Структура микропроцессорных систем управления

В такте Т1 (рис. 3) МП выдает на шину адреса содержимое счетчика команд PC, а на шину данных - байт состояния, соответствующий циклу М3. В том же такте по нарастающему фронту сигнала Ф2 с максимальной задержкой 200 нс формируется низкий уровень на выводе РПР.

Рис. 3 - Режим прерывания

Следовательно, МП будет игнорировать последующие запросы на прерывание до тех пор, пока триггер разрешения прерываний не будет установлен командой EI. В такте Т2 генерируется сигнал считывания ПМ, который в обычном цикле М1 вводит код операции из программной памяти в регистр команд. Но в цикле МЗ обращение к программной памяти запрещено (бит D7 равен 0), поэтому код операции должен быть сформирован подсистемой прерываний. Заметим, что в такте Т1 цикла МЗ инкремент PC не производится (формируется внутренний сигнал запрещения выхода схемы инкремента), поэтому в нем сохраняется адрес команды, которая выполнялась бы при отсутствии прерывания. Кроме того, в такте Т2 сбрасывается внутренний триггер прерывания.

Очевидно, что для загрузки содержимого PC в стек необходимо сформировать команду вызова подпрограммы прерывания. Стандартная команда вызова подпрограммы CALL является трехбайтовой и выполняется за пять машинных циклов. Чтобы ускорить реакцию микропроцессора на прерывание и упростить интерфейс подсистемы прерываний, в систему команд включена специальная однобайтовая команда рестарта RST с кодом операции ххАА Аххх.

Трехбитовое поле ААА, называемое вектором, должно быть сформировано периферийным устройством, на запрос которого реагирует микропроцессор. В такте ТЗ команда рестарта с шины данных загружается в регистр команд, а такты Т4 и Т5 отведены на дешифрирование команды RST.

Команда RST инициирует выполнение двух действий:

• содержимое PC в циклах М2 и МЗ загружается в стековую память;
• в PC передается код 0000000000ААА000, который сообщает микропроцессору начальный адрес обработчика прерываний.

Таким образом, биты ААА однозначно идентифицируют устройство, сформировавшее запрос на прерывание.

После указанных действий обычным образом вводится цикл М1 выборки кода операции первой команды программы обработки прерываний и производятся необходимые действия по обмену данными с периферийным устройством. Последней командой обработки прерываний должна быть команда возврата RET, которая возвращает в PC адрес возврата в основную программу. Напомним, что каждая программа обслуживания прерывания должна содержать команду EI, чтобы, выйдя из подпрограммы прерывания, МП был готов к восприятию следующего запроса на прерывание.

Режим прямого доступа к памяти

Многие МС имеют в своем составе ВУ с высокой скоростью передачи больших массивов информации (например, накопители на гибких магнитных дисках). В этом случае обмен данными с ВУ организуется в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). Суть режима заключается в том, чтобы осуществить обмен информацией между ВУ и памятью МС, минуя микропроцессор. Для организации режима ПДП в МП предусмотрен диалоговый обмен управляющими сигналами между ВУ и МП.

Когда ВУ инициирует запрос на ПДП, микропроцессор приостанавливает выполнение основной программы и переводит буферы шин адреса и данных в высокоимпедансное состояние, практически означающее отключение шин ША и ШД от микропроцессора. Шинами начинает управлять контроллер ПДП, организуя обмен данными между ВУ и памятью МС.

Инициирование ПДП осуществляет контроллер установкой на выводе ЗХ микропроцессора сигнала высокого уровня. В наиболее простом варианте обмена данными высокий уровень сигнала ЗХ сохраняется до окончания передачи массива данных. Все это время текущий машинный цикл после прохождения всех тактов находится в режиме ожидания окончания ПДП. Об окончании обмена контроллер ПДП сообщает снятием сигнала ЗХ, после чего начинается выполнение цикла М1 очередной команды. Но в режиме ПДП может осуществляться и передача в память МС и отдельных байтов информации. МП реагирует на высокий уровень сигнала ЗХ в текущем машинном цикле, если этот уровень стабилизировался за 180 не до нарастающего фронта Ф2 (рис. 4).

Рис. 4 - Режим прямого доступа к памяти

Напомним, что в такте Т1 цикла М1 МП только указал на ША адрес ячейки памяти или внешнего регистра, но обмен данными производится только в такте ТЗ. Поэтому разрешение ПДП сигналом ПЗХ и отключение ША и ШД возможно только в такте ТЗ (рис. 4, а), после чего МП переходит в режим ожидания окончания ПДП. Если же в текущем машинном цикле используются такты Т4 и Т5, то формирование сигнала ПЗХ происходит в такте Т5. После окончания ПДП микропроцессор всегда вводит такт Т1 следующего машинного цикла. В качестве контроллера, организующего обмен данными в режиме ПДП, в МПК К580 имеется контроллер ПДП КР580ВТ57.

Режим останова

Как указывалось, МП работает в циклическом режиме, когда после выполнения команды МП инициирует цикл М1 — чтение кода операции очередной команды. Остановить естественный процесс функционирования возможно специальной командой останова HLT, которая выполняется за четыре такта следующем образом.

