Лекция 34. микропроцессоры

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые вычисления, логическое проектирование, программирование, цифровая обработка информации и принятие решений стали возможными с 1951 г., когда был создан первый компьютер. На начальном этапе развитие ЭВМ шло в направлении увеличения их вычислительной мощи. Это были дорогостоящие комплексы, и далеко не все предприятия могли иметь даже одну централизованную ЭВМ для решения задач первостепенной важности. Применение цифровой техники для решения большого перечня частных задач, например, управление станками, приводом электродвигателей и т. д. было еще невозможно. Кроме того, на начальном этапе задачи программирования и проектирования электронных средств, в том числе самих ЭВМ, рассматривались как обособленные задачи.

С момента появления миникомпьютеров в 1965 году проблемы, с которыми сталкивались прикладные программисты и разработчики машин, стали переплетаться. Миникомпьютеры стали применяться как составные части систем, требующих быстрого принятия решений – систем реального времени.

С появлением в 1971 г. микропроцессоров началась эра программируемой логики. Теперь понятия программирования и принципы проектирования логических схем сблизились настолько, что от программиста требуется проектирования аппаратуры, а от проектировщика – полное понимание принципов программирования. Область применения микропроцессоров значительно расширилась. Сегодня они применяются в карманных калькуляторах и в кассовых аппаратах магазинов, в научных и бытовых приборах, в оборудовании контор и в медицинском оборудовании.

Создание микропроцессоров во многом стало возможным изобретению в 1959 г. интегральных схем, а несколько позже – больших интегральных схем (БИС), позволяющих размещать тысячи транзисторов на одной полупроводниковой подложке. Микропроцессор – это программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС – технологии. Отдельно взятое, такое устройство не может решить какую – либо задачу. Чтобы решить задачу, его нужно запрограммировать и соединить с памятью и устройством ввода / вывода. Совокупность микропроцессора, памяти и устройства ввода / вывода, направленная на выполнение определенной функции, называется микропроцессорной системой или микрокомпьютером. Таким образом, микропроцессор является основной частью – ядром микрокомпьютера. Одновременно он открывает возможность для применения программируемых устройств в тех логических системах, для которых фактор стоимости оказывается важнее, чем скорость и разнообразие вычислений. Именно программирование микропроцессора позволяет применять его к решению широкого класса задач.

В последние годы огромный интерес к микропроцессорам проявляют инженеры – проектировщики аппаратуры. Это объясняется тем, что ограниченный набор БИС, выполняющих вполне определенные функции, позволяет реализовать необходимое устройство цифровой обработки методами программирования. Относительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость в применениях ставят микропроцессорные наборы БИС вне конкуренции по сравнению с любой другой элементной базой цифровых устройств.

2. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

Обобщенная структурная схема микропроцессора приведена на рис. 34.1. Входящие в его состав программный счетчик (счетчик команд), стек, а также регистр команд служат для обработки команд. Команда – это кодовая комбинация (слово), предписывающая процессору определенное действие. Триггер переноса, АЛУ, общие (рабочие) регистры и регистр адреса данных предназначены для обработки данных (операндов). Дешифратор команд, а также блок управления и синхронизации (БУС) обеспечивают управление работой всей структуры. Взаимодействие всех функциональных узлов осуществляется по внутренним каналам передачи данных. Связь микропроцессора с запоминающим устройством и устройством ввода / вывода происходит по адресной шине, шине данных и управляющей шине.

Микропроцессор работает со словами, состоящими из восьми битов. Такие слова, называемые байтами, удобны при выполнении арифметических и логических операций и используются в большинстве выпускаемых микропроцессоров. Если в расчетах встречаются числа “большей длины”, то применяются специальные программы для вычислений с “двойной точностью”, “тройной точностью” и т. д.

Для задания адреса памяти обычно используется 16 разрядов. Это позволяет прямо адресовать 2¹⁶ = 65536 ячеек памяти. Число 65536 часто записывают в виде 64К. Индексом К обозначают величину 2¹⁰ = 1024.

