Вычислительные машины

Содержание

Введение

   Вычислительные машины (ВМ) представляют собой комплекс технических средств, имеющих общее управление, предназначенный для автоматической обработки информации по заданной программе. Цифровые ЭВМ оперируют с информацией, представленной в дискретной форме в виде общепринятой для записи и чтения символике набором цифр, букв и знаков какого-то заранее установленного алфавита, имеющего конечное число символов.

   В конце 60-х годов начался серийный выпуск сравнительно небольших и дешевых мини-ЭВМ. Их предназначали для предприятий и организаций, где установка высокопроизводительных ЭВМ была экономически невыгодной. В их задачу первоначально входила автоматизация профессиональной работы в различных организациях, работа на предприятиях в качестве проблемно ориентированных ЭВМ. В 1977-78 году был начат выпуск семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Их часто называли управляющими вычислительными комплексами, так как они чаще всего использовались в системах управления различного рода. Однако, СМ третьей очереди, разработанные в последние годы относятся уже к ЭВМ четвертого поколения и имеют большую производительность, поэтому круг их применения резко расширился, и их активно используют в качестве автоматизированных рабочих мест, объединяют в вычислительные системы, и поручают им расчет экономических и статистических задач. С появлением больших интегральных схем связано развитие другого класса машин – микро-ЭВМ, и, как достижение этого направления - появление мощных профессиональных ПЭВМ, которые используются на рабочих местах для автоматизации труда, несложных расчетов и различного рода проектирования.

Проектирование микро-ЭВМ включает в себя разработку устройства управления и операционного устройства. Устройство управления содержит два блока (центральное и местное устройства управления).

   Устройства управления являются микропрограммными устройствами. Центральное устройство управления предназначено для выборки команд, их декодирования и подготовки операндов, а также поддержания работы местного устройства управления. Местное устройство управления управляет работой АЛУ, формирует сигналы управления передачей данных между отдельными элементами проектируемой микро-ЭВМ. Последовательность формирования управляющих сигналов определяется микропрограммами, хранящимися в ПЗУ микрокоманд обоих устройств.

   Операционная часть микро-ЭВМ включает в себя регистры общего назначения (для хранения операндов) и АЛУ. Функционирование микро-ЭВМ осуществляется программой, которая хранится в оперативной памяти.

   Для написания программ используют языки низкого и высокого уровней. Языки низкого уровня — машинно-зависимые языки, так как при программировании любого класса задач на этих языках непосредственно учитываются особенности построения и функционирования ЭВМ, на которой будет решаться данная задача. В отличие от машинного языка языки низкого уровня называют машинно-ориентированными языками. Преимуществом использования этих языков является то, что по сравнению с программами на машинном языке программы на машинно-ориентированном языке получаются более короткие. Примером широко используемого машинно-ориентированного языка является язык Ассемблер.

   Языки высокого уровня — машинно-независимые языки, так как при программировании задач на этих языках отпадает необходимость знать, на какой ЭВМ будет решаться данная задача. Средства этих языков ориентированы на дальнейшее сокращение трудоемкости программирования. К языкам высокого уровня относят процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки.

Постановка задачи

1. Спроектировать микроЭВМ с подробной разработкой АЛУ;
2. изучить заданный набор БИС;
3. построить структурную функцию схему микроЭВМ на этом наборе БИС;
4. разработать схему электрической принципиальной заданного блока микроЭВМ.

1. Изучение заданного набора БИС

   Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.)(рис.1.)

Рис. 1. Большая интегральная схема.

1.1. Технология изготовления:

1.1.1.Полупроводниковые интегральные микросхемы.(Рис.2)

   Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

   Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Рис.2. Полупроводниковая интегральная микросхема.

   Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

1.1.2.Пленочные интегральные микросхемы.(Рис.3)

   Второй разновидностью микросхем являются пленочные микросхемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Бо­лее совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхемы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

   Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными площадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой электропроводностью (алюминий, медь, золото).

