Вычислительные машины

Регистр команд РгК и дешифратор команды ДШК используются в МП БИС для получения и дешифрации кода команды. При извлечении команды первый байт, содержащий ее код, помещается в регистр команды и поступает на дешифратор команд. Дешишифратор совместно с устройством управления и синхросигналами Ф1 и Ф2 формируют управляющие сигналы для всех внутренних блоков МП БИС, а также его выходные сигналы управления и состояния.

   Выполнение каждой команды производится в МП БИС в строго определенной последованности, определяемой кодом команды, и синхронизируется во времени сигналами Ф1 и Ф2 тактового генератора.

   Период синхросигналов CLK1 и CLK2 называется МАШИННЫМ ТАКТОМ (Т). Длительность машинного такта Т может быть установлена произвольно в диапазоне от 0.5 до 2 микросекунд.

   При использовании МП БИС необходимо ясно представлять динамику его работы, т.е. на каких магистралях, в зависимости от каких управляющих сигналов и когда МП БИС будет выдавать ту или иную информацию. Это в дальнейшем поможет понимать работу схем, позволяющих согласовывать ее с различными периферийными устройствами микро-ЭВМ.

   При анализе процессов будем использовать следующие понятия:

Машинный цикл (М)-время , требуемое для извлечения из памяти один байт информации или выполнение команды, определяемой одним машинным словом. Машинный цикл может состоять из 3-5 машинных тактов.

   Время выполнения команды - время получения, декодирования и выполнения команды.

   В зависимости от вида команды это время может состоять из 1-5 машинных циклов. Для МП БИС КР580ИК80 существует 10 различных типов машинных циклов:

1. Извлечение кода команды (М1).

2. Чтение данных из  памяти.

3. Запись данных в память.

4. Извлечение из стека.

5. Запись данных в стек.

6. Ввод данных из внешнего  устройства.

7. Запись данных во  внешнее устройство.

8. Цикл обслуживания прерывания.

9. Останов.

10. Обслуживание прерываний  при работе МП БИС в режиме  останова.

   Тип выполняемого цикла МП указывает на первом такте каждого машинного цикла с помощью 8-разрядного слова состояния, выдаваемого на ШД.

 

 

3. Разработка схемы электрической принципиальной

заданного блока микроЭВМ

3.1 Разработка схемы электрической структурной учебного комплекса по интерфейсам ввода-вывода.

   На основе анализа существующих лабораторных установок и стендов, выдвинутых технических требований к учебному комплексу следует, что разрабатываемый учебный комплекс должен иметь универсальную структуру.

Учебный комплекс, имеющий универсальную структуру, позволяет наглядно иллюстрировать работу реальной микропроцессорной системы и состоять из нескольких лабораторных установок. К лабораторной установке с универсальной структурой можно отнести УМПК1810, структурная схема которого представлена на (рис.8). Данная лабораторная установка позволяет наглядно проследить процессы, протекающие в параллельном интерфейсе, за это отвечает блок параллельного интерфейса (БПИ), а также блок клавиатуры и дисплея (БКД). Наглядно проследить процессы, протекающие в параллельном интерфейсе, способствует подключение блока запоминающих устройств (БЗУ) и блока дешифрации адреса (БДА), что также упрощает схему.

   Схема БДА построена таким образом, что сигнал разрешения работы системной магистрали выдается тогда, когда ни на резидентной, ни на канальной магистрали нет устройств, распознавших свой адрес, а также текущий цикл не является циклом обработки прерываний.

    В секционируемых микропроцессорных БИС широкое применение получила открытая структура устройства. К такому типу лабораторных установок относится УМПК серии К589.

   Секционируемые микропроцессорные БИС представляют собой класс полупроводниковых приборов, позволяющих для каждого конкретного применения строить вычислительные устройства со структурной схемой.

