Введение. Самым часто встречающимся термином при изучении дисциплины будет слово микропроцессор

Самым часто встречающимся термином при изучении дисциплины будет слово микропроцессор. Оно состоит из двух частей: «микро» - малый, миниатюрный и «процессор», под которым подразумевается центральный процессор ЭВМ, - устройство программной обработки информации, представленной в цифровом виде. Микропроцессор представляет собой продукт развития современной микроэлектроники, когда все элементы внутренней структуры процессора размещены на одном кристалле СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). Микропроцессор является основным элементом микропроцессорной системы (МПС) – полноценного вычислительного устройства, включающего в себя память, устройства ввода-вывода данных, устройство управления и синхронизации, а также ряд дополнительных устройств, способствующих обмену данными.

Все возможное разнообразие микропроцессорных систем существующих в настоящее время, сводится к двум типам их реализации: модульные и однокристальные.

Модульная конструкция МПС предусматривает использование набора узкоспециализированных СБИС, размещенных на одной или нескольких печатных платах (модулях). Упрощенная структура подобного контроллера показана на рис 1.

Рис.1. Структурная схема модульной микропроцессорной системы

Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения (контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом с помощью системных магистралей – шин [1].

Микропроцессорная система имеет структуру обычной ЭВМ. Центральное место в структуре занимает СБИС ЦП, выполняющая функции центрального процессора, который осуществляет: арифметические и логические операции над данными; программное управление процессом обработки информации; взаимодействие СБИС, входящих в систему. Работа СБИС ЦП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, которая также выполняется в виде специализированной микросхемы – таймера. Тактовая частота работы таймера f_такт и соответственно быстродействие МП определяется внешним кварцевым резонатором ZQ. Для различных типов ЦП f_такт лежит в пределах

1 ¸ 200 мГц.

Для модульных МПС характерна передача информации между ЦП и модулями системы посредством общих шин (магистралей): шины адреса ША, двунаправленной шины данных ШД и шины управления ШУ. Поскольку все модули системы присоединены к шинам одноименными выводами параллельно, то в каждый момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями. Теоретически к шинам может быть присоединено любое количество дополнительных структурных элементов, что позволяет наращивать объем памяти и увеличивать возможности ввода-вывода. Подобная схема сопряжения модулей (интерфейса) требует для них общности:

- способов представления информации;

- алгоритмов управления обменом;

- форматов команд управления обменом и способа синхронизации.

В структурной схеме МПС можно выделить два вида сопряжения (интерфейса) модуле: интерфейс модулей памяти – постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и интерфейс внешних периферийных устройств. С помощью последнего датчики информации и исполнительные устройства присоединяются к МПС.

Основными модулями интерфейса ввода – вывода являются:

- ППА (программируемый периферийный адаптер), служащий для передачи цифровой информации в параллельном коде;

- ПСА (программируемый связной адаптер), служащий для передачи цифровой информации в последовательном коде;

- ПКП (программируемый контроллер прерываний), служащий для организации системы приоритетных прерываний.

Наличие программируемых адаптеров позволяет сделать систему ввода-вывода информации функционально разнообразной и гибкой. Структуру, подобную рассмотренной выше, имеют множество МПС, начиная от управляющих микроЭВМ (контроллеров) и кончая персональными ЭВМ. Пример конструкции одноплатной модульной микроЭВМ показан на рис.2. В своем составе она имеет 6 СБИС и 25 микросхем малой и средней степени интеграции.

 

Рис.2. Одноплатная модульная микро-ЭВМ

 

Первый микропроцессор был выпущен фирмой Intel в 1970 г., которая представляла собой интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле. Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило 46 инструкций.

1 апреля 1972 г. фирма Intel выпустила первый 8- разрядный МП i8008. Микросхема изготавливалась по р-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм и содержала 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора). В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ. Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возросла в 2,5 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

1 апреля 1974 г. фирма Intel выпустила 8-разрядный микропроцессор i8080. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 МГц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. Одновременно был выпущен комплект периферийных микропроцессорных СБИС. Такие возможности позволили создать на основе микропроцессора полноценную вычислительную систему – микро-ЭВМ.

Для МП на БИС или СБИС характерны:

- простота производства (по единой технологии);

- низкая стоимость (при массовом производстве);

- малые габариты;

- высокая надежность;

- малое потребление энергии.

Однокристальные МПС являются результатом дальнейшего развития микроэлектронной технологии, которая позволила разместить на одном кристалле СБИС все структурные элементы МПС (центральный процессор, память, подсистемы ввода-вывода, средства поддержки режима реального времени), показанные на рис.1. Подобные СБИС получили название однокристальные микроЭВМ или микроконтроллеры. С появлением однокристальных микроЭВМ произошел настоящий бум автоматизации в области управления. Именно это обстоятельство и определило используемый сегодня термин «микроконтроллер» (от англ. control – управление). Однокристальные микроЭВМ представляют отдельный класс микропроцессорных систем, ориентированных на применение в качестве встраиваемых в изделие недорогих управляющих МПС реального времени, рабочая программа которых расположена во внутреннем ПЗУ. Современные микроконтроллеры обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых раньше необходимы были более дорогие многокристальные МПС.

