Зарубежные ИМС широкого применения Чернышева (стр. 32 из 40)

Управляющий блок содержит дешифратор команд и таймерное устройство для расшифровки кода команды и выдачи соответствующих контрольных сигналов, необходимых для извлечения команды и данных. Управляющие устройства однокристальных микропроцессоров строятся на основе <жесткой> (схемной) логики, в частности на основе программируемых логических матриц (ПЛМ).

Управляющее устройство генерирует последовательности микрокоманд. В простейших моделях микропроцессоров функция вычисления следующего адреса команды в режиме автоадресации с приращением осуществляется АЛУ. В более сложных микропроцессорах предусмотрена специальная схема, которая выполняет увеличение (increment) или уменьшение (decrement) на определенное значение текущего адреса.

Рис. 3.1. Структурная схема микропроцессора 8080 фирмы Intel

Связь между всеми узлами и блоками микропроцессора осуществляется по многопроводным шинам (магистралям). По функциональному назначению различают шину данных, адресную шину и шину управления. Из-за ограниченного числа внешних выводов шина данных обычно работает в режиме временного мультиплексирования. При этом обмен данными между микропроцессором, внешней памятью или другими периферийными устройствами происходит последовательно во времени. Внутренняя шина данных соединяет между собой АЛУ, устройство управления, блок регистров общего назначения, регистр адреса. Большинство однокристальных микропроцессоров имеют 16-разрядную шину адреса, которая позволяет прямо адресовать внешнюю память емкостью 64 Кбайт. Некоторые типы современных производительных микропроцессоров (например МС 68000, Z8000, 8086) имеют 20-разрядную шину адреса, что позволяет прямо адресовать память емкостью до 1 Мбайт или еще большую при использовании непрямой адресации. Двунаправленная шина управления обычно с разрядностью от 6 до 10 служит для передачи управляющих сигналов, признаков состояния процессора и периферийных устройств. По ней передаются синхронизирующие сигналы для сопровождения информации при передачах ее в обоих направлениях по мультиплексируемой шине данных, сигналы, указывающие обращение к памяти (чтение или запись), сигналы о состоянии внешних устройств (готовность), сигналы запроса и разрешения прерывания от внешних устройств и микропроцессора.

Список команд однокристальных микропроцессоров- содержит более простые команды по сравнению с командами больших машин. Некоторые типы микропроцессоров имеют системы команд, аналогичные широко распространенным микро- и мини-ЭВМ, и поэтому программно совместимы с ними. Так, например, микропроцессор IM6100 фирмы Intersil использует систему команд мини-ЭВМ РДР-8 фирмы DEC, микропроцессоры mN601 фирмы Data General и 9440 фирмы Fairchild имеют систему команд мини-ЭВМ типа Nova, микропроцессоры TMS/SBP9900 фирмы Texas Instr. — мини- и микромашины серии 990.

Наиболее популярным и широко распространенным универсальным микропроцессором является 8-разрядный параллельный однокристальный микропроцессор типа 8080 фирмы Intel, серийно выпускаемый с 1974 г. Он содержит около 5000 МОП-транзисторов на кристалле размером 4,2X4,8 мм. Архитектура микропроцессора показана на рис. 3.1. Микропроцессор содержит следующие функциональные узлы: 8-разрядный арифметическо-логический блок (АЛУ), выполняющий операции сложения, ИЛИ, И, НЕ-ИЛИ, равнозначности, правого или левого сдвига, определения знака. К одному из входов схемы АЛУ всегда подключен регистр-аккумулятор, ко второму через регистр временного хранения может быть подключен любой из регистров блока РОН.

Аккумулятор используется в качестве источника одного из операндов и для фиксирования результата операции. Он представляет собой двухтактный регистр. Регистр временного хранения служит для упорядочения обмена в случае, когда какой-либо из регистров общего назначения используется в одной операции двояко: и в качестве регистра — источника операнда и в качестве регистра-результата. Регистры временного хранения имеются также в блоке

РОН. Они позволяют выполнять операции перераспределения данных между регистрами блока РОН, аккумулятором и внешней памятью.