Рис.8. Структурная схема лабораторного оборудования

с универсальной структурой серии 1810

   Малая разрядность микропроцессорных модулей (обычно 2, 4, 8 разрядов) открывает возможность для одного корпуса БИС формировать большое число информационных магистралей, чем в микропроцессорных комплектах с фиксированной разрядностью. Выведенные на внешние контакты микросхем магистрали секционируемых микропроцессорных БИС дают возможность разработчикам вычислительных устройств реализовать микро-ЭВМ с архитектурой, учитывающей область ее применения.

   Устройство управления микро-ЭВМ на секционируемых БИС обычно выполнено в виде самостоятельного блока и может иметь различную структуру в зависимости от решаемых задач. Рабочие программы могут вводиться на языке микроопераций, при этом наилучшим образом учитываются возможности используемых микропроцессорных БИС, однако процесс программирования характеризуется повышенной трудоемкостью.

    Для программирования на командном уровне устройство управления должно обеспечить реализацию системы команд и специальных команд управления, осуществляющих работу со стековой памятью и режимом прерывания.

 

Рис.9. Лабораторное оборудование для исследования

микропроцессорных систем серии 589

   Структура универсальной конструкции, представленной на (рис.9), содержит операционный блок (ОБ), представляющий собой 8-разрядный блок обработки данных. Реализован блок на четырех БИС центрального процессорного элемента. Микропрограммное устройство управления (МУУ) входящее в структуру открытой конструкции реализовано на регистрах и обеспечивает последовательность выборки команд в соответствии с алгоритмом решаемой задачи, формирует управляющие коды для операционного блока и совокупность управляющих сигналов, обеспечивающих совместную работу блоков при выполнении команд.

   Адресный расширитель (АР) предназначен для формирования 16-разрядной адресной магистрали. Шинный формирователь (ШФ) в свою очередь предназначен для формирования 8-разрядной информационной магистрали.

   В данной лабораторной установке, построенной на основе секционируемых БИС МПК серии 589, существует возможность использовать в учебном процессе одни и те же внешние устройства, что и в УМПК580.

   Лабораторная установка УМПК589 обладает свойством универсальности, то есть позволяет использовать внешние устройства от УМПК1801, УМПК1810. Программное обеспечение УМПК589 имеет двухуровневую структуру.

   Нижний уровень представляет собой микрокоманды, реализующие систему команд однокристального микропроцессора КР580ВМ80. Верхний уровень программного обеспечения представляет собой управляющую программу, обеспечивающую согласованную работу всех блоков микро-ЭВМ процессора KP580BM80. Содержание и структура верхнего уровня программного обеспечения в УМПК589 аналогичны по назначению и содержанию управляющей программе УМПК580. Лабораторные установки, имеющие открытую структуру, обладают свойством универсальности.

   К универсальному типу лабораторных установок, реализованных на основе БИС КМ1816ВЕ48, является УМПК1816.

   Выбор серии К1816 в качестве базовой для построения комплекса обусловлен наличием в ней всех характерных особенностей, хорошим ее развитием, возможностью ее совместного использования с интерфейсами БИС серии К580, простотой реализации отладочных режимов.

Являясь специфическим оборудованием, лабораторная установка УМПК1816 удовлетворяет следующим требованиям:

   Возможность проведения экспериментов, с внутренними элементами, изучая их программирование и исследование различных режимов работы.

Изучение методов разработки и отладки программного и схемотехнического обеспечения, а также методов отыскания неисправностей.

   УМПК1816 имеет открытую структуру, позволяющую ей обладать свойством универсальности.

   С учетом необходимости гибкого изменения структуры и программного обеспечения в зависимости от целей и задач обучения комплекс построен на основе трех модулей.

   Все модули являются функционально завершенными устройствами, позволяющими решать задачи различных этапов изучения построения микроконтроллеров на основе УМПК1816.

   Базовый модуль (БМ) УМПК-48/ВМ, представленный на (рис.10) включает в свой состав:

Однокристальная ЭВМ (ОЭВМ) КМ1816ВЕ48.

Схему пошагового выполнения программ (СхПВП).

Линии ввода-вывода (ЛВВ).