   Электрическое сопротивление такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины ре-зистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно получить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопротивления (50 — 500)-10-6 град-1. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см2. Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Рис.3. Пленочная интегральная микросхема

1.1.3.Гибридные интегральные микросхемы.(Рис.4)

   Гибридные микросхемы изготавливают на диэлектрической подложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контактные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напылением. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и межсоединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функционального узла.

   На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные полоски Ri, R2, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропроводность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоединения и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет наносят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвертый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конденсатора 02. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

Рис.4. Гибридная интегральная схема.

1.2. Вид обрабатываемого сигнала:

   Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

   Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании 5,2 В: логическая единица — это 0,8…1,03 В, а логический ноль — это 1,6…1,75 В.

   Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

   Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на запыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.

Рис.5. Современная интегральная микросхема

2. Построение структурной схемы микроЭВМ на этом наборе БИС

Рис.6. Микропроцессорная Большая интегральная схема

   Микропроцессорная БИС, представленная на рис.6, включает в себя следующие функциональные блоки:

- блок регистров;

- арифметическо-логический  блок;

- устройство управления (УУ);

- буферные схемы шины  данных (БФД) и шины адреса (БФА).

   Секция регистров включает шесть 16-разрядных регистров: W,Z,B,C,D,E,H,L; РС (программный счетчик) и SP (указатель стека). Шесть 8-разрядных регистров общего назначения составлены в пары регистров:B,C; D,E; H,L. Они могут быть использованы в программах как отдельные 8-разрядные регистры или как три 16-разрядных регистра (B,D,H).

   Программный счетчик РС содержит текущий адрес памяти, к которому обращается программа. Содержание РС автоматически изменяется в течении каждого цикла команды.

   Указатель стека SР содержит адрес памяти, начиная с которого ее можно применять для хранения и восстановления содержимого программно- доступных регистров МП БИС. Указатель стека SP служит для работы со стековой памятью и определяет адрес последней занятой ячейки стека.

  Буферные регистры 0W,Z не являются программно доступными регистрами и используются для выполнения команд внутри МП БИС.

Рис.7. Структурная схема микропроцессора.

   Арифметическо-логический блок выполняет арифметические и логические операции под воздействием устройства управления МП БИС. Он включает в себя 8-разрядное АЛУ, схему десятичной коррекции ДК, построенной на базе ПЗУ, 5-ти разрядный регистр признаков, аккумулятор А, буфер аккумуляторя БФА и буферный регистр БФРг. Арифметическо-логический блок позволяет осуществить арифметические операции сложения, вычитания, а также основные логические операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ) и сдвиг. При проведении операции одно число всегда берется из буфера аккумулятора, а другое - из буферного регистра. По результату выполнения арифметико-логических операций АЛБ устанавливает в регистре признаков пять знаков.

   Признак переноса (Carry - C) устанавливается в единицу, если при выполнении команд появляется единица переноса из старшего разряда.

   Дополнительный признак переноса (Auxiliary carry - АС) устанавливается в единицу, если при выполнении команд возникает единица переноса из третьего разряда числа. Состояние разряда может быть проанализировано лишь командой десятичной коррекции числа.

   Признак знака (Sign - S) в машинном слове можно представить числом от -128 до 127. В этом случае седьмой (старший) разряд числа - его знак. Единица в седьмом разряде при такой записи будет указывать на отрицательное число, а ноль- на положительное.

   В разряд нулевого признака (Zero -Z) записывается единица, если при выполнении команды результат равен нулю.

   В разряд признака четности (Parity - P) записывается единица, если при выполнении команды количество единиц в разрядах результата будет четным.

Регистр команд РгК и дешифратор команды ДШК используются в МП БИС для получения и дешифрации кода команды. При извлечении команды первый байт, содержащий ее код, помещается в регистр команды и поступает на дешифратор команд. Дешишифратор совместно с устройством управления и синхросигналами Ф1 и Ф2 формируют управляющие сигналы для всех внутренних блоков МП БИС, а также его выходные сигналы управления и состояния.