Информация к микропроцессору и от него передается по шинам. Шины данных в соответствии с длиной слова состоят из восьми линий, а адресная шина – из 16 линий. Адресная шина однонаправленная, а шины данных двунаправленные. Управляющая шина состоит из 13 линий, причем, пять линий ведут к БУС, а восемь линий выходят из него. По линиям шины данных передаются управляющие и тактирующие сигналы. Они определяют взаимодействие между функциональными узлами микропроцессора, а также между микропроцессором и другими блоками микрокомпьютера.

Рассмотрим назначение функциональных узлов микропроцессора.

Счетчик команд. Программа микропроцессора представляет определенную последовательность команд, хранящихся в памяти. Счетчик команд считывает команды так, чтобы микропроцессор мог выполнять их в заданной последовательности. Именно в этом заключается главная функция счетчика команд.

Процедура считывания усложняется тем, что программы, как правило, содержат подпрограммы. Подпрограмма – это последовательность команд, предназначенных для выполнения определенной задачи. Она может быть вызвана в любой момент времени выполнения основной программы. Когда в программе появляется команда вызова подпрограммы, выполнение основной программы должно быть остановлено, а ее очередную команду необходимо загрузить в какой – либо регистр памяти. Это необходимо для того, чтобы микропроцессор мог вернуться в основную программу после завершения подпрограммы. Одновременно в счетчик команд необходимо заслать адрес первой команды подпрограммы.

Стек. Операция загрузка адреса последующей команды, как правило, выполняется с помощью безадресной памяти. Такую память называют стековой, или просто стек. Стек содержит набор последовательно организованных регистров. Загрузка (или извлечение) всегда производится в (из) самый верхний регистр, при этом содержимое остальных регистров сдвигается на один регистр вниз (или вверх). Команда вызов подпрограммы выполняется так, что адрес очередной команды основной программы сдвигается в стеке на один шаг вниз, а в верхний регистр загружается адрес первой команды подпрограммы.

Подпрограмма может содержать ряд последующих подпрограмм. При каждом переходе к очередной подпрограмме адреса, загруженные в стек, будут смещаться вниз на один регистр. Число подпрограмм, которые можно загрузить без потери первоначального адреса, определяется информационной емкостью стека. Глубина загрузки фиксируется в указателе стека. Указатель стека показывает адрес верхнего незанятого адреса стека.

Регистр адреса данных содержит адрес данных для команд, обращающихся к памяти, адрес порта для команд ввода / вывода или адрес очередной команды для перехода к подпрограмме.

Регистр команд используется для записи команд, запрашиваемых из памяти и подлежащих дешифрации.

Регистры общего назначения представляют собой блок сверхоперативной памяти, состоящей из пятнадцати восьмибитовых регистров. Такая память предназначена для временного хранения адресов и данных, которые можно извлечь со значительно большей скоростью, чем информацию, содержащуюся в оперативной памяти. Адреса каждого из пятнадцати регистров представляют собой 4 - битовые коды от 0000 до 1110. Регистр 0000 называется аккумулятором и участвует во всех арифметических и логических операциях. Он содержит одно из чисел (операнд) перед выполнением операции и получает результат после ее завершения.

Обращение к любому регистру общего назначения осуществляется при помощи R – селектора. Через r – селектор доступны только регистры 0000, 0001, 0010. Задание несуществующего регистра 1111 используется как указание на то, что нужно обратиться к байту памяти по 16 – разрядному адресу.

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Два входа АЛУ представляют собой две восьмибитовые шины. Одна из них идет от аккумулятора (регистр 0000), а другая – от R – селектора, который выбирает один из регистров общего назначения от 0000 до 1110 или ячейку памяти, если задана косвенная адресация. Третий вход в АЛУ представляет собой линию от триггера переноса С. Триггер переноса участвует в некоторых арифметических и логических операциях.

Выходами АЛУ являются восьмибитовая шина и две линии – Z и N. По выходной восьмибитовой шине передаются результаты из АЛУ в аккумулятор. По выходным линиям в блок управления и синхронизации передается информация о наличии или отсутствии двух особых условий:

– аккумулятор содержит нули (линия Z),

– старший разряд аккумулятора равен 1 (линия N).

Триггер переноса, а также линии Z и N называются флажками и используются в командах условного перехода.

