Микропроцессорные системы являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной техники. После появления первых микропроцессоров в 1971 г. число новых разработок микропроцессорных БИС достигло нескольких десятков и продолжает непреришно увеличиваться.

Однако интенсивное развитие производства микропроцессорной техники не упростило, как казалось сначала, а, наоборот, усложнило проектирование цифровых систем на их основе. Опыт разработки систем различного назначения показал, что ожидаемая от микропроцессоров универсальность является в значительной степени ограниченной; рост числа ТИПОВ выпускаемых микропроцессоров и микропроцессорных комплектов БИС подтверждает это. Разнообразие микропроцессорных БИС, выражающееся в их различной базовой технологии, архитектуре, технических характеристиках, поставило раз,заботчиков цифровых систем перед сложны.ми проблемами: каковы особенности этого класса устройств и тенденции его развития, чем отличается использование мощных микро-.ЭЕ-.Л от применения мини-ЭВМ, как проектировать системы на основе микропроцессоров, в чем заключаются особенности подходов к разработке программного обеспечения микро-ЭВМ и многие другие.

Решение .этих проблем требует от разработчиков систем глубоких знаний в различных областях «классической» цифровой вьчислитель-ной техники, включая технические и алгоритмические вопросы, детального представления особен юстей выпускаемых микропроцессорных БИС, а главное - оп.гта разработки систем на основе микропроцессоров.

Настоящее учебное пособие является одной нз первых попыток систематически изложить комплекс вопросов теории, организации, проектирования, технической реализации и практического применения микропроцессоров и микро-ЭВМ.

Основу пособия составляют общие вопросы организации и проектирования микропроцессорных систем, однако определенное внимание уделяется также особенностям конкретных типов микропроцессоров и микро-ЭВМ, без знания которых невозможно успешное изучение микропроцессорных систем. При этом анализируются типичные микропроцессорные комплекты, получившие наибольшее распространение в СССР и за рубежом.

Разработка микропроцессорных систем является сложной проблемой, стоящей на стыке общесистемных вопрЬсов с вопросами проектирования средств вычислительной техники и разработки программного обеспечения. Поэтому особое внимание в учебно j пособии уделено

.......а

эволюции аппаратных и программных средств вычислительной техники, микропроцессоров, микропроцессорных комплектов, микро-ЭВМ, программного обеспечения микро-ЭВМ и их применения. ; При изучении курса «Микропроцессоры и микропроцессорные системы» от читателя пособия требуется знакомство с основами курсов" «Матеуатические основы вычислительной техники», «Алгоритмические языки и программирование», «Элементы и узлы вычислительных машин», «Цифровые вычислительные машины и системы» и «Проектирование вычислительных машин».

Работая над учебным пособием, его авторы стремились изложить материал таким образом, чтобы он сохранял свою цельность и в то же время чтобы разделы пособия были достаточно автономными. В значительной степени это им удалось, что делает материал учебного пособия удобным для изучения студентами различных специальностей в различном объеме, а также для направленного ознакомления специалистов по конкретным вопроса,.

В основу настоящего учебного пособия положены курсы лекций, прочитанных авторами с 1976 г. на кафедре вычислительной техники Ленинградского ордена Ленина электротехнического института связи имени В. И. Ульянова (Ленина) для студентов специальностей «Электронные вычислительные машины» и «Прикладная математика», для слушателей факультетов повышения квалификации преподавателей и инженеров, а также Рсесоюзных и региональных семинаров по вопросам проектирования микропроцессорных систем. Кроле того, авторы широко использовали результаты научных исследований в области разработки проблемно-ориентированных средств вычислительной техники с регулярной структурой и минимальным числом типов модулей, проводимых на кафедре вычислительной техники с конца 60-х годов совместно с Институтом математики СО АН СССР, Институтом проблем управления АН СССР, Научно-исследовательским центром электронной вычислительной техники и рядом других научно-исследовательских и промышленных организаций страны.

список СОКРАЩЕНИЙ

АЦПУ - алфавитно-цифровое печатающее устройство

БА - буфер адреса

БД - буфер данных

БИС -большая интегральная схема

БМПУ - блок микропрограммного управления

БР - буферный регистр

ВС - вычислительная система

ЗУ - запоминающее устройство

ЗУК - ЗУ команд

ЗУПВ - ЗУ с произвольной выборкой

ЗУПО - ЗУ с последовательным обращением

ЗЭ - запоминающий элемент

ИС - интегральная схема

ИУВВ - интерфейсное устройство ввода-вывода

ИУВв - интерфейсное устройство ввода

ИУВыв - интерфейсное устройство вывода

МРВС

МФЗУ

НГМД

нкмл

ППЗУ ПУ

РА РК

РОИ ;

СОЗУ

у Вы в

УУВО

- ИС малой степени интеграции

- микрокоманда

- микропроцессор

- микропроцессорный комплект

- микропроцессорная система

- микропрограммное управление

- многофункциональные регулярные вычислительные структуры

- многофункциональный модуль

- многофункциональные запоминающие устройства

- накопитель на гибком магнитном диске

- накопитель кассетный на магнитной ленте

- накопитель на магнитном барабане

- накопитель на магнитном диске

.- накопитель иа магнитной ленте

- оперативгюе ЗУ

- плавкая вставка

- прямой доступ в память

- приборы с зарядовой связью

- постоянное ЗУ

- программируемая логическая матрица

- программное обеспечение

- полупостоянное ЗУ

- пульт управления -- регистр

- регистр адреса

- регистр команд

- регистр общего назначения ]

- регистр признаков .

