Структурная схема микропроцессорной системы на основе микропроцессорного комплекта К580

Структура, организация микро ЭВМ

• Микропроцессор является основным компонентом любого микрокомпьютера или микро-ЭВМ.

• В основу построения микро-ЭВМ положено три принципа:

• Модульность — в языках программирования — принцип, согласно которому логически связанные между собой подпрограммы, переменные и т. д. группируются в отдельные файлы (модули).

• Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной.

• Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления.

• Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.

• Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ.

• Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных.

• Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).

Принципы фон Неймана

• Принцип программного управления обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ.

• Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

• Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

• Иногда этот принцип называют «принцип хранимой команды»

• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.

Структура типового МП

• Шина данных (Data Bus) 8-ми разрядная, т.к. разрядность микропроцессора КР580ВМ80А равна 8-ми (D0-D7). (D0 – младший разряд, D7 – старший разряд, всего 8 разрядов).

Предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам, а также в обратном направлении (двунаправленная)

• Шина адреса (Address Bus), 16-ти разрядная (А0-А15), служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес.

• Шина управления (Control Bus), постоянной размерности не имеет, состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию.

• Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных, для подтверждения приема, сброса данных, или для сброса всех устройств в исходное состояние

• ОЗУ хранит информацию только при наличии напряжения питания. ОЗУ-это простейший регистр построенный на D – триггерах.

• ПЗУ - предназначено для долговременного хранения информации, её нельзя оперативно менять. В ПЗУ информация записывается один раз либо в процессе производства, либо непосредственно перед применением, при помощи специальных программаторов.

• Соединение всего многообразия внешних устройств с шинами МК осуществляется с помощью интерфейсов, которые следует понимать как унифицированное средство объединения различных устройств в единую систему.

• ППА –программируемый параллельный адаптер КР580ВВ55.

• ПСА – программируемый связной адаптер КР580ВВ51.

• Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через порты ввода/вывода.

• Для микропроцессора Intel 8080 общее число портов ввода/вывода может составлять 256.

• В качестве внешних устройств используются клавиатура, дисплей, принтеры, датчики и т.п.

• Микропроцессор Intel 8080A ориентирован на работу с памятью, имеющую байтовую организацию (8 бит). Это значит, что микропроцессор считывает информацию побайтно.

• Программа и данные хранятся в памяти в ячейках длиной 1 байт (8 бит); каждая ячейка имеет адрес длиной 2 байта (16 бит). Всего процессор может напрямую обращаться к 64К памяти.

Схема подключения выводов микропроцессора КР580ВМ80А и их назначения.

Выводы синхронизации:

• F1, F2 – выводы двух неперекрывающихся последовательностей синхроимпульсов;

• SYNC – выход синхронизации, сигнал определяет начало каждого машинного цикла команды;

• RESET – вход сигнала начальной установки процессора. После прекращения действия сигнала программный счетчик устанавливается в нулевое состояние и процессор начинает работать с нулевого адреса.

Выводы управления ожиданием:

• READY – готово внешнее устройство (READY = 1) или не готово (READY = 0). Синхронизирует обмен информации с внешними устройствами.

• WAIT – указывает, что процессор находится в состоянии ожидания (WAIT = 1).

Выводы управления памятью:

• WR – управление записью в память или во внешние устройства; низкий уровень указывает, что процессор выдал данные на магистраль данных D7-D0.

Выводы управления магистралью данных:

• DBIN – указывает, что магистраль данных (D7-D0) находится в режиме приема. Используется для управления чтением данных из памяти или внешнего устройства.

Выводы управления прерыванием:

• INT – запрос прерывания внешним устройством, запрашивающих обмен с процессором в режиме прерывания.

• INTE – выход сигнала разрешения прерывания (INTE = 1), указывающего на то, что процессор готов к обмену в режиме прерывания; (INTE = 1 – если готов, INTE = 0 – если не готов).

Выводы управления захватом магистралей в режиме ПДП:

• HLD – вход запроса захвата магистралей D7-D0 и магистрали адреса А15-А0 внешними устройствами. Процессор переходит в режим ЗАХВАТ и отключает магистрали D7-D0 и А15-А0 (переходит в высокоимпедансное состояние).

