Микропроцессорные комплекты и системы

Увеличение уровня интеграции ИС и улучшения их технико-экономических характеристик позволили использовать вычислительные устройства во многих областях: от устройств промышленного оборудования и контрольно-испытательной аппаратуры до ЭВМ. Процесс применения ИС для построения различной вычислительной техники значительно ускорился с применением микропроцессоров.

Название «микропроцессор» связано с исполнением процессора на одной или нескольких кристаллах полупроводниковой ИС. Микропроцессоры служат главными функциональными частями микро-ЭВМ, которые реализуются на БИС. Подготовительным этапом развития микропроцессоров стали микрокалькуляторы. Именно на них были отработаны технологические, схемо-технологические и архитектурные решения, которые широко использовались в дальнейшем при создании первых микропроцессоров.

Микропроцессор – самостоятельное или входящее в состав ЭВМ устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора входят, рисунок 8.4: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления УУ и регистровое запоминающее устройство РЗУ. Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи – шинами данных ШД, шинами адресов ША и шинами управления ШУ.

Рисунок 8.4 Структурная схема микропроцессора

Арифметически-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными, представленными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре – аккумуляторе А, а другой – в регистрах РЗУ (или памяти МП). Иногда АЛУ называют операционной частью МП.

Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров общего назначения (РОН), а также регистры специального назначения, в частности счетчик команд СК. Иногда РЗУ называют внутренней памятью МП.

Управляющее устройство предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков в МП. В состав УУ входит регистр команд РК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

Работа МП обеспечивается программой, записанной в его памяти.

Последовательность команд, обеспечивающих реализацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу. Важной особенностью работы МП является то, команды программы в нем выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведенную на рисунке 8.4, б. Первая часть ее содержит код операции КОП, т.е. информацию о характере операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды – адресная – содержит адреса расположения операндов, с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.

Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными многоразрядными числами, представляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения – высокого и низкого. Первые МП оперировали четырехразрядными числами, а в современных МП используются восьми- и шестнадцатиразрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить их быстродействие и точность работы.

Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый из них предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т.е. в виде так называемого машинного кода, понятного для данного МП. Такой способ составления программ в большинстве случаев оказывается малоудобным и требует больших затрат времени, особенно при создании больших программ.

Более удобным является использование языков программирование. Языки низкого уровня типа АССЕМБЛЕР, как средство общения с МП включают в себя несколько десятков типовых команд, представленных в условных мнемокодах. Например, язык этого типа для отечественного восьмиразрядного МП типа К580 включает в себя около 80 типовых команд – арифметических, логических, пересылки данных, передачи управления и ряд других. Отметим, что тот или иной язык используется только на этапе программирования, а оперирует МП при своей работе с двоичными числами.

Большие возможности и удобства пользователю микропроцессорными схемами управления представляют языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, ПЛ/М, БЕЙСИК, СИ, АДА и их разновидности (диалекты). Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ, получивших название кросс-программ, в систему машинных кодов, понятных для МП.

Представленный на рисунке 8.4, а МП не может быть непосредственно использован для управления объектом автоматизации. Для выполнения функций управления схема МП должна быть дополнена целым рядом блоков, к числу которых относятся устройства памяти, устройства согласования с другими блоками объекта управления, устройства ввода-вывода, генератор тактовых импульсов и ряд других.