
73
Таблица 4.2. Характеристики микропроцессорных комплектов
|
Разрядность*, |
Продолжи* |
Напряжение |
Технология |
Серия МП |
бит |
тельность |
питания, В |
изготовления |
|
|
цикла, мкс |
|
|
К536 |
Х8 |
10,0 |
27 |
р-МОП |
К580 |
8 |
2,0 |
12; 5 ; - 5 |
п-МОП |
К581 |
16 |
1,6 |
12; 5 ;- 1 2 |
л-МОП |
К582 |
х4 |
1,5 |
1,2 |
ИИЛ |
К583 |
х8 |
1,0 |
1,5 |
и и л |
К584 |
х4 |
2,0 |
1,2 |
ИИЛ |
К586 |
16 |
5,0 |
12; 5 |
л-МОП |
К587 |
х4 |
2,0 |
9 |
КМОП |
К588 |
х16 |
2,0 |
5 |
КМОП |
К589 |
х2 |
0,1 |
5 |
ТТЛШ |
КР1802 |
х8 |
0,15 |
5 |
ТТЛШ |
К1803 |
4 |
2,0 |
25 |
л-МОП |
КР1804 |
х4 |
0,15 |
5 |
ТТЛШ |
К1810 |
16 |
0,8 |
5 |
л-МОП |
К1816 |
8 |
2,5 |
5 |
л-МОП |
* Знак х указывает на возможность увеличения разрядности МПК путем совместной работы нескольких микропроцессорных секций.
При этом, разбивку схемы МП по БИС производят либо по функцио* нальным узлам, либо по секциям, производящим обработку слов малой разрядности, либо с одновременным использованием двух этих принципов.
Технология изготовления МП существенно влияет на их быстро действие и габариты. При использовании р*канальной МОП-технологии получают наиболее дешевые МП* обладающие малым быстродействи ем. Оно возрастает, если применять для изготовления МП л-канальную технологию. Более сложная технология комплементарных КМОП-стру- ктур обеспечивает высокую помехоустойчивость и малую потребля емую мощность. Технология схем ТТЛШ дает высокое быстродействие, но характеризуется малым уровнем интеграции. Технология схем с инжекционной логикой (ИЛ) практически сохраняет быстродействие ТТЛШ-схем и менее трудоемка [16].
Микропроцессорные комплекты (МПК) содержат от одной до двух десятков БИСи включают интерфейсные и интегральные схемы, исполь зуемые для построения контроллеров. В табл. 4.2 приведены некото рые основные характеристики наиболее распространенных серий МПК. Следует иметь в виду, что некоторые серии поставляют не в виде отдельных БИС, а как составные части готовых микроЭВМ. Например, серии К581, К586 и К587 используют в основном в микроЭВМ соответ ственно „Электроника-60”, „Электроника С5-21”, „Электроника НЦ”.
74
Возможность применения той или иной серии БИС для решения конкретной задачи оценивают путем сравнения следующих основных характеристик: технология изготовления (схемотехника) и быстродей ствие; число БИС в МП; число и разрядность шин; способ управления
МП; число и формат команд; виды адресации; число источников пита ния [17].
Быстродействие и другие характеристики однокристальных микро процессоров серий К580, К588, К1810 и микроЭВМ К1803, К1816, как правило, удовлетворительны для решения типовых задач управления технологическими процессами. Для построения систем управления с повышенным быстродействием используют секционированные МП серий К582, К583, К584, К587. Для наиболее быстродействующих систем управления применяют МП серии К589, КР1802, КР1804.
Микропроцессорный комплект серии К580 является наиболее функционально полным и используется в тех случаях, когда неболь шая разрядность и фиксированный список команд не являются огра ничивающими факторами. МП серии К588 применяют для построения систем с малой электрической мощностью и высокой помехозащищен ностью. Микропроцессоры серий К1810 и К580 имеют одинаковую архитектуру. Система команд МП серии К1810 несколько шире, чем команд МП серии К580 и дополнительно содержит команды умноже ния и деления чисел. Благодаря 20-разрядной шине адреса МПработает с памятью объемом до 1 Мбайт. Внутренний шестибайтный регистр команд позволяет организовать опережающую выборку команд и тем самым повысить быстродействие МП.
Для решения сравнительно несложных задач автоматизации целе сообразно использовать однокристальную микроЭВМ серии К1816. Эта микроЭВМ содержит перепрограммируемое ПЗУ емкостью 1кбайт, ОЗУ емкостью 64 байта и восьмиразрядный таймер. Возможна работа этой микроЭВМ с внешними ПЗУ емкостью до 3 кбайт и ОЗУ емкостью 256 байт. Для работы микроЭВМ необходимо подключение кварцевого резонатора на частоту от 1 до 6 мГц. Для передачи данных эта микроЭВМ имеет три восьмиразрядных двунаправленных порта ввода - вывода.
Однокристальная микроЭВМ К1803 содержит ОЗУ емкостью 256 бит с секциями 64x4, а также ПЗУ на 8192 бита. МикроЭВМ имеет 4-битный входной порт и 11 выходных регистров. Низкая стоимость и простота эксплуатации этой микроЭВМ делают ее перспективной для решения задач, не требующих высокого быстродействия.
Разрядность микропроцессоров определяет в значительной мере области их применения. Четырехразрядные микропроцессоры исполь зуют в качестве простейших программируемых контроллеров, встраи ваемых в схемы управления измерительных приборов; восьмиразряд ные - в системах управления технологическими процессами; шест надцатиразрядные - в аналого-цифровых преобразователях; 32-раз- рядные - в микроЭВМ широкого назначения.
На основе микропроцессорных комплектов серийно выпускают несколько типов простых микроЭВМ типа К1-10, К1-20, используемых
75
для логического управления ТОУ. Проектировать на основе микро процессорных комплектов нестандартные микроЭВМ целесообразно в том случае, если потребность в них составляет не менее нескольких сот штук.
Управление работой МП. При постороении МП используют два способа управления их работой: схемный и микропрограммный. В соответствии с этим устройство управления МП имеет различные конструктивные особенности.
Схемное управление, характерное для однокристальных МП, не допускает никаких изменений в системе команд. Возможность изме нить систему команд дают микропрограммные устройства управления, которые применяются в многокристальных МП.
Структура микропрограммного устройства управления, состоящего из четырех функциональных узлов (каждый из которых выполнен в виде отдельной интегральной схемы), показана на рис. 4.2. При двух уровневом управлении, когда команды прикладной программы написаны на языке высокого уровня и хранятся в ПЗУ МП-системы, устройство работает следующим образом.
Команда из ПЗУ поступает в формирователь адреса микрокоманды (ФАМК), который вырабатывает начальный адрес микропрограммы, записанный в запоминающем устройстве микрокоманд (ЗУМК). В соответствии с адресом из ячейки ЗУМК извлекается код микроко манды, часть которого подается на дешифратор (ДШ) и содержит информацию об управляющих сигналах для всех узлов МП. Вторая часть кода из ЗУМК содержит правила нахождения адреса следующей микрокоманды, а в случае необходимости и непосредственно сам адрес. Для организации условных переходов часть кода вводят на селектор условий (СУ), который из набора сигналов, характеризующих признаки полученных результатов, выбирает нужный сигнал. В зави симости от значения сигнала с селектора условий ФАМК увеличивает адрес на единицу или извлекает его из ЗУМК. Последняя микроко манда содержит бит, информирующий о выполнении микропрограммы и готовности ФАМК принять новую команду.
Для увеличения быстродействия МП-системы используют одно уровневое управление, при котором прикладная программа записыва ется не в ПЗУ, а сразу в ЗУМК. При этом на ФАМК подают только начальный адрес микропрограммы, и микрокоманды выполняются при подаче тактирующих импульсов на устройство управления.
Схема управляющего устройства с дешифратором, представленная на рис. 4.2, реализует вертикальный способ кодирования и позволяет использовать ЗУМК с минимальным количеством разрядов, но не дает возможности одновременно включать в работу несколько узлов МП. Аналогичная схема без дешифратора организует горизонтальное кодирование, при котором каждый разряд кода с ЗУМК связан с управляющим входом определенного узла МП. Горизонтальное коди рование требует ЗУМК большой разрядности, но преимущество его состоит в том, что можно организовать изменение состояний сразу
76
Рис. 4.2. Структура |
микропрограммного устрой |
Из ПЗУ |
||
ства управления |
|
|
|
|
нескольких узлов, |
что существенно |
|
||
повышает быстродействие МП-систе- |
|
|||
мы. При смешанном кодировании, объ |
|
|||
единяющем достоинства двух упомя |
|
|||
нутых способов, выходной код ЗУМК |
|
|||
разбивают на несколько полей, каж |
|
|||
дое из которых управляет отдельным |
|
|||
дешифратором. |
отметить, что |
ис |
|
|
Необходимо |
|
|||
пользование |
микропроцессоров |
с |
|
|
микропрограммным |
управлением |
|
||
требует повышенной квалификации |
|
разработчиков и приводит к увеличению трудоемкости подготовки программного обеспечения.