• HLDA – выход подтверждения захвата. Указывает, что процессор находится в состоянии ЗАХВАТ. Магистрали данных и адреса при этом отключены от выводов.

Командный цикл микропроцессора

• Выполнение команд в МП осуществляется в строго определенной последовательности обусловленной рядом факторов, в том числе используемыми синхросигналами. В основе работы МП лежит командный цикл - действия по выбору из памяти и выполнению одной команды. В зависимости от типа и формата команды, способов адресации и числа операндов командный цикл может включать в себя различное число обращений к памяти и ВУ и следовательно - иметь различную длительность.

Машинные циклы и их идентификация

• Действия МПС по передаче в/из МП одного байта данных/команды называются машинным циклом.

• Командный цикл представляет собой последовательность машинных циклов (МЦ), причем КЦ i8080 может содержать от 1 до 5 МЦ.

• МЦ может состоять из нескольких машинных тактов.

• Машинный такт (Т) – это период синхросигналов. Его длительность может быть установлена в некоторых пределах. В МП КР580 длительность может быть установлена произвольно в диапазоне 0,5…2 мкс (при тактовой частоте 2 МГц)

• МЦ микропроцессора i8080 предусматривает возможность обмена как в синхронном, так и в асинхронном режиме.

• Если в составе МПС использованы только "быстрые" устройства, т.е. такие, которые могут работать с тактовой частотой МП, то передача информации в МЦ осуществляется в синхронном режиме.

• При работе с "медленными" устройствами, быстродействие которых не позволяет переключаться с частотой тактового генератора МП, необходимо "растянуть" во времени МЦ, реализовав асинхронный принцип обмена.

Принципы программирования микропроцессоров.

• Все языки программирования условно можно разделить на три уровня:

• машинный код;

• автокод (язык ассемблера);

• языки высокого уровня (процедурные языки и языки искусственного интеллекта.

Ассемблерная мнемоника

• Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка.

• Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами памяти.

Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80А (i8080А)

• Микропроцессор КР580ВМ80А реализован на основе общей внутренней магистрали данных и включает в себя следующие функциональные узлы: блок регистров с адресной логикой; блок АЛУ; двунаправленную буферизованную магистраль данных; блок управления и синхронизации.

Блок регистров

• Содержит шесть 16-ти битовых регистров, образующих статическую память с произвольным доступом (регистр – пространство из восьми бит, схема или устройство хранения информации).

• Три из них могут использоваться как шесть отдельных 8-ми разрядных программно-доступных регистров B, C, D, E, H, L общего назначения для хранения операндов или как три 16-ти разрядных программно-доступных пары BC, DE, HL для хранения адресов или двухбайтовых операндов. При выполнении арифметических и логических операций с регистровой адресацией в регистрах хранятся 8-ми разрядные операнды, которые передаются в АЛУ для участия в операции. Второй операнд и результат операции хранятся в блоке АЛУ.

• Содержимое каждого из регистров можно переслать в блок АЛУ или в память через 8-ми битовые мультиплексоры (МП) и внутреннюю магистраль данных.

Регистр-счетчик (РС)

• Используется в качестве программного счетчика и хранит адрес текущей команды программы.

• Его содержимое автоматически увеличивается после выборки каждого байта команды схемой адресной логики.

• Загрузка и выдача содержимого РС осуществляется через мультиплексоры и внутреннюю магистраль данных.

Указатель стека (SP)

• SP хранит адрес ячейки стековой области памяти, к которой было сделано последнее обращение.

• Содержимое SP уменьшается на 1 перед каждым занесением слова в стек или увеличивается на 1 после каждого извлечения из стека.

Пара регистров W и Z

• Это 8-разрядные регистры. Они недоступны программисту. Используются для запоминания двухбайтовых и трёхбайтовых команд перехода, передаваемых с внутренней магистрали данных в счётчик команд

Адресная логика

• предназначена для хранения, программного изменения и выдачи на магистраль А15-А0 адресов данных и команду.

• Она содержит буферный регистр адреса (БРА), логическую схему инкремента-декремента (СИД) и адресный буфер.

• Буферный регистр адреса принимает и хранит адрес с любого 16-ти разрядного регистра. Его выход связан со входами СИД и БРА.

Блок АЛУ.

• Предназначен для выполнения арифметических и логических операций над числами в параллельном 8-ми разрядном двоичном коде.