Блок управления и синхронизации получает сигналы от дешифратора, из АЛУ (Z, N) и от триггера переноса (С). В зависимости от состояния входов БУС вырабатывает сигналы управления и синхронизации, необходимые остальным функциональным узлам для выполнения команды. С помощью тринадцати внешних линий реализуется интерфейс устройства управления с другими модулями микрокомпьютера.

3. СЕКЦИОНИРОВАННЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ

Микропроцессор – это, как правило, модуль в составе микропроцессорной системы или микрокомпьютера. Для достижения большей гибкости микропроцессор может быть разбит на подмодули. Например, часть микропроцессора, обрабатывающая данные, отделяется от части, обрабатывающей команды и управляющей последовательностью их выборки. В свою очередь первая из выделенных частей дополнительно разбивается еще на несколько подмодулей. Каждый такой подмодуль называется микропроцессорной секцией и состоит из АЛУ и различных регистров определенной разрядности.

Обобщенная структурная схема микропроцессорной секции приведена на рис. 34.2. Схема содержит АЛУ для выполнения действий с четырехразрядными кодовыми комбинациями и сверхоперативную (рабочую) память на шестнадцать четырехразрядных кодовых комбинаций.

АЛУ выполняет восемь различных арифметических и логических действий над двумя кодовыми комбинациями (словами) А = а₃а₂а₁а₀ и В = в₃в₂в₁в₀. Выполняемое действие определяется трехразрядными кодовыми комбинациями, передаваемыми по управляющим линиям К₀, К₁ и К₂ в соответствии с таблицей истинности (рис. 34.3). Линии с_вх, с_вых, Р и G предназначены для распространения переносов при выполнении операций сложения и вычитания. По линии с_вх передается информация о значении переноса в младший разряд, по линии с_вых – о значении переноса из старшего разряда. Линии Р и G дают добавочную информацию о переносах, позволяющую соединять микропроцессорные секции в каскады. Линии S_H и S_L используются для передачи информации из секции в секцию при операциях сдвига.

Рабочая память на шестнадцать слов по четыре разряда каждое имеет три порта А, В и С. Каждый порт представляет совокупность из четырех линий для данных и четырех адресных линий. Через каждый порт можно обратиться к любому из шестнадцати слов независимо от обращений через другие порты. Порты А и В предназначены для чтения из рабочей памяти, а порт С – для записи в нее. Управляют записью данных линии “разрешение записи” и “синхр”. Запись слова происходит по заднему фронту синхроимпульса, если на линии “разрешение записи” присутствует логическая 1.

Порты А и В обеспечивают АЛУ двумя словами, над которыми выполняются действия, а порт С получает результат. Вместо слова А в АЛУ может быть передано слово D от внешних источников. Переключение от А к D осуществляется селектором на два направления, при Е = 1. Выходные линии отображают слово А.

Таким образом, микропроцессорная секция выполняет операции над данными, хранящимися в рабочей памяти, а также поступающими от внешних источников. Выполняемая операция, источники слов и адрес, куда помещается результат, определяются входящими в секцию по управляющим линиям сигналами. Поэтому внешние схемы, формирующие эти сигналы, могут управлять операциями в микропроцессорной секции. Следовательно, одну и ту же микропроцессорную секцию можно использовать в микрокомпьютерах с различной структурой и функциями. В этом и заключается большая гибкость и универсальность микропроцессорных секций по сравнению с одномодульными микропроцессорами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

34.1. Приведите определение микропроцессора.

34.2. Чем микрокомпьютер отличается от микропроцессора?

34.3. Какое свойство микропроцессора позволяет применять его к решению широкого класса задач?

34.4. Раскройте понятия: команда, операнд, байт.

34.5. Почему в микропроцессорах адресная шина состоит из шестнадцати линий?

34.6. Какие функции в микропроцессоре выполняет счетчик команд?

34.7. Что представляет собой стековая память, и какой показатель определяет емкость стека?

34.8. Какие функции в микропроцессоре выполняют регистры общего назначения?

34.9. С какой целью применяется секционирование микропроцессора?

