Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ
Тема курсового проекта «Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ» предложена цикловой комиссией специальности 2201 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» и утверждена директором Краснодарского колледжа электронного приборостроения.
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.
Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки "морального старения" изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, 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 – это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень широк. Главные достоинства микропроцессорной техники – 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" оборудования различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечивает 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 построения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.
Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широкомасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по существу 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.
С развитием электроники сменилась элементная база ЭВМ – 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 – 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.
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-нагрузкой.
 |
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 которого 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 таймера/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 синхронизации и управления.
Однокристальная ЭВМ выполнена на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе 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 выхода.
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) функций обмена информацией со средой.
Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что в случае необходимости функционально-логические возможности могут быть расширены. С использование внешних дополнительных БИС постоянной и оперативной памяти адресное пространство может быть значительно расширено, а путем подключения различных интерфейсных БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления может быть увеличено практически без ограничений.
ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электропитания напряжением +5В ± 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 синхронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выполнения 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 операций в секунду.
Из такой краткой характеристики однокристальных ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значительными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютеризации (автоматизации на основе применения средств и методов обработки данных и цифрового управления) разнообразных объектов и процессов.
Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками: частота синхронизации, ёмкость резидентной памяти данных или программы.
ОЭВМ МК35 предназначена для выполнения следующих функций:
вычисление. адресов операндов и команд.
обмен информацией с другими устройствами; подключенными к системной магистрали;
обработка операндов;
обработка прерываний от клавиатуры и устройств пользователя, подключенных к разъему порта ввода-вывода.
Процессор является единственным активным устройством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной магистрали и обрабатывающим прерывания от пассивных устройств, которые могут посылать или принимать информацию только под управлением процессора.
МК 35 работает в БК с тактовой частотой 3 МГц и содержит следующие основные функциональные блоки :
16-разрядный операционный блок, служащий для формирования адресов команд и операндов, выполнения логических и арифметических операций, хранения операндов и результатов;
блок микропрограммного управления, вырабатывающий последовательность микрокоманд, соответствующую коду принятой машинной команды. Этот блок построен на базе программируемой логической матрицы (ПЛМ).содержащей 250 логических произведений;
блок прерываний, организующий приоритетную систему прерываний (прием и предварительная обработка внешних и внутренних запросов на прерывание);
интерфейсный блок, обеспечивающий обмен информацией между микропроцессором ром и прочими устройствами, подключенными к системной магистрали. Этот же, блок осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа к памяти, формирует
последовательность. управляющих сигналов:
блок системной магистрали, связывающий внутреннюю магистраль однокристального микропроцессора с внешней, управляющий усилителями приема и передачи информации на совмещенные выводы адресов и данных;
схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию работы внутренних блоков микропроцессора.
Система команд, реализованная в ПЛМ блока микропрограммного управления микропроцессора К1801BM1, совпадает с системой команд наиболее распространенных отечественных мини- и ОЭВМ типа «Электроника 60» (ДВК-2. 3, 4 и т.п.) и практически аналогична принятой для компьютеров серии DEC. Предусмотрен также ряд специальных команд, предназначенных для работы с системным ПЗУ К1801РЕ1.
Общие характеристики ОЭВМ МК35 представлены в таблице 1.
табл. 1
| Представление чисел | В дополнительном коде с фиксированной запятой |
| Виды команд | Безадресные, одноадресные, двухадресные |
| Виды адресации | Регистровая, регистровая косвенная, автоинкрементная, автоинкрементная косвенная, автодекрементная, автодекрементная косвенная, индексная, индексная косвенная |
| Количество регистров общего значения | 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 |
Потребляемая мощность, Вт | Не более 1 |
| Напряжение питания, В | +5 ( ±5% ) |
| Уровни сигналов, В: «лог.0»(активный уровень) | Менее 0,5 |
| «лог.1» | 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 показывает, что МК 48 и МК 51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосерийных изделиях. Однокристальное ЭВМ МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и поэтому его следует применять в крупно-серийных изделиях. ОЭВМ, в которых нет резидентной памяти программ, используют, как правило, не в конечных изделиях, а в автономных отладочных устройствах и многофункциональных программируемых контроллерах, где в качестве программ и данных используются внешние БИС и имеются средства загрузки программ.
Однокристальные ЭВМ на основе 16-разрядного микропроцессора типа К1810ВМ86 представлены следующими сериями ЕС 1840, ЕС 1841, ЕС 1842, «Искра 1030», «Искра 1030М», «Нейрон И9.66» 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 увеличен объем оперативной и внешней памяти. Схемотехнические решения позволяли адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Для обнаружения ошибок в модулях памяти применялись средства коррекции ошибок по коду Хемминга.
Значительно были расширены возможности организации внешней памяти на дисках. Наряду с гибкими мини-дисками (диаметром 133 мм) применялись жесткие диски типа «винчестер» емкостью 14 … 160 Мбайт, что позволяло строить достаточно мощные базы данных. В составе периферийных устройств использовались дисплеи, печатающие устройства матричного типа и типа «ромашка».
Операционные системы обеспечивали построение как систем реального времени, так и инструментальных и давали возможность применения пользователями большого числа пакетов прикладных программ на базе операционных систем СР/М-86 и MS DOS.
универсальная 16-разрядная ОЭВМ СМ1810 предназначена 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 расширении магистрально-модульной структуры 8 разрядных моделей СМ1800 и обеспечении аппаратной и программной совместимости с ними. Это позволяет использовать в СМ1810 средства передачи данных, УСО и другие устройства, разработанные для СМ1800. модуль центрального процессора МЦП-16 является основным компонентом СМ1810, обрабатывает логическую и арифметическую информацию, 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. Модуль МЦП-16 обеспечивает непосредственное подключение ПУ, печатающих устройств и дисплея, не занимая интерфейса И41, а в случае автономного применения может выполнять функции локальной микроЭВМ
ОЭВМ СМ1814 представляет собой вариант СМ1810 для использования в промышленных производствах с ограниченным доступом обслуживающего персонала, главным образом 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, печатающее устройство с интерфейсами ИРПС/С2). ОЭВМ СМ1814 содержит в основном УСО в промышленном исполнении, блок ввода сигналов низкого уровня, термометров сопротивлений и термопар СМ9306 и блок формирования 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:
— однокристальной ЭВМ со схемой внешнего тактового генератора и схемой формирования сигнала «сброс»;
— регистра-защелки младшего байта адреса внешнего запоминающего устройства;
— памяти программ, объемом 4 Кбайта;
— памяти данных, объемом 1 Кбайт со страничной адресацией 256 байт на страницу и схемой выбора ОЗУ;
— схемы управления записью-чтением внешних устройств;
— адаптера параллельного интерфейса со схемами приемника и передатчика по стандарту ИРПС;
— трехканального таймера;
— контроллера клавиатуры и индикации;
— 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 – 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 – 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.
|