Режимы работы МП. В зависимости от способа обмена информацией с периферийными устройствами в МП-системах существует три режима работы: без прерывания программы, с прерыванием программы и с прямым доступом к памяти [18].
Режим работы МП-систем без прерывания программ характеризует ся тем, что обращение к периферийному устройству происходит в моменты времени, задаваемые программой.
В режиме работы МП без прерывания программы существует два способа обмена информацией: синхронный и асинхронный. При син хронном способе обмен информацией производят в темпе, зада ваемом микропроцессором, что предполагает использование перифе рийных устройств, обладающих не меньшим быстродействием, чем сам МП. При а с и н х р о н н о м способе МП проверяет готовность к обмену информацией периферийного устройства и, если оно не готово, то переходит в режим ожидания. Поскольку периферийные устройства часто имеют малое быстродействие, то режим без прерывания прог раммы может существенно снизить скорости вычислений по основной программе.
В режиме работы МП с прерыванием программы периферийное устройство в момент готовности к обмену информацией посылает в микропроцессор запрос о прерывании его работы по основной прог рамме. МП после получения запроса прерывает вычисления, заносит в стековую память все промежуточные данные, необходимые для продолжения работы по основной программе, и переходит к обслужи ванию периферийного устройства. Стековая память представляет собой совокупность ячеек ОЗУ, при обращении к которым нет необ ходимости в команде указывать адрес, так как при записи данные заносятся в очередную свободную ячейку.
Обслуживание периферийных устройств МП производит по прог рамме, которая обязательно предусматривает связь с этими устройст
7?
вами через регистры СОЗУ. Закончив обслуживание периферийного устройства, МП извлекает из стека промежуточные данные и продол жает прерванные вычисления.
Если от устройства необходимо передать большой массив информа ции в ОЗУ, то целесообразно использовать режим с прямым доступом к памяти. В этом режиме данные от устройства не проходят через МП, а поступают непосредственно в ОЗУ по внутрисистемным шинам МП-си- стемы.
На время этой передачи МП останавливает свою работу и отключа ется от внутрисистемных шин, но длительность остановки гораздо меньше, чем при передаче информации при его посредничестве. В режиме прямого доступа к памяти часть функций МП по считыванию и пересылке информации берет на себя контроллер. Отключение шин от МП и их использование для передачи информации между периферий ным устройством и ОЗУ называют захватом шин.
Рассмотренные последовательности действий в режимах с прерыва нием программы и прямого доступа к памяти относят к способам работы МП „без опроса”, который используют, когда есть всего одно периферийное устройство. Если в МП-системе есть несколько перифе рийных устройств, необходимы дополнительные действия для опреде ления запрашивающегося устройства. Эти действия реализуют двумя способами: прерыванием с опросом и прерыванием по вектору.
Прерывание с опросом выполняют с помощью программных или аппаратных средств. В любом случае путем последовательного опроса определяют запрашивающее устройство, после чего вступает в работу программа обслуживания, начальный адрес которой связан с числом опросов, проведенных для обнаружения устройства. При аппаратном способе последовательного опроса используют цепочечную схему включения периферийных устройств, при которой сигнал на разреше ние прерывателя от МП распространяется самими же устройствами до тех пор, пока этот сигнал не попадет в запрашивающее устройство. При использовании прерывания по вектору на разрешение прерывания от МП сразу же вызывает передачу от запрашивающего устройства на чального адреса (вектора) обслуживающей программы.
В том случае, если возможен одновременный запрос на прерывание сразу от нескольких периферийных устройств, необходимо организо вать приоритетное прерывание, при котором в первую очередь обслу живается более важное устройство. Приоритетное прерывание обеспе чивают путем программного или аппаратурного сравнения кодов всех запрашивающих обслуживание устройств. При цепочечной схеме включения более важное устройство устанавливают ближе к началу цепочки.