34.10. В чем проявляются преимущества микропроцессорных секций над однокристальными микропроцессорами?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с учебной программой в курсе лекций ЭЛЕКТРОНИКА рассмотрены типовые полупроводниковые приборы, аналоговые и цифровые устройства, программируемые устройства. К сожалению, очень кратко рассмотрены свойства специальных типов полупроводниковых приборов, а такие вопросы, как аналоговые преобразователи и умножители напряжений, коммутаторы аналоговых сигналов, модуляторы и демодуляторы электрических сигналов, активные преобразователи сопротивлений и ряд других вопросов остались за рамками учебной программы.

Курс построен так, что студент, усвоивший материал лекций, становится подготовленным к самостоятельному усвоению упомянутых вопросов. Большую помощь в этом ему окажет рекомендованная литература.

При работе с рекомендованной литературой основное внимание следует уделить наиболее перспективному направлению – микропроцессорной технике. Применение современных микропроцессоров, контроллеров и микроконтроллеров позволяет совершенствовать и автоматизировать практически любые технологические процессы без отключения технологического оборудования и без затрат на изменение проекта систем управления. Именно применение микропроцессорной техники наиболее наглядно реализует тезис о том, что электроника – это ключ к автоматизации процессов производства.

Знания, полученные как в процессе изучения лекций, так и в процессе самостоятельной работы с литературой, будут неоднократно востребованы в учебном процессе (при освоении прикладных дисциплин, при выполнении курсовых и дипломных проектов) и в практической деятельности выпускника.

ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ

18.7.n_n / n = 2,4·10⁸. 18.8. ∆φ₀ = 0,445 В.

18.9. ∆φ₂ = 0,298 В, I_диф = 0,32 мА, I ≈ 0,219 мА. 18.10. U = 0,178 В.

19.11.а), режим насыщения, б), активный режим, в), режим отсечки.

19.12. U_кб = 9,6 В.

19.13. α = 0,990099, I_э = 1,00495 мА, I_б = 4,95·10^-6 А, I_кэо = 505·10^-6 А.

19.14. а), А – коллектор, В – база, С – эмиттер, б), β = 50.

21.6. R_б ≈ 202 кОм. 21.7. R₁ ≈ 18,1 кОм, R₂ ≈ 262 Ом.

21.8. Rвх ≈ 238 Ом, R_вых ≈ 166 Ом, К_U ≈ 70.

21.9. R_вх ≈ 12,7 кОм, К_U ≈ 0,79. 21.10. К_U = 307. 21.13. f_в ≈ 16 кГц.

22.7. ω_с ≈ 12, 98 р^-1, К_ф0 = 1,41, К_ф(ω_с) = 1,0. 22.8. С_а = С_в ≈ 0,38·10^-6 Ф.

22.10. f₀ = 1,0 кГц, К_ф0 = 0,33.

23.6. Р_н = 0,035 Вт, η = 0,28. 23.10. Р_н = 0,25, η = 0,786.

25. 4. R₁ ≤ 8,3 кОм, R₂ ≤ 30 кОм, R_к ≈ 1,0 кОм.

25.5. U₀ = 0. 25.6. С = 0,1·10^-6 Ф. 25.7. С = 10^-9 Ф.

25.9. |I_вх| > |I_б|, τ_и ≥ τ_р + τ_п + τ_рег.

26.3. τ_и = 69·10^-6 С, τ_п = 138·10^-6 С, Т = 207·10^-6 С, Q = 3, F = 4,83 Гц.

26.4. R₁ ≈ 4,3 кОм. 26.9. R₄. 26.10. Не влияет. 26.11. R_вх → .

26.13. R₃ увеличить, R₄ уменьшить.

27.6. n₂₁ ≈ 0,54. 27.7. I₀ = ≈ 11,1 мА. 27.12. С_Ф = 200·10^-6 Ф, S = 1,57.

27.15. R_огр = 162 Ом. 27.16. U_{вх. макс} = 30 В, U_{вх мин} = 16,5 В.

29.3. а), 1011110001, б), 0111 0101 0011. 29.7. F = ВС + АС.

29.8. 29.9.

30.2. Q₁ = х₁х₃х₅х₇х₉, Q₂ = х₂х₃х₆х₇, Q₃ = х₄х₅х₆х₇, Q₄ = х₈х₉.

30.3.

30.4.

30.5.

30.6.