   Выполнение каждой команды производится в МП БИС в строго определенной последованности, определяемой кодом команды, и синхронизируется во времени сигналами Ф1 и Ф2 тактового генератора.

   Период синхросигналов CLK1 и CLK2 называется МАШИННЫМ ТАКТОМ (Т). Длительность машинного такта Т может быть установлена произвольно в диапазоне от 0.5 до 2 микросекунд.

   При использовании МП БИС необходимо ясно представлять динамику его работы, т.е. на каких магистралях, в зависимости от каких управляющих сигналов и когда МП БИС будет выдавать ту или иную информацию. Это в дальнейшем поможет понимать работу схем, позволяющих согласовывать ее с различными периферийными устройствами микро-ЭВМ.

   При анализе процессов будем использовать следующие понятия:

Машинный цикл (М)-время , требуемое для извлечения из памяти один байт информации или выполнение команды, определяемой одним машинным словом. Машинный цикл может состоять из 3-5 машинных тактов.

   Время выполнения команды - время получения, декодирования и выполнения команды.

   В зависимости от вида команды это время может состоять из 1-5 машинных циклов. Для МП БИС КР580ИК80 существует 10 различных типов машинных циклов:

1. Извлечение кода команды (М1).

2. Чтение данных из  памяти.

3. Запись данных в память.

4. Извлечение из стека.

5. Запись данных в стек.

6. Ввод данных из внешнего  устройства.

7. Запись данных во  внешнее устройство.

8. Цикл обслуживания прерывания.

9. Останов.

10. Обслуживание прерываний  при работе МП БИС в режиме  останова.

   Тип выполняемого цикла МП указывает на первом такте каждого машинного цикла с помощью 8-разрядного слова состояния, выдаваемого на ШД.

3. Разработка схемы электрической принципиальной

заданного блока микроЭВМ

3.1 Разработка схемы электрической структурной учебного комплекса по интерфейсам ввода-вывода.

   На основе анализа существующих лабораторных установок и стендов, выдвинутых технических требований к учебному комплексу следует, что разрабатываемый учебный комплекс должен иметь универсальную структуру.

Учебный комплекс, имеющий универсальную структуру, позволяет наглядно иллюстрировать работу реальной микропроцессорной системы и состоять из нескольких лабораторных установок. К лабораторной установке с универсальной структурой можно отнести УМПК1810, структурная схема которого представлена на (рис.8). Данная лабораторная установка позволяет наглядно проследить процессы, протекающие в параллельном интерфейсе, за это отвечает блок параллельного интерфейса (БПИ), а также блок клавиатуры и дисплея (БКД). Наглядно проследить процессы, протекающие в параллельном интерфейсе, способствует подключение блока запоминающих устройств (БЗУ) и блока дешифрации адреса (БДА), что также упрощает схему.

   Схема БДА построена таким образом, что сигнал разрешения работы системной магистрали выдается тогда, когда ни на резидентной, ни на канальной магистрали нет устройств, распознавших свой адрес, а также текущий цикл не является циклом обработки прерываний.

    В секционируемых микропроцессорных БИС широкое применение получила открытая структура устройства. К такому типу лабораторных установок относится УМПК серии К589.

   Секционируемые микропроцессорные БИС представляют собой класс полупроводниковых приборов, позволяющих для каждого конкретного применения строить вычислительные устройства со структурной схемой.

Рис.8. Структурная схема лабораторного оборудования

с универсальной структурой серии 1810

   Малая разрядность микропроцессорных модулей (обычно 2, 4, 8 разрядов) открывает возможность для одного корпуса БИС формировать большое число информационных магистралей, чем в микропроцессорных комплектах с фиксированной разрядностью. Выведенные на внешние контакты микросхем магистрали секционируемых микропроцессорных БИС дают возможность разработчикам вычислительных устройств реализовать микро-ЭВМ с архитектурой, учитывающей область ее применения.

