Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ (стр. 1 из 4)
Тема курсового проекта «Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ» предложена цикловой комиссией специальности 2201 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» и утверждена директором Краснодарского колледжа электронного приборостроения.
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.
Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки "морального старения" изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).
Первое сообщение о создании микропроцессора появилось в 1972 г. Через 13 лет в 1985 г. во всем мире уже работали свыше 30 млн. ОЭВМ. Микропроцессоры и ОЭВМ – это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень широк. Главные достоинства микропроцессорной техники – это компактность, экономичность, универсальность невысокая стоимость, массовость применения. Благодаря своим свойствам микропроцессоры нашли применение как в системе управления космическими полетами, так и в детских игрушках; ОЭВМ используются для управления бытовыми приборами и роботами, станками с числовым программным управлением и т.п.
За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных ОЭВМ, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудования различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС ОЭВМ), что ОЭВМ, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.
Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широкомасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по существу представляющих собой особый класс вычислительной техники. К этому классу можно отнести: 4-битные ОЭВМ серий 1814, 1820, 1829 и 1013; 8-битные ОЭВМ серии 1816.
С развитием электроники сменилась элементная база ЭВМ – появились машины на транзисторах, а затем на микросхемах. Однако по традиции продолжали разрабатываться большие и мощные ЭВМ. И вот в середине 60-х годов появился новый класс вычислительных машин – однокристальные ЭВМ.
Разработчики ОЭВМ исходили из того, что не везде нужны все (максимальные) возможности больших ЭВМ, не всегда требуется большая точность вычислений, большие объемы памяти или длительное хранение промежуточных результатов. Зато для целого ряда применений, таких, как управление производственным оборудованием или научным экспериментом, необходимо вводить и выводить специальные сигналы, учитывать течение времени, реагировать на случайно происходящие события.
Вместе с этим, есть то минимальное ядро, без которого аппаратура еще не ЭВМ. Эти компоненты уже давно определились: арифметико-логическое устройство (АЛУ), процессор, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), устройства ввода/вывода.
Простейшая в серии 1816 ОЭВМ МК48, имеет на кристалле следующие аппаратурные средства: процессор разрядностью 1 байт; стираемое программируемое ПЗУ программ ёмкостью 1 Кбайт, ОЗУ данных ёмкостью 64 байта; программируемый 8-битный таймер/счетчик; программируемые схемы ввода/вывода; блок векторного прерывания от двух источников; генератор; систему синхронизации и управления.
Микроконтроллер МК48 конструктивно выполнен в корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы электрически совместимы с элементами ТТЛ, входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагрузкой.
 |
Структурная схема МК48 показана на рисунке 1. Основу структуры МК образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все устройства БИС: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления, память и порты ввода/вывода информации.
Значительно более сложная и развитая ОЭВМ, построенная на основе однокристального микропроцессора МК51, имеет в своем составе такие аппаратурные средства: процессор, в состав которого входят 1-байтное АЛУ и схемы аппаратурной реализации команд умножения и деления; стираемое ПЗУ программ ёмкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных ёмкостью 128 байт; два 16-битных таймера/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок9 двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор, схему синхронизации и управления.
Однокристальная ЭВМ выполнена на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выходов. Для работы ОЭВМ требуется один источник электропитания +5В. Четыре программируемых порта ввода-вывода взаимодействуют со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода.
Корпус ОЭВМ имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой.
Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что в случае необходимости функционально-логические возможности могут быть расширены. С использование внешних дополнительных БИС постоянной и оперативной памяти адресное пространство может быть значительно расширено, а путем подключения различных интерфейсных БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления может быть увеличено практически без ограничений.
ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электропитания напряжением +5В ± 10%, рассеивают мощность около 1,5 Вт и работают в диапазоне температур от 0 до 700С. по входам и выходам серии 1816 электрически совместимы с интегральными схемами ТТЛ.
ОЭВМ МК 48 может работать в диапазоне частот синхронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выполнения команды составляет 2,5 мкс. ОЭВМ МК 51 может работать в диапазоне частот от 1.2 до 12 МГц, при этом минимальный цикл выполнения команды равен 1 мкс, а быстродействие равно одному миллиону коротких операций в секунду.
Из такой краткой характеристики однокристальных ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значительными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютеризации (автоматизации на основе применения средств и методов обработки данных и цифрового управления) разнообразных объектов и процессов.
Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками: частота синхронизации, ёмкость резидентной памяти данных или программы.
ОЭВМ МК35 предназначена для выполнения следующих функций:
вычисление. адресов операндов и команд.
обмен информацией с другими устройствами; подключенными к системной магистрали;
обработка операндов;
обработка прерываний от клавиатуры и устройств пользователя, подключенных к разъему порта ввода-вывода.
Процессор является единственным активным устройством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной магистрали и обрабатывающим прерывания от пассивных устройств, которые могут посылать или принимать информацию только под управлением процессора.
МК 35 работает в БК с тактовой частотой 3 МГц и содержит следующие основные функциональные блоки :
16-разрядный операционный блок, служащий для формирования адресов команд и операндов, выполнения логических и арифметических операций, хранения операндов и результатов;
блок микропрограммного управления, вырабатывающий последовательность микрокоманд, соответствующую коду принятой машинной команды. Этот блок построен на базе программируемой логической матрицы (ПЛМ).содержащей 250 логических произведений;
блок прерываний, организующий приоритетную систему прерываний (прием и предварительная обработка внешних и внутренних запросов на прерывание);
интерфейсный блок, обеспечивающий обмен информацией между микропроцессором ром и прочими устройствами, подключенными к системной магистрали. Этот же, блок осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа к памяти, формирует
последовательность. управляющих сигналов: