Микропоцессорные и программные средства систем управления техники

 
     СОДЕРЖАНИЕ

     Микросхема К1810ВМ86 (Intel 8086).

     Функциональная схема

     Архитектура МП

     Сегментация памяти и вычисление адресов

     Контроллер системной шины К1810ВГ88

     Схема включения арбитража шин при последовательном методе

     Интерфейсы микропроцессорных систем

     Организация запоминающих устройств

     Способы дешифрации адреса.

     Обмен информацией с внешними устройствами.

     Подключение внешних устройств к системной магистрали

     Микропроцессорный комплект

     Литература

 

     Микросхема К1810ВМ86 (Intel 8086)

 
     

     Шестнадцатиразрядный однокристальный МП выполняющий около 2 млн. операций в секунду. Синхронизируется тактовой частотой 25 МГЦ. Имеет 20-ти разрядную шину адреса, что позволяет обеспечить прямую адресацию 1 Мбайт внешней памяти. Область адресного пространства памяти разбита на сегменты по 64 Кб. Такая организация памяти обеспечивает удобный механизм вычисления физических адресов. ША и ШД мультиплексированы. При организации вычислительных систем их нужно разделить (регистры-защелки). МП может обращаться как к памяти, так и к внешним устройствам.

     При обращении к внешним устройствам используются 16 младших линий ША. Следовательно можно подключить 64 К 8-битных внешних устройств, либо 32 К 16-ти разрядных. МП имеет многоуровневую систему прерываний: 256 векторов прерываний. Данный МП является дальнейшим совершенствованием К580ВМ80. Система команд сходна, но более расширена. Программное обеспечение легко переводится с одного МП на другой.

     Функциональная схема

     В первый такт обмена на AD0-15 устанавливаются младшие 16 бит адреса памяти или адрес внешнего устройства, сопровождается эта информация сигналом ALE. Во втором такте обмена выставляются данные, которые сопровождаются сигналом DEN. ALE и DEN управляют регистрами-защелками. AD16/ST3-AD19/ST6 - мультиплексированные линии адреса состояния.

 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      В первый такт обмена выдается 4 старших разряда адреса памяти, а при обращении к внешнему устройству - нули. Во втором такте выдаются сигналы состояния МП, причем сигналы ST3-ST4 определяют сегментный регистр участвующий в формировании физического адреса. 

          
     ST3      ST4       Рег.
     0

     1

     0

     1

      0

     0

     1

     1

      ES

     SS

     CS

     DS

 

     Сегментные регистры. Участвуют в формировании физического адреса. 
 
 

     ST5 - дублирует состояние флага разрешения прерываний.

     BHE - разрешение старшего байта. Работает совместно с сигналом А0, обеспечивая механизм передачи информации по ШД. 
 

     
         BHE      A0      Вид передачи данных
         0

         0

         1

         1

    		      0

         1

         0

         1

    		      Передается 16-ти битное слово

         Передается старший байт AD8-AD15

         Передается младший байт AD0-AD7

         Нет обращения

 

      RD -сигнал чтения.

     WR - сигнал записи.

     

     M/IO - обращение к памяти или внешним устройствам.

     DT/R - направление передачи информации:

     «1» - в МП; «0» - из МП.

     INTA, INTR - запрос на маскируемое прерывание (INTA - подтверждение прерывания).

     NMI - запрос на немаскируемое прерывание.

     HOLD - запрос на переход в режим прямого доступа к памяти.

     HLDA - подтверждение захвата шины.

     TEST - проверочный вход, используется в команде WAIT для организации холостых тактов: «1» - МП выполняет «0», с периодичностью 5 Т проверяет состояние этого сигнала.

     MN / MX - минимальный / максимальный режимы, определяющие конфигурацию вычислительной системы. MN- ограничение объема памяти и т. д.

     Архитектура МП

     МП содержит в своем составе 14 регистров общего назначения.

     AX = AH + AL

     BX = BH + BL

     CX = CH + CL

     DX = DH + DL

     Все остальные регистры общего назначения являются неделимыми:

     SP используются при обращениях к стеку для хранения BP  адресной информации;

     

     SI - при обращении к памяти или внешнему устройству;

     DI.

     Сегментные регистры:

     CS - определят начальный адрес сегмента кода в котором хранится программа;

     SS - хранит начальный адрес сегмента стека;

     DS - начальный адрес сегмента данных;

     ES - начальный адрес дополнительного сегмента под данные;

     IP - хранит смещение очередной команды переданной для выполнения.

     DA = CS + IP

     F - регистр флагов

          
                          0F      DF      IF      SF      ZF             AF             PF      CF

     AD15 AD0.

     CF - флаг переноса, фиксирует возникновение переноса при сложении или заеме при вычитании, а также выдвижение старшего байта при операциях сдвига;

     PF - флаг четности, фиксирует четное число;

     AF - флаг вспомогательного переноса, фиксирует перенос или заем из разряда D4 в D3 при операции сложения и из D3 в D4 при вычитании. Используется при преобразовании кодов из двоичного в двоично-десятичный и наоборот;

     ZF - флаг нуля, сигнализирует о получении нулевого результата;

     SF - флаг знака, дублирует состояние старшего бита результата операции;

     OF - флаг переполнения разрядной сетки, сигнализирует о потере старшего бита при сложении.

     Названные 6 флагов сигнализируют о результатах арифметических операций. Оставшиеся 3 флага относятся к флагам управления:

     

     DF - флаг направления обработки команд программы, «0» -выполняется команда от меньших адресов к большим.

     IF - флаг разрешения прерываний, если он установлен, то процессор реагирует на запросы прерывания по входу INTR.

     TF - флаг трассировки, «1» - МП выполняет команды программы в пошаговом режиме.

     В состав МП входит устройство управления, которое дешифрует команды и обеспечивает соответствующие управляющие сигналы. Буфер шины адреса - данных представляет собой 16 двунаправленных усилителей, обеспечивающих номинальную нагрузочную способность шины. Буфер адреса состоит из 4-х двунаправленных усилителей выполняющих аналогичную функцию.

     Сегментация памяти и вычисление адресов

     Память в ЭВМ на базе К1810ВМ86 организуется как одномерный массив байтов, каждый из которых имеет свой 20-разрядный физический адрес (00000-FFFFF).

     Порядок размещения данных в памяти обычный: слово занимает 2 соседние ячейки памяти, причем первым идет младший байт слова, а вторым старший. Физическим адресом слова считается адрес младшего байта слова.

     20-ти битный физический адрес ячейки памяти содержится в объекте: сегмент + смещение. Причем на сегмент и на смещение отводится по 2 байта. Следовательно, полный физический адрес размещается в 4-х ячейках памяти.

      00002  смещение

     00003 

      00004  сегмент

     00005

     

     Физическим адресом этого модуля считается адрес младшего байта смещения.

     Все пространство памяти объемом 1М разбито на сегменты по 64 К (16 сегментов). Каждому сегменту программой задается его начальный адрес который заносится в сегментные регистры (CS, SS, DS, ES).Такая организация вычислений 20-ти разрядного фактического адреса обусловлена тем, что МП является 16-ти разрядным и все вычислительные операции должны выполняться словами.

     Механизм вычисления фактического адреса следующий: содержимое сегментного регистра сдвигается на 4 бита влево. К содержимому смещения присваивается 4 нуля слева. 

     Сегмент смещение 15 0

     
     A      B      C      D             1      2      3      4

      19   0  

     
     A      B      C      D      0

     +

     19   0 

     
     0      1      2      3      4
 
     
     A      C      F      0      4
 

     При суммировании может возникать перенос из разряда A19 в A20. Этот перенос игнорируется.

     К данным можно обратиться через индексные регистры SI и DI; причем индексный регистр хранит смещение на адрес ячейки памяти, откуда данные можно извлечь. А DI хранит смещение на адрес ячейки памяти, куда данные можно направить: DS (SS, CS, ES) + SI = ФА данных; ES + DI = ФА данных. Обращение через регистр BX: ES (CS, SS, DS) + BX = ФА данных. Такая модульная организация памяти посегментно позволяет писать программы в виде отдельных модулей.

 

      Структурная схема в минимальном режиме

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      Структурная схема в максимальном режиме.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Функциональные возможности комплекта К1810 позволяют организовать многопроцессорное вычисление системы. Задачу согласования многопроцессорной системы решает арбитр шин К1810ВБ89.