   Устройство управления микро-ЭВМ на секционируемых БИС обычно выполнено в виде самостоятельного блока и может иметь различную структуру в зависимости от решаемых задач. Рабочие программы могут вводиться на языке микроопераций, при этом наилучшим образом учитываются возможности используемых микропроцессорных БИС, однако процесс программирования характеризуется повышенной трудоемкостью.

    Для программирования на командном уровне устройство управления должно обеспечить реализацию системы команд и специальных команд управления, осуществляющих работу со стековой памятью и режимом прерывания.

Рис.9. Лабораторное оборудование для исследования

микропроцессорных систем серии 589

   Структура универсальной конструкции, представленной на (рис.9), содержит операционный блок (ОБ), представляющий собой 8-разрядный блок обработки данных. Реализован блок на четырех БИС центрального процессорного элемента. Микропрограммное устройство управления (МУУ) входящее в структуру открытой конструкции реализовано на регистрах и обеспечивает последовательность выборки команд в соответствии с алгоритмом решаемой задачи, формирует управляющие коды для операционного блока и совокупность управляющих сигналов, обеспечивающих совместную работу блоков при выполнении команд.

   Адресный расширитель (АР) предназначен для формирования 16-разрядной адресной магистрали. Шинный формирователь (ШФ) в свою очередь предназначен для формирования 8-разрядной информационной магистрали.

   В данной лабораторной установке, построенной на основе секционируемых БИС МПК серии 589, существует возможность использовать в учебном процессе одни и те же внешние устройства, что и в УМПК580.

   Лабораторная установка УМПК589 обладает свойством универсальности, то есть позволяет использовать внешние устройства от УМПК1801, УМПК1810. Программное обеспечение УМПК589 имеет двухуровневую структуру.

   Нижний уровень представляет собой микрокоманды, реализующие систему команд однокристального микропроцессора КР580ВМ80. Верхний уровень программного обеспечения представляет собой управляющую программу, обеспечивающую согласованную работу всех блоков микро-ЭВМ процессора KP580BM80. Содержание и структура верхнего уровня программного обеспечения в УМПК589 аналогичны по назначению и содержанию управляющей программе УМПК580. Лабораторные установки, имеющие открытую структуру, обладают свойством универсальности.

   К универсальному типу лабораторных установок, реализованных на основе БИС КМ1816ВЕ48, является УМПК1816.

   Выбор серии К1816 в качестве базовой для построения комплекса обусловлен наличием в ней всех характерных особенностей, хорошим ее развитием, возможностью ее совместного использования с интерфейсами БИС серии К580, простотой реализации отладочных режимов.

Являясь специфическим оборудованием, лабораторная установка УМПК1816 удовлетворяет следующим требованиям:

   Возможность проведения экспериментов, с внутренними элементами, изучая их программирование и исследование различных режимов работы.

Изучение методов разработки и отладки программного и схемотехнического обеспечения, а также методов отыскания неисправностей.

   УМПК1816 имеет открытую структуру, позволяющую ей обладать свойством универсальности.

   С учетом необходимости гибкого изменения структуры и программного обеспечения в зависимости от целей и задач обучения комплекс построен на основе трех модулей.

   Все модули являются функционально завершенными устройствами, позволяющими решать задачи различных этапов изучения построения микроконтроллеров на основе УМПК1816.

   Базовый модуль (БМ) УМПК-48/ВМ, представленный на (рис.10) включает в свой состав:

Однокристальная ЭВМ (ОЭВМ) КМ1816ВЕ48.

Схему пошагового выполнения программ (СхПВП).

Линии ввода-вывода (ЛВВ).

Буферы магистралей данных (БМД).

Буферы магистралей управления (БМУ).