78
4.2. Однокристальные микропроцессорные БИС
Структура микропроцессора. В состав многих МП-систем входят однокристальные микропроцессоры серии К580. Структурная схема од ного такого микропроцессора К580ВМ8А изображена на рис. 4.3. МП содержит три основных функциональных блока: арифметико-логичес кое устройство (АЛУ), утройство управления и набор регистров. Кроме того, в состав МП входят схема инкрементатора-декрементатора(±1)и буферные каскады. МП имеет три шины: адресов, данных и управле ния. Каждая из шин содержит соответственно 16, 8 и 10 линий. Темп работы МП задают внешние сигналы и Т2, представляющие две последовательности несовпадающих во времени импульсов. Питание МП осуществляют от трех источников питания с напряжениями отно сительно общей точки схемы 5В; - 5 В; 12В. Буферные каскады могут отключать шину данных и адресов от микропроцессора в режиме прямого доступа к памяти.
Регистры МП обмениваются информацией по внутренней шине данных. Устройство управления имеет каналы связи со всеми осталь ными узлами МП. Схема ± 1 уменьшает или увеличивает содержимое регистров на единицу, например счетчика команд (программного счетчика) или указателя стека при последовательной выборке команд или данных из памяти. В программную модель МП входят только регистры А, Р9 УС, СК и регистры общего назначения (РОН) - В, С, Д Е, Ц I. Регистры А ,Р и общего назначения являются восьмиразрядны ми, а регистры СК и УС - шестнадцатиразрядными. Адреса восьмираз рядных регистров кодируют тремя битами, например регистру В соответствует двоичный адрес 0 0 0 .
Регистры общего назначения могут объединяться в пары ВС, ДЕ, НЬ, которые имеют двоичные адреса 0 0 , 0 1 , 10 соответственно, и хранят шестнадцатиразрядные операнды. В регистре А, называемом аккуму лятором, обязательно содержится один из операндов, поступающих на АЛУ. Результаты: вычислений также помещают в регистр А .
Регистр признаков Р состоит из отдельных триггеров (флажков). В одной части триггеров постоянно записаны 0 или 1, а другая часть устанавливается в единичное состояние только при определенных особенностях текущих результатов. По этим состояниям МП определя ет необходимость условных переходов в программе. Наиболее часто МП производит анализ следующих флажков: С - переноса, который устанавливается в „1” при наличии переноса из старшего бита резуль тата; 8. - знака, который имеет единичное состояние при отрицатель ном результате (состояние этого флажка совпадает со значением старшего бита аккумулятора); 2 - нуля (принимает единичное состоя ние при нулевом результате). Следует отметить, что флажки устанав ливаются в нужное состояние только в результате выполнения ариф метических и логических операций.
Счетчик команд хранит адрес ячейки запоминающего устройства, из которой должна быть извлечена очередная команда. Указатель стека хранит адрес стековой ячейки памяти, в которую введен последний
79
Шина |
|
Шина |
|
Шина |
данных |
|
л |
адресов |
|
11 _ |
|
л |
_ |
|
|
|
|||
буфер |
|
|
буфер |
|
данных |
|
|
адресов |
|
_____ |
|
|
||
Регистр |
Устройство |
|
|
|
команд |
управления |
|
|
|
-к |
|
Регист\ |
|
|
Л |
ЛР |
|
|
|
V |
признаковщ |
|
|
Регисто - шунилятор
ЙЛ У
Указатель стека (УС)
Счетчик команд (С К)
В |
С |
И |
Е |
Н |
1 |
Рис, 4.3. Структурная схема микропроцессора
код. Ввод новой информации в стековую память осуществляют в ячейку с адресом на единицу меньшим, чем содержимое указателя стека. Считывание кодов из стека производится из ячейки с адресом, находящимся в указателе стека.
Стек используют для организации работы по нескольким подпрог раммам (ПП), вложенным одна в другую. При обращении к первой ППв стек заносят содержимое счетчика команд, то есть адрес команды, которая должна выполняться по окончании подпрограмм. Если в первой ПП есть обращение ко второй, то в стек заносится адрес возвра та первой ПП, который определяет команду, выполняемую первой подпрограммой, после окончания второй. Таким образом, после завершения очередной вложенной одна в другую подпрограммы из стека в счетчик команд вводится адрес возврата предыдущей ПП, и микропроцессор начинает выполнять эту ПП.
При извлечении очередной команды из памяти содержимое счетчи ка команд через регистр адреса устанавливается на шине адресов. Из
80