• Информация обрабатывается в АЛУ с использованием регистра временного хранения (ВР), аккумулятора временного хранения (ВА), аккумулятора (А) и регистра признаков F.

Регистр флагов F

• 8 разрядный регистр, содержащий информацию о текущем состоянии микропроцессора.

• Имеет пять однобитовых флагов состояния, которые индицируют результаты выполнения арифметических и логических операций. В зависимости от состояния этих флагов некоторые машинные команды могут изменять последовательность выполнения команд в программе.

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
S	Z	-	AC	-	P	1	CY

Двунаправленная магистраль данных

• Служит для организации связи микропроцессора с другими микросхемами, входящими в состав микро-ЭВМ.

• Она включает в себя внутреннюю магистраль данных, буфер данных (БД) и соединена с выводами магистрали данных D7-D0 микропроцессора.

• Буфер данных – 8-ми разрядный двунаправленный с тремя состояниями – предназначен для развязки внутренней и внешней магистрали данных. Он состоит из буферного регистра данных и формирователей.

• В режиме вывода информация с внутренней магистрали загружается в буферный регистр, а затем передается на внешнюю магистраль данных через формирователи.

• При вводе данные из внешней магистрали через формирователи непосредственно передаются на внутреннюю магистраль. Буферный регистр данных при этом отключается. Он отключается также при выполнении операций, не связанных с передачей информации процессором.

Блок управления и синхронизации

• Предназначен для приема команд, синхронизирующих и управляющих внешних сигналов, а также для формирования внутренних сигналов микроопераций и внешних синхронизирующих и управляющих сигналов.

Он содержит регистр команд (РК), дешифратор команд (ДшК), схемы формирования машинных циклов и другие устройства.

Способы адресации микропроцессора

• Микропроцессор I8080/8085 использует пять способов адресации: неявную, регистровую, непосредственную, прямую, косвенную регистровую.

• Неявная адресация В команде операнд явно не задается, он подразумевается (например команда СМА).

• Регистровая адресация Когда используются команды с этим способом адресации, операция и источник данных (операнд) точно определены.

• Операнд отыскивается микропроцессором во внутреннем регистре микропроцессора (например команда MOV D,C).

• Непосредственная адресация Команды непосредственной адресации являются командами, по которым данные следуют непосредственно за командой.

• Прямая адресация В случае прямой адресации второй и третий байт команды прямо указывают на расположение операнда в памяти. Это команды трехбайтового формата (исключение составляют ввода/вывода).

• Косвенная регистровая адресация . Команды с такой адресацией обращаются в память, используя содержимое пары регистров для указания на адрес операнда. Если в мнемонике команды стоит буква М, то операнд находится в памяти по адресу, записанному в регистровой пара HL.

Основные группы операций.

• Микропроцессоры выполняют набор команд, которые реализуют следующие основные группы операций:

• операции пересылки,

• арифметические операции,

• логические операции,

• операции сдвига,

• операции сравнения и тестирования,

• битовые операции,

• операции управления программой;

Команды ветвлений и переходов микропроцессора Intel 8080

• Команды ветвлений содержат группы команд перехода, вызова, возврата и повторного запуска.

• Эта группа команд изменяет последовательный нормальный ход программы.

• Команды переходов существуют двух типов – безусловного и условного переходов.

• Безусловные переходы просто выполняют операцию перехода по указанному адресу; условные – проверяют состояние одного из индикаторов микропроцессора.

• Условия, которые проверяются командами условных переходов, задаются в следующей форме:

• Условия:

• JNZ – не нуль(Z = 0)

• JZ – нуль(Z = 1)

• JNC – нет переноса(CY = 0)

• JC – перенос (C = 1)

• JPO – нечетность (P = 0)

• JPE – четность (P = 1)

• JP – плюс (S = 0)

• JM – минус (S = 1)

• JMP addr (Jump). Переход или ветвление (РС) addr. Управление передается команде, адрес которой установлен в байте 2 и 3 текущей команды.

Команды стека, ввода/вывода и управления микропроцессором
Intel 8080А

• Эти команды выполняют операции помещения в стек и извлечения из него, ввода и вывода данных, обмен данными, подтверждения и запрета прерываний, останова процессора.