Периодом становления архитектуры 8-разрядных микроконтроллеров считают 1977-1979 гг., когда появились первые приборы этого класса: 8048 фирмы Intel, 3870 фирмы Mostek и 9940 фирмы Texas Instrument Inc и микроконтроллеры семейства HC05 фирмы Motorola. В течение четырех лет, начиная с 1976 г., фирмой Intel было разработано семейство однокристальных 8-разрядных микроконтроллеров MCS-48, получивших широкое распространение. В состав семейства вошли 12 микроконтроллеров с единой базовой архитектурой, но функционально различными возможностями, реализованными непосредственно на кристалле. В 1980 г. фирмой Intel было разработано новое семейство однокристальных 8-разрядных микроконтроллеров MCS-51, базовым представителем которого является прибор 8051. Новое семейство обеспечивает совместимость с архитектурой MCS-48, но обладает более обширным адресным пространством памяти программ и данных, усовершенствованными средствами ввода-вывода и поддержкой режима реального времени. Дальнейшее развитие получили система команд и способы доступа к отдельным элементам данных. В состав системы введены команды умножения и деления, реализован однобитовый (булев) процессор. В настоящее время семейство развивается и содержит более 50 микроконтроллеров с различными физическими возможностями.

Архитектура семейства MCS-51 была определена столь удачно, что она и в настоящее время является стандартом на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Ряд известных фирм производят микроконтроллеры, совместимые по архитектуре и системе команд с MCS-51. Процессорное ядро MCS-51 послужило основой для создания многочисленных специализированных микроконтроллеров, в том числе и предназначенных для управления бытовой радиоэлектронной аппаратурой (РЭА). Появление 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров, значительно превосходящих 8-разрядные по производительности, не вытеснило их. Более того, по количеству модификаций 8-разрядные микроконтроллеры значительно превосходят все остальные группы. Главная причина кроется в том, что основная область применения 8-разрядных микроконтроллеров – устройства интеллектуального управления промышленной автоматики и бытовой аппаратуры. Специфика алгоритмов управления этих устройств не требует выполнения расчетов высокой точности в жестких условиях реального времени. Основная часть операций управления состоит в преобразовании логической информации, и 8-разрядные микроконтроллеры с успехом реализуют эти задачи. Объединение в информационные сети простых устройств управления на микроконтроллерах (уличное освещение, кассовые аппараты, сигнализация и т. п.) приводит к существенному расширению области применения 8-разрядных микроконтроллеров. Кроме того, низкая цена 8-разрядных микроконтроллеров способствует их применению в цифровых устройствах вместо ИС средней интеграции, придавая им новые качества.

Современные микропроцессорные средства сравнительно дешевы, компактны, оснащены программным управлением и от­личаются высоким быстродействием. Сочетание указан­ных свойств позволяет получить специализированные вычислительные устройства, пригодные для использова­ния в научных исследованиях, на производстве, транс­порте, в медицине, быту и т.д. Применение микропро­цессорных средств в различных системах, требующих сбора, передачи, обработки и отображения информации, позволяет поднять уровень таких показателей, как на­дежность и простота обслуживания системы, полнота и сложность выполняемых ими функций.

Множество областей применения МП и микроЭВМ позволяет классифицировать МПС на системном уровне следующим образом:

- встроенные системы контроля и управления;

- локальные системы накопления и обработки информации;

- распределенные системы управления сложными объектами;

- распределенные высокопроизводительные системы парал-

лельных вычислений.

Исходя из этого, в настоящее время определились следующие приоритетные области применения МПС:

- системы управления;

- контрольно-измерительная аппаратура;

- техника связи;

- бытовая и торговая аппаратура;

- медицинская аппаратура;

- транспорт;

- военная техника;

- вычислительные машины, системы, комплексы и сети.

Перспективность применения МПС в различных системах управления обусловлена, в первую очередь, такими достоинствами МП, как малые габариты, низкая потребляемая мощность, возможность подключения большого количества процессоров, модулей памяти и интерфейсных устройств к каналам управления, простота программной настройки и перестройки.

Все шире используются МПС в таких устройствах, как контрольно - расчетные терминалы торговых центров, автоматизированные электронные весы, терминалы и кассовые аппараты для банков и т.п. Применение МП и МПС в бытовой технике открывает также широкие возможности последней с точки зрения повышения надежности, эффективности и разнообразия применений.

Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с каждым годом - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Развитие микропроцессорных средств влияет на достижения в области теории проектирования вычислительной техники: появляются все более перспективные архитектуры МПС и их компонентов (RISK – процессоры, транспьютеры, сигнальные процессоры и т.п.).

Выбор в качестве объекта изучения микропроцессорных устройств микроЭВМ семейства Intel MCS-51 обусловлен их широким распространением и применением, дальнейшим совершенствованием и развитием, а также наличием большого количества учебной литературы и документации, связанной с их практическим использованием. Микроконтроллеры семейств MCS-51 рекомендованы типовой программой для изучения студентами электромеханических специальностей. Цель данного пособия – дать студентам основные сведения по архитектуре, функционированию и применению микроконтроллеров семейства MCS-51.