Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ
1. Введение
Тема курсового проекта ВлУниверсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМВ» предложена цикловой комиссией специальности 2201 ВлВычислительные машины, системы, комплексы и сетиВ» и утверждена директором Краснодарского колледжа электронного приборостроения.
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в проВнмышленном производстве, в устройствах и системах управления самыВнми разнообразными объектами и процессами является в настоящее вреВнмя одним из основных направлений научно-техниВнчесВнкого прогресса.
Использование микроэлектронных средств в изделиях производственВнного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышеВннию технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежВнности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки "моральВнного старения" изделий, но и придает им принципиально новые потребиВнтельские качества (расширенные функциональные возможности, модиВнфицируемость, 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 тАУ это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень широк. Главные достоинства микропроцессорной техники тАУ 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" оборудоваВнния различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненВнные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а такВнже программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечиВнвает 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 поВнстроения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.
Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широВнкомасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по сущеВнству 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.
2. Обзор однокристальных ЭВМ
С развитием электроники сменилась элементная база ЭВМ тАУ 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 тАУ 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.
2.1. ОЭВМ МК 48
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-нагрузВнкой.
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 коВнторого 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 таймеВнра/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 синВнхронизации и управления.
Однокристальная ЭВМ выполнена на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корВнпусе 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 выВнхода.
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) функВнций обмена информацией со средой.
2.2. ОЭВМ серии 1816.
Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что в случае необходимости функционально-логические возВнможности могут быть расширены. С использование внешВнних дополнительных БИС постоянной и оперативной паВнмяти адресное пространство может быть значительно расширено, а путем подключения различных интерфейсных БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления моВнжет быть увеличено практически без ограничений.
ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электроВнпитания напряжением +5В В± 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 синВнхронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выполВннения 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 опеВнраций в секунду.
Из такой краткой характеристики однокристальных ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значиВнтельными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютеризаВнции (автоматизации на основе применения средств и меВнтодов обработки данных и цифрового управления) разноВнобразных объектов и процессов.
Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками: частота синхронизации, ёмкость резидентВнной памяти данных или программы.
2.3. ОЭВМ МК35
ОЭВМ МК35 предназначена для выполнения следующих функций:
вычисление. адресов операндов и команд.
обмен информацией с другими устройствами; подклюВнченными к системной магистрали;
обработка операндов;
обр
аботка пр
ер
ываний от клавиатуры и устВнройств пользователя, подключенных к разъВнему порта ввода-выВнвода.
Процессор является единственным активным устройВнством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной магистрали и обрабатываюВнщим пре
рывания от пассивных устройств, которые могут посылать или принимать инВнформацию только под управлением про
цессора.
МК 35 работает в БК
с такВнтовой частотой 3 МГц и содержит следующие основные функциональные блоки :
16-разрядный операцион
ный блок, служащий для форВнмирования адресов команд и операндов, выполнения лоВнгиче
ских и арифметических операц
ий, хранения операнВндов и результатов;
блок микропрограммного управле
ния,
вырабатывающий последователь
ность микрокоманд, соотв
етствующу
ю коду принятой ма
шинной команды. Этот блок построен на базе программируемой логической матрицы (ПЛМ).
с
одержащей 250 логических произведений;
блок прерываний, организующий приоритетную сисВнтему прерываний (
прием и п
редварительная обработка внешних и внутренних запросов на прерывание);
интерфейсный блок, о
беспечивающий обВнмен информаВнцией между микропроцессором ром и прочими устройстВнва
ми, под
ключе
нВнными к систе
мной магистрали. Этот же, блок ос
уществляет арбитраж при операциях прямого досВнтупа к
па
мяти, формиру
ет
последовательность. управляющих сигналов:
блок си
сте
мной магистрали, связывающий внутреннюю магистраль однокристального микропроцессора с внешВнней,
управляюВнщий усилителями приема и передачи ин
форВнмации на совмещенные выводы адресов и данных;
схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию работы внутренних блоков микропроцессора.