     Контроллер системной шины К1810ВГ88

     Контроллер предназначен для работы в составе микропроцессорной системы и обеспечивает подключение к ней памяти и внешних устройств, Функциональные возможности МС: позволяет организовать конфигурацию вычислительной системы имеющей 2 магистрали: системная шина и резидентная шина. К системной шине подключается память, к резидентной - устройства в/в.

     Входы S0-S2 - предназначены для подключения к центральному микропроцессору.

     Функционирование микросхемы осуществляется на основании следующего кода:

     

     CLK -подключение системного генератора;

     AEN - строб управления выдачи командных сигналов контроллера (используется в случаях обращения к резидентной шине в/в.);

     СEN - сигнал управления при каскадировании ВГ88;

     IOB - признак обращения к системной шине («0» -системная шина, «1» - резидентная шина);

     MRDC - системный сигнал чтения из памяти;

     MWTC - системный сигнал записи в память;

     AMWC - опережающий строб при обращении к памяти;

     IORC - системный сигнал ввода;

     IOWC - системный сигнал вывода;

     AIOWC - опережающий строб;

     INTA - системный сигнал подтверждения прерывания;

     DEN - строб сопровождения данных для фиксации в регистры-защелки;

     ALE - строб сопровождения адреса в регистр-защелку;

     OT/R - сигнал определяющий направление передачи информации («0» - запись в память; «1» - считывание);

     STB - сигнал стробирования адреса;

     PDEN - используется при каскадировании контроллеров системной шины в микропроцессорные вычислительные системы.

 

      Функциональная схема включения.

       
 Данная функциональная схема используется при работе микропрцессора в максимальном режиме при организациях многопроцессорных систем.

     При обращенях к памяти и внешним устройствам очень сильно отличается по быстродействию. Поскольку многопроцессорные системы организовываются для решения сложных задач, требующих большого быстродействия, то нужно выполнять разделение обращения к внешним устройствам и памяти.

     Схема включения арбитража шин при последовательном методе

       
 
 
 
 
 
 

 

      В этом случае приоритетный контроллер имеет связь с шиной данных. В состав приоритетного контроллера входят схемы циклического перераспределения приоритетов.

     Арбитр шин может обслуживать 2 микропроцессора: 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     RQ/GT - обеспечивает доступ к линии связи только одному МП. Выходы другого в этот момент находятся в 3-м состоянии. Дешифратор адреса определяет адрес всей конкретной схемы. Их в многопроцессорной схеме может быть много.

     Для подключения к системной или резидентной шине используется контроллер системной шины К1810ВГ88.

     Интерфейсы микропроцессорных систем

 
     

     Интерфейсы предназначены для организации взаимодействия между микросхемами организующими функциональные модули при построении вычислительной системы. Для организации взаимодействия между вычислительной машиной при организации вычислительных комплексов. Интерфейсы регламентируют правило взаимодействия между всеми функциональными модулями микропроцессорной системы, устанавливают взаимодействие и определяют протоколы и порядок обмена информацией.

     Конфигурации интерфейсов разработаны исходя из следующих требований:

  • получение нужного быстродействия и организации стандартного обмена информацией между блоками вычислительной системы независимо от их быстродействия;
  • простота наращивания структуры многопроцессорного комплекса и возможность доступа для диагностики;
  • широкая область применения.

     Электрические соединения между выводами микросхем выполняются электрическими связями или линиями. Эти линии сгруппированы по определенному функциональному назначению образуют шину адреса, шину данных и шину управления. Совокупность шин образует магистраль. В зависимости от функционального назначения интерфейсы классифицируются по следующим принципам:

  • по способу создания функциональных модулей;
  • по способу передачи данных - параллельный, последовательный и последовательно-параллельны;
  • по режиму передачи данных - односторонние, 2-х сторонние, одновременная или поочередная передача.
  • по принципу обмена информацией - синхронный и асинхронный.

     Интерфейсы в системе MULTIBUS.

     Предназначены для организации микропроцессорных модулей. На базе МП К1810 разработаны 2 разновидности интерфейсов - I и II.

     Интерфейс в системе MULTIBUS состоит из 5-ти магистралей: 

     
  • параллельная системная;
  • параллельная локальная магистраль LBX;
  • многоканальная магистраль в/в MSW;
  • локальная в/в SBX;
  • управляющая последовательная магистраль - BITBVS;
  • последовательная системная магистраль - SSB.

         

     Параллельная локальная магистраль.