В состав АЛУ входит комбинационная схема десятичного корректора, назначение которого состоит в том, чтобы под воздействием специальной команды представлять результат выполнения двоичной операции в виде, принятом в десятичной арифметике. Ариф-метическо-логическое устройство непосредственно связано с регистром признаков, в котором фиксируются результаты выполнения каждой операции: нулевой результат в аккумуляторе, перенос из старшего разряда, знак результата и др. Наличие в микропроцессоре регистра признаков упрощает осуществление программных переходов в зависимости от состояния триггеров признаков.

Микропроцессор 8080 имеет 16-разрядную однонаправленную ширину адреса, 8-разрядную двунаправленную информационную шину, 12-разрядную шину управления (шесть входных линий и шесть выходных). Наименования сигналов, которые могут присутствовать на шине управления, даются в английской аббревиатуре, эти сокращения используются в мнемокодах программ:

RESET — сброс. Входной сигнал, очищающий (сбрасывающий) счетчик команд и обеспечивающий выполнение программы, начиная с нулевой ячейки памяти;

Ф1Ф2 — входные синхроимпульсы;

SYNC — выходной сигнал, при появлении которого микропроцессор выдает на шину данных 8-разрядный код, характеризующий состояние микропроцессора;

READY — готовность. Входной сигнал, поступающий от внешних устройств и предупреждающий, что данные готовы для ввода в микропроцессор;

WAIT — выходной сигнал, подтверждающий готовность микропроцессора принять данные от внешних устройств, микропроцессор находится в режиме ожидания;

HOLD — захват шин. Входной сигнал от внешних устройств при прямом обращении к внешней памяти;

HOLD ACK — подтверждение захвата шин. Выходной сигнал, подтверждающий предоставление микропроцессором шин для прямого обмена с памятью и приостанавливающий дальнейшее действие микропроцессора;

INT — запрос прерывания. Входной сигнал от внешнего устройства на возможность прерывания работы микропроцессора и обслуживания данного внешнего устройства;

INTE — разрешение прерывания. Выходной сигнал, характеризующий факт перехода микропроцессора к выполнению программы обработки прерывания;

DBIN — прием на шину данных. Выходной сигнал, указывающий, что микропроцессор готов принять информацию на шину данных; ,4

WR — запись. Выходной сигнал, разрешающий запись данных в память или управление вводом-выводом.

Параметры однокристальных микропроцессоров приведены в табл. 3.13.

Структура однокристальных микропроцессоров ориентирована на применение их преимущественно в устройствах цифровой автоматики, в управляющих блоках периферийных устройств. Фиксированная и малая разрядность обрабатываемых слов, жесткая неперестраиваемая структура, фиксированный набор команд ограничивают возможность их использования для построения высокопроизводительных машин, систем обработки данных и специализированных контроллеров. Для указанных целей используются микропроцессорные секции с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением. Минимальный набор для построения микропроцессора состоит из трех схем: центрального процессорного элемента (собственно микропроцессорной секции), блока микропрограммного управления и постоянной памяти микропрограмм. В состав центрального процессорного элемента входят ариф-метическо-логическая секция, блок РОН, регистр-аккумулятор, регистр адреса и дешифратор микроопераций. Микропроцессорная секция представляет собой как бы усеченный вариант однокристального микропроцессора, рассмотренного выше. Устройство управления реализуется на двух отдельных БИС: постоянной памяти микропрограмм и блока микропрограммного управления. Такая модульная структура удобна для потребителя, так как позволяет записывать в ПЗУ микропрограммы, требуемые для выполнения специализированных команд, и получать микропроцессорную систему любой разрядности путем объединения нескольких микропроцессорных

секций, соединяя при этом цепи межразрядных переносов и объединяя их общей шиной микропрограммного управления.

Параметры микропроцессорных секций приведены в табл. 3.14.

Дальнейшим развитием микропроцессоров является разработка больших ИМС однокристальных микро-ЭВМ. Такие ИМС находят все большее применение в системах обработки данных и в системах управления. Дешевые 4-разрядные микро-ЭВМ (контроллеры) начинают широко использовать в бытовой технике: в устройствах для управления приготовлением пищи, для дозировки жидкостей, в стиральных машинах, в телевизорах для выборки телевизионных программ, автомобилях и т. п.