Система команд, реализованная в ПЛМ блока микроВнпрограммного управления микропроцессора К1801BM1, совпадает с системой команд наиболее распространенных отечественных мини- и ОЭВМ типа ВлЭлектроника 60В» (ДВК-2. 3, 4 и т.п.) и практически аналогична приняВнтой для компьютеров серии DEC. Предусмотрен также ряд специальных команд, предназначенных для работы с сисВнтемным ПЗУ К1801РЕ1.
Общие характеристики ОЭВМ МК35 представлены в таблице 1.
табл. 1
| Представление чисел | В дополнительном коде с фиксироВнванной запятой |
| Виды команд | Безадресные, одноадресные, двухВнадресные |
| Виды адресации | Регистровая, регистровая косвенВнная, автоинкрементная, автоинВнкрементная косвенная, автодекреВнментная, автодекрементная косВнвенная, индексная, индексная косвенная |
| Количество регистров общего знаВнчения | 8 |
| Количество уровней прерывания | 4 |
| Тип системной магистрали | Q-bus (МПИ, ОСТ 11.305.903-80) |
| Адресное пространство, Кб | 64 |
| Тактовая частота, МГц | До 5 |
| Максимальное быстродействие при выполнении регистровых операций, оп./с | До 500000 |
| Не более 1 |
| Напряжение питания, В | +5 ( В±5% ) |
| Уровни сигналов, В: Вллог.0В»(активный уровень) | Менее 0,5 |
| Вллог.1В» | Более 2,4 |
| Нагрузочная способность по току, мА | 3,2 |
| Емкость нагрузки, пФ | До 100 |
| Технология изготовления | N-МОП |
| Конструкция | Плананарный металлокерамический корпус с 42 выводами |
Анализ основных признаков МК серии 1816 показыВнвает, что МК 48 и МК 51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосеВнрийных изделиях. ОднокриВнстальное ЭВМ МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и поВнэтому его следует применять в крупно-серийВнных изделиях. ОЭВМ, в которых нет резидентной памяти проВнграмм, используют, как правило, не в конечных издеВнлиях, а в автономных отладочных устройствах и многоВнфункциональных программируемых контроллерах, где в качестве программ и данных используются внешние БИС и имеются средства загрузки программ.
2.4. СМ 1800.
Однокристальные ЭВМ на основе 16-разрядного микВнропроцессора типа К1810ВМ86 представлены следующими сериями ЕС 1840, ЕС 1841, ЕС 1842, ВлИскра 1030В», ВлИсВнкра 1030МВ», ВлНейрон И9.66В» и относятся к классу 16 разрядных. В них получил дальнейшее развитие программно-модульный принцип, реализованный в моделях семейства СМ 1800. Они обеспечивали повышение средней производительности в 8-10 раз по сравнению с моделями СМ 1800 (до 170 тыс. оп./с.). Был значительно увелиВнчен объем оперативной и внешней памяти. СхемотехничеВнские решения позволяли адресовать до 16 Мбайт операВнтивной памяти. Для обнаружения ошибок в модулях паВнмяти применялись средства коррекции ошибок по коду Хемминга.
Значительно были расширены возможности организаВнции внешней памяти на дисках. Наряду с гибкими мини-дисками (диаметром 133 мм) применялись жесткие диски типа ВлвинчестерВ» емкостью 14 тАж 160 Мбайт, что позвоВнляло строить достаточно мощные базы данных. В составе периферийных устройств использовались дисплеи, печаВнтающие устройства матричного типа и типа ВлромашкаВ».
Операционные системы обеспечивали построение как систем реального времени, так и инструментальных и давали возможность применения пользователями большого числа пакетов прикладных программ на базе операционВнных систем СР/М-86 и MS DOS.