В машинном цикле М1, состоящем из четырех тактов Т1-нТ4, производятся выборка и дешифрирование команды, а в цикле М2 осуществляется собственно выполнение команды. В такте Т1, цикла М2 микропроцессор выдает на шину адреса содержимое счетчика PC, а на шину данных — байт состояния с установленным битом D3 подтверждения останова. В такте Т2 по нарастающему фронту сигнала Ф2 с максимальной выдержкой 200 не внутренние буферы шин адреса и данных переводятся в высокоимпедансное состояние, а по нарастающему фронту сигнала Ф1 в следующем такте формируется высокий уровень сигнала ожидания ОЖ. Выполнение программы прекращается и в состоянии останова микропроцессор может находиться как угодно долго. Из состояния останова МП выводится следующими способами:

• путем подачи сигнала высокого уровня на вход сброса СБР с продолжительностью не менее трех периодов синхронизации. Когда на линии СБР после этого устанавливается низкий уровень, то по нарастающему фронту сигнала Ф1 генерируется внутренний сигнал сброса. Он загружает в счетчик PC нули и заставляет устройство управления сформировать следующий такт Т1 машинного цикла М1 выборки кода операции. Следовательно, МП обращается к ячейке памяти, которая обычно является начальным адресом подпрограммы;
• путем подачи сигнала высокого уровня на вход прерывания ЗПР.

Микропроцессор реагирует на этот сигнал только в том случае, если установлен внутренний триггер прерываний (РПР=1). Следовательно, при необходимости нового запуска микропроцессора из состояния останова сигналом ЗПР до команды HLT необходимо разрешить прерывание командой EI. Реагируя на сигнал ЗПР, микропроцессор вводит цикл М1 выборки команды RST. Если же микропроцессор остановлен и РПР = 0, то единственным средством запуска оказывается сигнал СБР.

Особенностью режима останова является возможность входа в режим ПДП по наличию высокого уровня сигнала ЗХ. Запрос на ПДП не будет удовлетворяться только в том случае, если был уже подан сигнал ЗПР (запрос на прерывание), но не было еще подтверждения прерывания сигналом РПР. После подтверждения прерывания возможен вход в режим ПДП. Таким образом, микропроцессор может работать в различных режимах информационного обмена. Выбор режима определяется быстродействием внешнего устройства и объемом передаваемых данных. Для поддержки каждого из режимов в составе микропроцессорного комплекта предусмотрены специальные интерфейсные микросхемы.

• Архитектура однокристальных микроконтроллеров
• Сравнительная характеристика ОМК
• Рассмотренные способы организации МК на базе однокристального микропроцессора К580ВМ80А дают возможность проектирования одноплатных микроконтроллеров, в состав которых входит порядка десяти БИС обрамления, обеспечивающих взаимодействие МП с внешними устройствами. Применение одноплатных МК, обладающих высокой производительностью, большой разрядностью обрабатываемых данных и значительным объемом прямоадресуемой памяти, во многих практических случаях нецелесообразно. Для сравнительно несложной с точки зрения управления бытовой техники предпочтительны компактные малогабаритные микроконтроллеры с системой команд, ориентированной на задачи управления техническими объектами.
• Современный уровень развития микроэлектроники позволил создать БИС, на кристалле которого размещены не только АЛУ, УУ и РОН, как в однокристальных МП, но и ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода и даже таймер. По общей архитектуре такие БИС больше напоминают законченную ЭВМ. Однако незначительная емкость памяти, расположенная на кристалле, упрощенная и ориентированная на выдачу управления система команд предопределяет использование их как контроллеров для автоматизации различного технологического оборудования. Поэтому будем называть их однокристальными микропроцессорными контроллерами (ОМК) в отличие от МК, реализованных на однокристальных МП.
• Применение ОМК позволяет существенно уменьшить число БИС, используемых в технологических контроллерах, повысить надежность, снизить их стоимость и энергопотребление. Эти качества ОМК позволяют проектировать малогабаритные ОМК, легко встраиваемые объекты бытовой техники, имеющие небольшие размеры (холодильники, утюги, магнитофоны, телевизоры и др.).
• В таблице 1 приведен ряд отечественных микроконтроллеров