Схема формирования магистрали адреса (ФМА) для подключения внешних запоминающих устройств (ЗУ).

   Использование комплекса УМПК48 в качестве базового оборудования, для проведения учебного процесса, позволяет охватить весь круг проблем разработки однокристальных ЭВМ. Учебный процесс можно условно разбить на два этапа.

   На первом этапе выполняются лабораторные работы, направленные на изучение особенностей самой однокристальной ЭВМ: структуры, функционирования и программирования ее элементов (линий ввода-вывода, таймера, счетчика и так далее), временных диаграмм работы, системы команд и ориентированных на нее алгоритмов обработки информации, организации различных интерфейсных функций (параллельного и последовательного ввода-вывода данных, временных интервалов, прерываний и так далее).

Рис.10. Структура конструкции универсального лабораторного оборудования серии 1816

   На втором этапе обучения выполняется цикл работ, направленных на изучение способов расширения возможностей однокристальных ЭВМ за счет использования комплектов БИС серии 580, внешних ЗУ и тому подобное, организации отладочных режимов работы (пошаговое выполнение программ, эмуляция памяти команд), программного освоения разработки схемотехнического и программного обеспечения микроконтроллеров различных объектов, исследования способов применения кросс-средств при разработке и отладки программ для однокристальных ЭВМ, а также за счёт изучения методов отыскания неисправностей. В новом варианте комплекса, все средства, обеспечивающие возможность проведения экспериментов по исследованию функционирования однокристальных ЭВМ, и их наглядность сохранены.

Несмотря на более высокую сложность, базовое оборудование может также применяться в учебном процессе для макетирования устройств сопряжения с объектом или интерфейсом, необходимых пользователю.

   Учитывая тактико-технические требования, и проведенный анализ существующих лабораторных установок, определена структура разрабатываемой лабораторной установки, приведенной на (рис.11.):

Блок параллельного-последовательного интерфейса (ППИ).

Блок тактового генератора и синхроимпульсов (ТГиС).

Узел сброса (УС).

Блок постоянного запоминающего устройства (ШУ).

Контроллер устройства отображения (КУО).

Блок клавиатуры и отображения (БКО).

Формирователь отдельных команд (ФОК).

   Состав данного учебного комплекса соответствует тактико-техническим требованиям к лабораторным установкам.

   В ПЗУ зашита программа, которая включает в себя набор заданий для реализации определенных процедур. Программа позволяет выполнять задания для исследования параллельного интерфейса в ручном и автоматизированном режимах управления.

Рис.11. Структурная схема учебного комплекса для исследования режимов работы параллельного – последовательного интерфейса.

   Для выборки команд из ПЗУ служит блок ТГиС, который включает в себя тактовый генератор и схему образования синхроимпульсов. Тактовый генератор служит для обеспечения тактируемыми импульсами лабораторную установку при ее работе в автоматизированном режиме. Одиночные синхроимпульсы применяются для работы в ручном режиме, при выборе одиночных команд и при работе в режиме с определенным набором команд.

   Блок ППИ включает в себя параллельный и последовательный интерфейс и систему обеспечения его работы.

   Контроллер устройства отображения обеспечивает правильное и безошибочное отображение информации на индикаторном табло или на светодиодах.

   Устройство отображения предназначено для отображения сигналов и включает в себя два блока индикации. Первый блок индикации предназначен для визуального отображения состояний выходов логических схем. Данный блок содержит две линейки светодиодов: линейку А и линейку В. Второй блок индикации предназначен для отображения информации в виде цифр.

   Формирователь отдельных команд необходим при проведении лабораторных работ, связанных с определенным типом команд.

   Узел сброса позволяет вернуть всю лабораторную установку в исходное, то есть в нулевое состояние. Основные узлы лабораторной установки имеют входы, возвращающие их в исходное состояние. Это вызвано несколькими причинами:

Ошибка оператора при проведении исследований.