универсальная 16-разрядная ОЭВМ СМ1810 предназнаВнчена в основном для применения в ГПС и АСУ ТП, САПР, в локальных и открытых сетях, в контроллерах для встраивания в оборудование, в оргсистемах и в сферах обслуживания. Структура СМ1810 базируется на расширеВннии магистрально-модульной структуры 8 разрядных моВнделей СМ1800 и обеспечении аппаратной и программной совместимости с ними. Это позволяет использовать в СМ1810 средства передачи данных, УСО и другие устройВнства, разработанные для СМ1800. модуль центрального процессора МЦП-16 является основным компонентом СМ1810, обрабатывает логическую и арифметическую инВнформацию, выполнен с применением БИС серии К1810 и обеспечивает формирование интерфейсов И41, ИРПР-М, С2. В составе модуля двухвходовое ОЗУ объемом 256 Кбайт с коррекцией ошибок, перепрограммируемое ПЗУ объемом до 64Кбайт, таймер, БИС ввода-вывода и разъем для подключения БИС арифметического сопроцессора. МоВндуль МЦП-16 обеспечивает непосредственное подключение ПУ, печатающих устройств и дисплея, не занимая интерВнфейса И41, а в случае автономного применения может выполнять функции локальной микроЭВМ
ОЭВМ СМ1814 представляет собой вариант СМ1810 для использования в промышленных производствах с ограниВнченным доступом обслуживающего персонала, главным обВнразом в локальных технологических сетях, ГСП, АСУ ТП. В СМ1814 могут входить все модули, блоки расширения модульные источники питания и кроссы из состава СМ1810, включая периферийные устройства (дисплей, пеВнчатающее устройство с интерфейсами ИРПС/С2). ОЭВМ СМ1814 содержит в основном УСО в промышленном исполВннении, блок ввода сигналов низкого уровня, термометВнров сопротивлений и термопар СМ9306 и блок формироваВнния поправки СМ3907. ЭВМ СМ1814 используется без НМД. Все программное обеспечение содержится в ППЗУ модуля МЦП-16 и в модулях репрограммируемой памяти МППЗ или загружается по каналам связи в ОЗУ. Функционирование СМ8141 в реальном времени поддерживается операционной системой ОС СРП-1810.
3. Описание схемы электрической структурной
Рассмотрим работу универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ на основе схемы электрической структурной, показанной в графической части лист 2 Э1.
Микроконтроллер состоит из следующих узлов:
тАФ однокристальной ЭВМ со схемой внешнего тактового генератора и схемой формирования сигнала ВлсбросВ»;
тАФ регистра-защелки младшего байта адреса внешнего запоминающего устройства;
тАФ памяти программ, объемом 4 Кбайта;
тАФ памяти данных, объемом 1 Кбайт со страничной адВнресацией 256 байт на страницу и схемой выбора ОЗУ;
тАФ схемы управления записью-чтением внешних устройств;
тАФ адаптера параллельного интерфейса со схемами приемника и передатчика по стандарту ИРПС;
тАФ трехканального таймера;
тАФ контроллера клавиатуры и индикации;
тАФ схемы прерываний.
Тактовый генератор вырабатывает синхронизирующие импульсы тактовой частоты, которые позволяют синхронизировать работу ЭВМ и остальных узлов микроконтроллера. Кварцевый резонатор, вырабатываемый опорную частоту синхронизации, подключается к выводам Х1 и Х2. Х1 является входом, а Х2 тАУ выходом генератора, способного работать в диапазоне частот от 1 до 6 МГц.
Схема формирования сигнала сброс обеспечивает правильную последовательность сброса периферийных БИС и ОЭВМ. Сигнал сброс производит следующие действия: сбрасывает счетчик команд и указатель стека; устанавливает порт BUS в высокоимпедансное состояние, а порты Р1 и Р2 тАУ на режим ввода; выбирает банк регистров 0 и банк памяти 0; запрещает прерывания; останавливает таймер и выдачу синхросигнала на вывод Т0; сбрасывает флаг переполнения таймера и флаг пользователя.
Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ, передаваемый по шине данных. Подключение БИС памяти программ и данных особенностей не имеет. Логическая схема условных переходов МК позволяет программе проверять не только признаки , но и условия, внешние по отношению к МК. По командам условного перехода в случае удовлетворения проверяемого условия в счетчик команд из второго байта команды загружается адрес перехода.
Линия запроса прерывания от внешнего источника проверяется каждый машинный цикл во время действия сигнала САВП. При обработки прерывания, как и при вызове подпрограмм содержимое счетчика команд и старшей тетрады ССП сохраняется в стеке.
Порт ввода/вывода BUS представляет собой двунаправленный буфер с тремя состояниями и предназначен для побайтного ввода, вывода или ввода/вывода информации.
4. Выбор элементной базы