Микро ЭВМ на МПК 1801

 СОДЕРЖАНИЕ

                                                                       Лист

1. Введение.                                                                     2

  2. Проектирование центрального                                

      процессора на К1801.                                                 4 

  3. Описание схемы электрической структурной.         9

  4. Краткое описание МПК серии К1801.                    11

  5. Описание схемы электрической

      принципиальной.                                                       19

  6. Описание временных диаграмм.                               32

  7. Расчетный раздел.                                                      34

   7.1. Расчет потребляемой мощности.      

   7.2. Расчет быстродействия.

8. Описание конструкции                                              35

9. Методика проверки.                                                  37

  10. Вывод.                                                                       38

      Литература.                                                               

Графическая часть:

Лист 1 схема электрическая принципиальная.

Лист 2 схема электрическая структурная.

Лист 3 диаграммы временные.

Лист 4 схема расположения.

                                                         1. ВВЕДЕНИЕ

          Последние годы характеризуются бурным развитием интегральной микроэлектроники и конструирования радиоэлектронной аппаратуры на основе   интегральных микросхем. Внедрение   в радио-, а также и электронную аппаратуру  интегральных микросхем в значительной мере изменило методы проектирования и производства различной радиоэлектронной аппаратуры, повысило ее надежность и экономичность при одновременном уменьшении габаритов и веса. Благодаря интегральным микросхемам значительно расширилось внедрение радиоэлектроники в различные области науки и техники. Применение современной элементной базы позволило не только усовершенствовать старые, но и создать новые методы проектирования, конструирования и производства бытовой радиоаппаратуры и привело к новым разработкам в микропроцессорной системе. Малые габариты, масса, потребляемая мощность, высокая надежность, долговечность и большое множество функционального назначения дали создать новейшие устройства во всех сферах применения интегральных микросхем.

          Микропроцессор представляет собой процессор, функционирующий в соответствии с программой, записанной в ЗУ, и характеризуется тем, что он выполняется в виде одной или нескольких БИС. Использование БИС обусловило следующие достоинства микропроцессоров: низкую стоимость, малые габариты и малое потребление мощности. Благодаря дешевизне микропроцессоров стало возможным применять вычислительные устройства там, где прежде их применение считалось экономически невыгодным; малые размеры и малое потребление мощности позволили встраивать микропроцессоры в самые разнообразные устройства.

          Микропроцессор изменил характер проектирования цифровых устройств. Вместо разработки схем при использовании микропроцессоров составляются программы. Это ускоряет, удешевляет проектирование, обеспечивается легкость внесения изменений в способ функционального устройства, осуществляется путем замены хранящейся в ЗУ программы новой программой. Вместе с тем следует иметь в виду, что выполнение микропроцессоров определенной функции связано с последовательным выполнением обычно значительного числа команд, на что затрачивается большое время, и быстродействие устройств, которые  используют  микропроцессоры, оказывается относительно невысоким. Поэтому в тех случаях, когда требуется обеспечить высокое быстродействие, оно легче может быть достигнуто в устройствах, в которых функционирование определяется не программой, записанной в ЗУ, а путем определенных соединений элементов в схеме. Первые микропроцессоры появились в конце 1971г и уже через несколько лет они стали широко применяться  в самых разнообразных сферах производства и быта. Они используются в измерительных приборах, в устройствах цифровой обработки данных, в качестве устройств управления станками, лифтами и т.д. В системе связи они найдут широкое применение, в частности, в телефонных аппаратах для расширения их возможностей, в управляющих комплексах систем коммутации каналов и сообщений и т.д.

          Возможности применения микропроцессоров во всех средах оказались столь обширны, что влияние микропроцессоров равносильно революции в технике.

2. Проектирование ЦП на БИС К1801

В ЭВМ арифметические и логические операции с поступающей информацией выполняются в процессоре. Процессор, реализованный в виде одной БИС или на нескольких БИС называется микропроцессором. Основными блоками, из которых состоит МП является арифметико-логический блок (АЛБ) и устройство управления (УУ). Информация в МП поступает через выходные магистрали, которые связывают его с блоками памяти и различными внешними устройствами. Количество магистралей, связывающих МП с внешними устройствами может быть различным  в зависимости от внутренней организации МП и структуры вычислительного устройства. Структура микроЭВМ определяется организацией МП, составом входящих в него функциональных узлов, количеством внешних магистралей и организацией обмена информацией. Для многих команд требуются процедуры обмена информацией с ЗУ, разнообразными внешними устройствами, устройствами ввода-вывода. При реализации процедурного обмена МП формирует на МА адрес ячейки ЗУ или двоичный код внешнего устройства, к которому он обращается. Одновременно МП по МУ формирует управляющие сигналы, настраивающие подключающее устройство на необходимый режим обмена информацией. После формирования кода адреса и управляющих сигналов по МД передается информация. Эта информация затем преобразуется в соответствии с кодом очередной команды, записанной в специальный регистр МП. Для этого УУ МП формирует управляющие сигналы на узлы АЛБ, участвующие в выполнении команды. Одновременно с выполнением команды УУ МП формирует адресный код следующей команды и обеспечивает считывание ее из блока памяти.   Для   связи   по   единым   магистралям   выходные   и   входные   узлы  различных  блоков  должны строиться с учетом уровней передаваемых по  магистралям  сигналов, а также их состава и временной