31.5. Первая строка.

31.9. Исключает воздействие помех на интервале синхроимпульса.

31.10. Функции Т триггера.

32.3. 0, 1, 2, 3, 12, 13, 14, 15, 8, 9, 10, 11, 4, 5, 6, 7.

32.5. Делитель на 12.

32.6. Можно, если увеличить в n раз частоту СС при считывании.

32.8. и – низкий, – высокий.

33.3. U_кв = 0,0625 В, U_вых = 0,625 В. 33.4. I_вых = 10 мА.

33.5. m = ent n/2, M = . 33.8. f_д = ∆U / U_кв.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Бахтиаров Г. Д., Малинин В. В., Школин В. П.Аналого – цифровые преобразователи. М. Советское радио, 1980 г.

Бобровников Л. Электроника. Издательство: Питер, 2004 г.

Бондарь И. М. Электротехника и электроника. Издательство “Март”, 2005 г.

Гельман М. В.Преобразовательная техника. Уч. Пособие. Челябинск. Изд. ЮУрГУ, 2002 г.

Гивоне Д., Россер Р. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. М. “Мир”, 1983 г.

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М. Энергоатомиздат, 1988 г.

Жаворонков М. А., Кузин А. В.Электропривод и электроника. М.:Издательский центр “Академия”, 2005 г.

Забродин Ю. С.Промышленная электроника. М. Высшая школа, 1982 г.

Источники электропитания РЭА. Под редакцией Конева Ю. И. М. “Радио и связь”, 1983 г.

Кристиан Тавернье. PIC- микроконтроллеры. Практика применения. М. ДМК Пресс, 2002 г.

Кузин А. В. Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника. Издательский центр «Академия», 2004 г.

Мальцев П.П., Долидзе Н.С., Критенко М.И. и др. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. М. “Радио и связь”, 1994 г.

Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник. М. Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005 г.

Нейман Л. Р., Демирчан К. С. Теоретические основы электротехники. Л.: Энергия, 1981 г.

Немцов М. В. Электротехника и электроника. Издательство МЭИ, 2003 г.

Новиков Ю. Н.Электротехника и электроника. Теория цепей и сигналов, методы анализа. Учебное пособие. Издательство “Питер”, 2005 г.

Опадчий Ю.Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. Издательство: Горячая Линия – Телеком, 2002 г.

ПрянишниковВ.А. Электроника. Курс лекций. С. Петербург. КОРОНА принт, 1998 г.

Семейство микроконтроллеров MSP430х1хх. Руководство пользователя. М. ЗАО «Компэл», 2004 г.

Соловьев В. В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. М. «Горячая линия- Телеком», 2001 г.

Электротехника. Уч. пособие для ВУЗов в трех частях. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления. / Под редакцией Бутырина П.А., Гасиятуллина Р.Х., Шестакова А.Л. – Челябинск. Изд. ЮУрГУ, 2004 г.

Шило В. Л.Популярные цифровые микросхемы. М. Советское радио, 1983 г.

Щука А. А. Электроника. Издательство СПб: БХВ- Петербург, 2005 г.

ЮТТ В. Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1989 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

ТЕМА 5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 5

Лекция 18. Физические свойства полупроводниковых материалов.

Диоды 5

Лекция 19. Транзисторы 23

Лекция 20. Силовые полупроводниковые приборы 38

ТЕМА 6. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА 47

Лекция 21. Резистивные усилители сигналов низкой частоты 47

Лекция 22. Избирательные усилители 71

Лекция 23. Усилители мощности 84

Лекция 24. Генераторы электрических сигналов 91

Лекция 25. Импульсные устройства 103

Лекция 26. Генераторы импульсных сигналов 120

Лекция 27. Источники питания электронных устройств 132

Лекция 28. Применение электронных устройств в технике ПТМ 155

ТЕМА 7. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА 169

Лекция 29. Введение в цифровую электронику 169

Лекция 30. Комбинационные устройства 182

Лекция 31. Триггеры 194

Лекция 32. Последовательностные устройства 203

Лекция 33. Цифро – аналоговые и аналого – цифровые

преобразователи 215

Лекция 34. Микропроцессоры 228

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 238

ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ 239

Рекомендуемая литература 241