     LBX предназначена для подключения к вычислительной системе дополнительных блоков или модулей памяти. С ее помощью можно подключить от 2-х до 5-ти модулей памяти.

     Функциональные возможности: может позволить организовать по ней обмен информацией в режиме прямого доступа к памяти. Линии этого интерфейса стандартизованы, образуют 60-ти проводниковый жгут и имеют следущее функциональное назначение:

     AB0-AB23 - линия шины адреса;

     DB0-DB15 - линия шины данных;

     TRAP - разряд проверки четности;

     BHEN - разрешение на передачу старшего байта.

     ASTB - строб сопровождения информации об адресе;

     DSTB - строб сообщения данных;

     R/W - сигнал записи/чтения;

     XACK - подтверждение передачи в устройство;

     LOCK - блокировка магистрали;

     SHRA - запрос на переход в режим прямого доступа к памяти;

     SMACK - ответ на переход в режим прямого доступа к памяти.

     CN0 - линия заземления.

     Магистраль работает в режиме чтения/записи данных. Информация об адресе сопровождается сигналом ASTB, а данных DSTB. Подтверждение приема сопровождается сигналом XACK, обмен информацией происходит в параллельном коде.

     Магистраль многоканального в/в MSN.

     

     Предназначена для освобождения системной магистрали от операции в/в при обращении к внешним устройствам. С помощью этой магистрали можно подключить до 16-ти внешних устройств передающих 8 либо 16 разрядные данные со скоростью 8 Мбайт/с. Максимальная длинна этой магистрали до 15 метров. Выполняется в виде стандартного 60-контактного жгута, линии которого имеют следующее функциональное назначение:

     AD0-AD15 - мультиплексированная шина адреса/ данных;

     GND - линия заземления;

     PB,*PB - дифференциальные сигналы дополнения данных до четности.

     R/W,*R/W - дифференциальные сигналы чтения /записи.

     A/D,*A/D -Дифференциальные сигналы управления адресом/данными;

     DRDY,*DRDY - дифференциальные сигналы готовности информации на шине А/D;

     AACC - признак приема адреса исполнителем;

     DACC - ответ исполнителя при приеме данных;

     STQ - завершение процедур обмена;

     SRQ - запрос состояния устройства для передачи информации;

     RESET - сброс;

     SA - готовность передатчика информации.

     Магистраль локального в/в SBX.

     Предназначена для подключения к одноплатным вычислительным машинам дополнительные платы сопроцессора. Подключается плата с расширенной 2-й системой, арифметикой, графикой. Магистраль имеет 60-ти проводную структуру, линии которой имеют следующее назначение:

     MA0-MA2 - младшие разряды адреса, задающие адрес порта при подключении сопроцессора;

     MCS0-MCS1 - сигналы выбора микросхем в плате микропроцессора;

     MD0-MDF - 16 линий данных;

     

     IORD - сигнал сопровождения адреса при выдаче информации из сопроцессора;

     IOWRT - сигнал сопровождения адреса при выдаче информации в сопроцессор;

     RESET - сброс линии или начальная установка;

     MWAIT - ожидание сигнала сопровождения процедуры обмена сопроцессора;

     MDRQT - запрос режима прямого доступа к памяти у ЦП;

     MDACK - подтверждение прямого доступа к памяти;

     TDMA - сигнал завершения работы каналов прямого доступа к памяти;

     MCLK - сигнал синхронизации для сопроцессора;

     MPST - признак наличия модуля расширения, сопроцессора.

     С помощью магистрали можно подключить 8 сопроцессоров со скоростью передачи информации не более 10 Мбайт /с.

     Магистраль связи BITBUS.

     Последовательная управляющая магистраль, предназначенная для передачи информации в режиме синхронной передачи до 30 метров, в режиме асинхронной передачи до нескольких километров. В режиме синхронной передачи скорость может быть 500 Кбит/с либо 2,4 Мбит/с.

     В режиме асинхронной передачи скорость может быть - 62,5 Кбит/с либо 375 Кбит/с.

     Магистраль предназначена для регистрации локальных сетей. Физически она представляет собой 9-ти канальный жгут проводов, имеющий функциональное назначение.

     DATA,*DATA - дифференцированная сигнальная пара - линия для передачи данных.

     DCLK / RTS, *DCLK / RTS - дифференциальная пара - сигнальная, синхронизации управления.

Микропоцессорные и программные средства систем управления техники