последовательности. Согласование характеристик сигналов в магистралях с внутренними сигналами различных  систем обеспечивается интерфейсными блоками соответствующих устройств. Количество общих магистралей в микроЭВМ может быть различным. Для реализации различных режимов обмена информацией в микропроцессорную систему при необходимости можно ввести контроллер прерываний КП для обработки сигналов запросов на обслуживание от УВВ, а также контроллер прямого доступа к памяти КПДП для организации обмена данными между ЗУ и УВВ (рис.2.1). Восьмиразрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) МП обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичными данными, представленными в дополнительном коде, а также обработку двоично-десятичных упакованных чисел. Блок микропрограммной памяти содержит последовательность микрокоманд. Это микроконструкции управления операционными блоками, выбора следующего адреса, служебные и управляющие микроинструкции. Микроинструкция управления операционным блоком определяет код выполняемой в АЛУ операции. Управляющие сигналы в АЛУ могут поступать непосредственно с выхода микропрограммной памяти либо с выходов дешифратора микрокоманд, работающих под управлением микроинструкций памяти микропрограмм. Микропроцессор имеет раздельный 16-ти разрядный канал адреса и 8-ми разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств  вывода. В начале каждого машинного цикла микропроцессор вырабатывает сигнал синхронизации SYN, который в сочетании с другими сигналами может быть использован для организации различных режимов работы. После подачи на вход   SR   сигнала   высокого   уровня  МП  устанавливается  в исходное состояние. МП выдает на адресный канал адрес ячейки, в которой хранится   команда   программы,   а  через  канал  данных -

информацию состояния, а далее происходит обработка и анализ сигналов МП. Действия, выполняемые МП в машинном цикле определяются 8-ми разрядной информацией состояния, которая выдается через канал данных в первом такте каждого машинного цикла. Эта информация может использоваться для выборки сигналов обращения  к  ЗУ, УВВ и для организации различных режимов  работы МП. При выполнении команд МП  может переходить из одного из трех состояний: “ожидание”, “захват”, “останов”, длительность которых определяется внешними управляющими сигналами. Архитектура МП описывает методологию оптимального объединения совокупности аппаратных, программных и микропрограммных средств в вычислительной системе с позиции свойств, предоставляемых в распоряжение разработчиков систем и программистов - пользователей. При разработке архитектуры МП и информационно-управляющих систем на их основе необходимо:

1) дать описание концептуальной структуры функционального поведения системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и организации вычислительных процессов в ней;

2) определить структуру, номенклатуру и особенности построения программных и микропрограммных средств;

3) описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;

4) произвести анализ функциональной структуры и особенностей физической реализации устройств системы с позиций сбалансированности программных, микропрограммных и аппаратурных средств. При разработке архитектуры МП и на их основе микросистем устанавливаются форматы данных и команд, определяются системы команд и методы адресации, обосновываются требования к интерфейсам. Правильно сбалансированные требования к аппаратурным и программным дают возможность оптимизировать вычислительный процесс в спроектированной микросистеме. В МП микросистеме функции оптимизации