Буферы магистралей данных (БМД).

Буферы магистралей управления (БМУ).

Схема формирования магистрали адреса (ФМА) для подключения внешних запоминающих устройств (ЗУ).

   Использование комплекса УМПК48 в качестве базового оборудования, для проведения учебного процесса, позволяет охватить весь круг проблем разработки однокристальных ЭВМ. Учебный процесс можно условно разбить на два этапа.

   На первом этапе выполняются лабораторные работы, направленные на изучение особенностей самой однокристальной ЭВМ: структуры, функционирования и программирования ее элементов (линий ввода-вывода, таймера, счетчика и так далее), временных диаграмм работы, системы команд и ориентированных на нее алгоритмов обработки информации, организации различных интерфейсных функций (параллельного и последовательного ввода-вывода данных, временных интервалов, прерываний и так далее).

 

 

 

Рис.10. Структура конструкции универсального лабораторного оборудования серии 1816

   На втором этапе обучения выполняется цикл работ, направленных на изучение способов расширения возможностей однокристальных ЭВМ за счет использования комплектов БИС серии 580, внешних ЗУ и тому подобное, организации отладочных режимов работы (пошаговое выполнение программ, эмуляция памяти команд), программного освоения разработки схемотехнического и программного обеспечения микроконтроллеров различных объектов, исследования способов применения кросс-средств при разработке и отладки программ для однокристальных ЭВМ, а также за счёт изучения методов отыскания неисправностей. В новом варианте комплекса, все средства, обеспечивающие возможность проведения экспериментов по исследованию функционирования однокристальных ЭВМ, и их наглядность сохранены.

Несмотря на более высокую сложность, базовое оборудование может также применяться в учебном процессе для макетирования устройств сопряжения с объектом или интерфейсом, необходимых пользователю.

   Учитывая тактико-технические требования, и проведенный анализ существующих лабораторных установок, определена структура разрабатываемой лабораторной установки, приведенной на (рис.11.):

Блок параллельного-последовательного интерфейса (ППИ).

Блок тактового генератора и синхроимпульсов (ТГиС).

Узел сброса (УС).

Блок постоянного запоминающего устройства (ШУ).

Контроллер устройства отображения (КУО).

Блок клавиатуры и отображения (БКО).

Формирователь отдельных команд (ФОК).

   Состав данного учебного комплекса соответствует тактико-техническим требованиям к лабораторным установкам.

   В ПЗУ зашита программа, которая включает в себя набор заданий для реализации определенных процедур. Программа позволяет выполнять задания для исследования параллельного интерфейса в ручном и автоматизированном режимах управления.

 

 

Рис.11. Структурная схема учебного комплекса для исследования режимов работы параллельного – последовательного интерфейса.

   Для выборки команд из ПЗУ служит блок ТГиС, который включает в себя тактовый генератор и схему образования синхроимпульсов. Тактовый генератор служит для обеспечения тактируемыми импульсами лабораторную установку при ее работе в автоматизированном режиме. Одиночные синхроимпульсы применяются для работы в ручном режиме, при выборе одиночных команд и при работе в режиме с определенным набором команд.

   Блок ППИ включает в себя параллельный и последовательный интерфейс и систему обеспечения его работы.

   Контроллер устройства отображения обеспечивает правильное и безошибочное отображение информации на индикаторном табло или на светодиодах.

   Устройство отображения предназначено для отображения сигналов и включает в себя два блока индикации. Первый блок индикации предназначен для визуального отображения состояний выходов логических схем. Данный блок содержит две линейки светодиодов: линейку А и линейку В. Второй блок индикации предназначен для отображения информации в виде цифр.

   Формирователь отдельных команд необходим при проведении лабораторных работ, связанных с определенным типом команд.

   Узел сброса позволяет вернуть всю лабораторную установку в исходное, то есть в нулевое состояние. Основные узлы лабораторной установки имеют входы, возвращающие их в исходное состояние. Это вызвано несколькими причинами:

Ошибка оператора при проведении исследований.