• Отличительной характеристикой приведенных ОМК является тип постоянной памяти. Имеющееся на кристалле масочное ПЗУ целесообразно использовать в крупносерийных изделиях, где нет необходимости изменения управляющих программ. К этой категории относятся ОМК серий: КР1814ВЕ4, КР1816ВЕ49, КР1820ВЕ4. В опытно-конструкторских разработках удобнее использовать ОМК, имеющие на кристалле ПЗУ. Их обычно используют в отладочных устройствах, где в качестве ПЗУ используются внешние микросхемы памяти.
• ОМК серии 1816 изготовлены по n-МОП-технологии и имеют похожую архитектуру. Они отличаются быстродействием, объемом ОЗУ, а также наличием или отсутствием на кристалле ПЗУ, ее типом и объемом. Наличие на кристалле портов ввода-вывода, тактового генератора, системы прерываний и таймера при высокой тактовой частоте и восьмиразрядном АЛУ обеспечивает универсальность их использования для создания микропроцессорных систем различного назначения.
• ОМК 35 и ОМК 48 имеют одинаковую тактовую частоту 6 МГц и объем ОЗУ 64 Кб, но ОМК 35 не имеет встроенного ПЗУ, а ОМК 48 содержит встроенное репрограммируемое ПЗУ объемом 1 Кбайт, стирание информации в котором осуществляется ультрафиолетовым излучением.
• ОМК 39 и ОМК 49 тактируются частотой 11 МГц и имеют больший объем ОЗУ 128 байт, а также отличаются наличием (ОМК 49) или отсутствием (ОМК 39) встроенной ПЗУ.
• Наиболее производительным является ОМК КМ1816ВЕ51, имеющий на кристалле значительную постоянную память объемом 4 Кб и возможностью расширения до 64 Кб. Его максимальная тактовая частота равна 12 МГц, а быстродействие составляет 1 млн. коротких операций в секунду. Существуют три модификации ОМК: ОМК 51 с масочным ПЗУ объемом 4 Кб рассчитан на крупносерийное оборудование; ОМК с ультрафиолетовым РПЗУ объемом 4 Кб ориентирован на системы, требующие периодической перенастройки; ОМК без встроенного ПЗУ имеет возможность подключения меньшего ПЗУ.
• ОМК 51 является развитием ОМК 48, но отличается системой команд. Однако на уровне программ на языке Ассемблера оба ОМК программно совместимы "снизу вверх".
• Новые зарубежные разработки ОМК по своим функциональным возможностям и быстродействию ушли далеко вперед. Современные ОМК корпораций Intel, Microchip и др. - это размещенная на одном кристалле сложная цифровая система, в состав которой входят 8-, 16- или 32-разрядный процессор, внутренняя память программ (до нескольких десятков килобайт) с возможностью расширения, перепрограммируемая электрическая энергонезависимая память (FLASH-память), широкий набор интерфейсных и периферийных устройств, порты ввода-вывода (параллельные и последовательные), таймеры, многоканальные аналого-цифровые преобразователи, модули ШИМ и др. Обладая малым количеством коротких команд, выполняемых за один цикл, и используя конвейерный способ их обработки, ОМК обеспечивают производительность в несколько миллионов операций в секунду.
• Одно из семейств таких ОМК - PIC-контроллеры фирмы Microchip, являющиеся по производительности чемпионом среди подобных ОМК. Это достигнуто в основном за счет использования RISC-архитектуры, которая позволила применять инструкции одинаковой длины с длительностью выполнения в один машинный цикл. По скорости выполнения команд PIC-контроллеры оставили далеко позади известные отечественные ОМК (разница достигает от 8 до 35 раз в зависимости от вида операции). Там, где другие ОМК используют сложные встроенные аппаратные средства, PIC-контроллеры обходятся без них и "берут" просто скоростью опроса. PIC успевает опросить и среагировать практически на все. А если учесть, что некоторые PIC-котроллеры имеют встроенные многоканальные АЦП и драйверы для вывода информации на ЖКИ, то окажется, что в задачах технических приложений конкурентов у PIC почти нет.
• В тех случаях, когда быстродействие ОМК не является определяющей характеристикой, можно использовать ОМК серий 1814 и 145, тактовая частота которых соответственно составляет 350 и 32,7 КГц. ОМК серии К145 ориентированы на применение в бытовой технике и имеют повышенную помехозащищенность. Приведенные в табл. 1 типы ОМК серии К145 являются базовыми и не охватывают всего разнообразия вне этой серии. Полный состав БИС серии К145 насчитывает более 20 микросхем, ориентированных на автоматизацию различного бытового оборудования: стиральных машин, холодильников и манипуляторов (К145ИК1807), магнитофонов (К145ИК1906), автоматов по обработке фотопленки (К145ИК1909), электропроигрывателей (К145ИК1915), самоходных систем, игрушек, роботов (К145ИК1916) и др.
• Особыми возможностями обладает ОМК КМ1813ВЕ1, на кристалле которого размещены центральный процессор, репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием объемом 192 24-разрядных слов, ОЗУ объемом 40 25-разрядных слов, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. ОМК имеет четыре мультиплексируемых аналоговых входа и восемь демультиплексируемых аналоговых выходов. Программными средствами входы-выходы ОМК можно перевести в режим приема и передачи цифровой информации в последовательном коде. Благодаря своей уникальной архитектуре ОМК могут применяться для реализации различных типовых функций: фильтрации нижних и верхних частот, модуляции, ограничения, умножения 25-разрядных двоичных чисел, аппроксимации нелинейных функций. Используя возможности непосредственного аналогового ввода-вывода, ОМК может применяться в многоканальных системах автоматизации, а несколько ОМК могут быть объединены в мощные мультипроцессорные системы.
• Из краткой сравнительной характеристики следует, что наибольшей универсальностью обладают ОМК серии К1816, К145 , К1813, а также зарубежные ОМК серий PIC, MCS и др., некоторые из которых будут далее рассмотрены более подробно.