выполняет программное обеспечение. Достигаемый при разработке компромисс между аппаратурными и программными средствами определяет его сложность и трудоемкость. БИС наибольшее влияние оказывают на микроархитектуру микропроцессора - аппаратную организацию и логическую структуру микропроцессора, конфигурацию регистров, управляющих схем, арифметико-логических блоков, запоминающих устройств и связывающих их информационных магистралей. Функциональные блоки,      которые раньше строились из многочисленных полупроводниковых  приборов  в  настоящее  время реализуются в виде одного прибора. Кроме того, увеличение функциональной насыщенности и быстродействия и снижения стоимости памяти и логики, обеспечиваемые БИС, открывают новые возможности проектирования микроЭВМ, уменьшая влияние стоимости. Поскольку МП выполнены на одном кристалле и при этом включают в себя все аппаратурные средства центрального процессора - регистры, АЛБ, схемы управления, а в некоторых случаях даже память их микроархитектура определяет многие из черт микроархитектуры системы (емкость и расположение регистров, разрядность и трассировку магистралей данных, наличие буферных регистров и магистралей для передачи всех сигналов). Так как многие элементы микроархитектуры становятся частью конструкций кристалла, очень трудно создать такой кристалл БИС, который мог бы найти широкое применение. Очевидно, что кристалл, на котором реализована микроархитектура одной микроЭВМ, будет бесполезным для построения микроЭВМ другой архитектуры. Следовательно, объем   его  производства  будет  небольшим,  а  себестоимость высокой. Микропроцессоры, являющиеся удачным примером реализации целой микроархитектуры на одном кристалле, позволяют также увидеть и недостатки такого подхода. В дополнении к собственной архитектуре эти МП обладают собственной макроархитектурой и системой команд и в связи с этим практически не годятся для реализации архитектуры других ЭВМ.

3. Описание схемы электрической         структурной

           Рассмотрим структурную схему микроЭВМ на МПК 1801 представленную в графической части лист 2 Э1.

Высокая степень интеграции микропроцессорного комплекта БИС серии К1801, реализующего принципы магистрально-модульной организации, наличие в составе комплекта однокристальных МП и периферийных микросхем позволяют применять его для создания высокоэффективных микропроцессорных средств. Одним их примеров применения комплекта являются выпускаемые промышленностью одноплатные микроЭВМ ряда “Электроника - МС1201”, предназначенные для использования в различных вычислительных и управляющих системах.

           МикроЭВМ состоит из функционально законченных модулей, объединенных между собой по магистральному принципу. Системная магистраль (канал), выполненная  в соответствии с интерфейсом МПИ, позволяет адресовать 32К 16-разрядных слов или 64К байт (только по записи). В адресном пространстве принято использовать нижнюю область с адресами 0-376 в качестве адресов векторов прерываний. Верхняя область слов адресного пространства от 160000 до 177776 используется для адресов регистров внешних устройств. Активным устройством в канале обычно является процессор. Кроме него активными в канале могут быть устройства, способные работать в режиме прямого доступа к памяти.

           Системное ПЗУ (СПЗУ) содержит программы режимов начального пуска, пультового режима, начальных загрузчиков с накопителей на гибких магнитных дисках, резидентного проверяющего теста.

           Устройство байтового параллельного интерфейса (УБПИ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами   по   асинхронным   параллельным  каналам ввода/вывода. Состоит из устройства управления байтовым параллельным интерфейсом (БПИ) и ряда переключателей, а также из устройства передачи информации (УПИ). Осуществляет обмен с системным каналом с помощью четырех внутренних регистров, организует прерывания   от   приемника   и   передатчика.   Адресация регистров УБПИ задается переключателями, установленными на плате. Эти переключатели изменяют также адреса векторов прерывания, выдаваемых УБПИ при процедуре векторного прерывания программы.

           Устройство последовательного ввода/вывода (УПВВ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронному последовательному каналу. Связь УПВВ с внешним устройством осуществляется с помощью узла оптронной развязки (УОР) по линии типа “20 мА токовая петля”.

           Устройство интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках (УИГМД). Осуществляет обмен информацией с НГМД с помощью двух внутренних регистров; может производить прерывание программы с выдачей адреса вектора прерываний.

           Регистр начального пуска (РНП) предназначен для указания адреса и кода программы режима начального пуска.

           Приемопередатчики ПП1-ПП2 служат для усиления и электрической развязки сигналов.

4. Краткое описание МПК серии К1801

           Микропроцессорный комплект серии К1801, микросхемы которого изготовляются по n-МДП технологии, предназначен для построения широкого класса микроконтроллеров, микроЭВМ, управляющих микропроцессорных систем. Высокая функциональная мощность, сравнительно высокое быстродействие при умеренной потребляемой мощности, совместимость по системе команд с самыми массовыми в стране микроЭВМ семейства “Электроника” обеспечивают МПК серии К1801 практически неограниченные области применения.

           В состав серии К1801 входят микросхемы однокристальных микропроцессоров, способных вести обработку 16-разрядных операндов, периферийных контроллеров, созданных на основе базового матричного кристалла серии К1801ВП1 и микросхемы ПЗУ (таблица 1).

                                                                                   Таблица 1.

1	2	3	4	5	6	7	8