- регистр слова

- 40 средр1ей степени интеграция <

- сверхоперативное ЗУ

- система памяти

- система программного обеспечения

- схема приоритетного прерывания

- устройство ввода-вывода

- устройство ввода

- устройство вывода

- устройство уггравления

- УУ выполнением операций

- цилиндрические магнитные домены

- шина адреса

- шина данных шина управления

Введение

I B.I. БОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ИХ ВПКЯНИЁ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

При создании автоматизированных систем различного назначения в качестве их основы широко используются два класса средств цифровой техники: а) устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем, и б) электронные вычислительные машины (ЭВМ).

Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое числе интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти схемы устанавливаются на платах, а их выводы соединяются в соответствии с реализуемыми устройством функциями. Любое изменение функций требует изменения схемы (т.е. перепайки соединений, замены ИС), конструкции, проверочных тестов. Поэтому главные недостатки систем на основе устройств с жесткой структурой - большое время проектирования и изготовления и трудности внесения изменений.

Системы на основе ЭВМ могут легко перестраиваться с реализации одной функции на другую, для этого достаточно составить и занести в память новую программу. При использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки систем. Однако высокая стоимость ЭВМ часто делает экономически нецелесообразной разработку цифровых систем на основе этого подхода.

Успехи полупроводниковой электроники привели к появлению больших интегральных схем (БИС) с плотностью размещения компонентов до десятков тысяч транзисторов на кристалле. Использование БИС позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем - увеличить ихпроизводительность и надежность, уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, а часто и снизить стоимость.

Однако применение БИС оказывает существенное влияние на принципы построения цифровых систем, на их архитектуру, логическую структуру, математическое обеспечение. В значительной степени изменяется весь характер проектирования, производства и эксплуатации таких систем. Опыт построения цифровых систем на основе БИС показал, что во многих случаях "возможность размещения в одном корпусе тысяч элементов не упростила, а усложнила проблему. Это усложнение имеет две причины.

Во-первых, разработчик обычно передает изготовителю функциональные схемы- и временные диаграммы работы устройства и просит реализовать их с помощью одной или нескольких БИС. При этом разработчик руководствуется тем, что БИС имеют высокую плотность

Cpeffmu odbBH . Sbmycm offmao шт

Стелет ишегдоции Рис. В.1

размещения компонентов и малую рассеиваемую мощность. Действительно, современная технология позволяет получить транзисторы очень малых размеров; однако существующие методы выполнения межсоединений обеспечивают значительно меньшую плотность. Логические устройства обычно характеризуются сложностью и разнородностью соединений при сравнительно небольшом числе активных компонентов. Поэтому такие устройства не могут эффективно использовать технологию БИС, которая в то же время обеспечивает очень высокую плвт-ность при изготовлении, например, запоминающих устройств (ЗУ) - устройств с высокой регулярностью межсоединений.

Во-вторых, стоимость заказных БИС, определяемая объемом их выпуска, является слишком высокой для большинства изготовителей БИС и цифровых систем (рис.В.1). Приведенные зависимости подразумевают, что для логических устройств увеличение степени интеграции приводит к увеличению степени специализации БИС. Когда логическое устройство, разрабатываемое для конкретного применения, выполняется на БИС, то эта (или эти) БИС также становится"

узкоспециализированной. Таким образом, отношение объема выпуска БИС к числу типов БИС с увеличением степени интеграции будет уменьшаться. Любое новое применение цифровых систем потребует новых БИС. Все это приводит к значительному повышению стоимости БИС. Поэтому, как правило*, заказные БИС экономически невыгодны ни для изготовителя ИС, ни для изготовителя цифровой системы.

Указанные обстоятельства привели к появлению нового подхода к проектированию цифровых систем - на основе программируемой логики. Этот подход предполагает использование при построении систем стандартной универсальной БИС (одной или нескольких), работающих под программным управлением. Таким образом, если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой может пользоваться для реализации необходимых функций только аппаратными средствами, то при построении систем на основе программируемой логики он получает в свое распоряжение как аппаратные, так и программные средства. Специализация системы осуществляется специализированной программой, управляющей стандартной универсальной БИС. Такая стандартная универсальная БИС получила название микропроцессора (МП). По своим функциям МП - это упрои1енный вариант процессора ЭВМ, т. е. это только часть микро-ЭВМ, для органи- зации которой требуется также память и устройства ввода-вывода информации.

* Применение заказных БИС может быть опргвдаио или при весьма ответственном назйачении щафроеой системы, или при высокой серийности системы или Отдельных БИС, например калькуляторов, электронных часов.