Микропроцессор 8080 (К580ВМ80)
История микропроцессорных средств началась в 1971 г., когда фирма «Intel» объявила о выпуске семейства интегральных микросхем, предназначенных для построения программируемых калькуляторов. В 1974–76 гг. были разработаны МП с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением (секционные МП). Следующий качественный скачок в развитии микропроцессорных БИС произошел в 1978 г., когда фирмой «Intel» был выпущен однокристальный микропроцессор 8086 (30 тыс. транзисторов на кристалле). МП имеет разрядность данных 16 бит, объем адресуемой памяти до 1 Мбайт, fт = 5МГц.
Фирма «Intel» в 1989 г. выпустила 64-разрядный МП 80860, который содержит более 1 млн транзисторов, реализующих на одном кристалле RISC-процессор с плавающей точкой, процессор обработки графической информациии 12 байт КЭШ-памяти. Другим направлением развития микропроцессорных средств являются однокристальные микроконтроллеры, первые из которых появились в начале 80-х годов. Фактически это однокристальные МП с расширенными схемами постоянной (или полупостоянной) и оперативной памяти, портами ввода-вывода, таймерами.
Наглядным свидетельством возможностей МП стали персональные ЭВМ. Первой ПЭВМ принято считать микро-ЭВМ «Altair 8800»фирмы MITS (США), которая была выпущена в 1975 г. Массовое производство ПЭВМ началось в 1981 г., когда фирма IBM начала выпуск своих ПЭВМ.
В МП-комплекте серии К580 (БИС КР580ВМ80) процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированные разрядность и систему команд, «зашитую» в БИС-памяти. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП БИС КР580ИК80[7].
МПК К580 – это набор функционально завершенных БИС, ориентированных на модульное проектирование микро-ЭВМ. Проектирование осуществляется на основе следующих модулей: модуля центрального процессора, выполняющего основные управляющие функции в системе; модуля памяти, включающего ПЗУ и ОЗУ для хранения программ и данных; модуля ввода-вывода, осуществляющего сопряжение микро-ЭВМ с УВВ.
МП КР580ВМ80 представляет собой однокристальный 8-разрядный МП с тремя шинами: однонаправленная 16-разрядная ША, двунаправленная 8-разрядная ШД и 12 сигналов управления (6 входных и 6 выходных). Функциональное назначение внешних выводов МП приведено на рисунке 3.26.
Рисунок 3.26 – Обозначение выводов МП 580ВМ80
Структура МП приведена на рисунке 3.27. Одновременно по внутренней ШД может осуществляться обмен данными только между двумя узлами МП. То есть узлы МП, подсоединенные к ШД, разделяют эту шину во времени.
Блок регистров. МП содержит программно-доступные 8-разрядные регистры: регистр-аккумулятор (А); общие регистры (РОН) В, С, D, Е; регистр признаковRF; 16-разрядные счетчик команд (PC) и указатель стека (SP); сдвоенный регистр косвенного адреса HL. Общие регистры используются для хранения операндов, промежуточных и конечных результатов, а также адресов и индексов при косвенной и индексной адресации. Аккумулятор используется в качестве источника одного из операндов и места, где фиксируется результат операции.
Наличие в блоке регистров регистра косвенного адреса HL позволяет иметь команды с подразумеваемой косвенной адресацией, т. е. без указания в команде номера регистра, хранящего исполнительный адрес.
При выполнении операций в МП возникает потребность в кратковременном хранении некоторых операндов и результатов выполнения операций. Для этой цели служат регистры временного хранения данныхT, W, Z. Это позволяет МП за один цикл выполнения команды реализовать, например, такую операцию, как обмен содержимым двух регистров.
Рисунок 3.27 – Функциональная схема МП 580ВМ80
К одному из входов схемы АЛУ всегда подключен аккумулятор, к другому через регистр Т (регистр временного хранения) может быть подключен любой из общих регистров. Регистр Т позволяет избежать возникновения «гонок», когда какой-либо из общих регистров используется в одной операции и в качестве регистра-операнда, и в качестве регистра-результата.
АЛУ связано непосредственно с регистром признаков (регистр флагов RF), в соответствующих разрядах которого фиксируются особенности выполнения каждой операции: нулевой результат в аккумуляторе – Z, перенос из старшего разряда – CY, знак результата – S, паритет (четность) – Р и вспомогательный перенос из младшего полубайта – АС. Формат RF приведен на рисунке 3.28.
Рисунок 3.28 – Регистр флагов МП 580ВМ80
Использование в МП регистра флагов упрощает осуществление программных переходов в зависимости от состояния одного или более триггеров признаков-флагов. АЛУ позволяет в процессе межрегистровых пересылок выполнять операции сдвига на один разряд вправо или влево. АЛУ реализует простейшие арифметические и логические операции (сложение, вычитание, сдвиги, сравнение и др.). Все более сложные операции (умножение, деление, вычисление элементарных функций и др.) выполняются по подпрограммам.
Стековая память. В МП КР580 организуется стековая память, реализующая безадресное задание операндов. В общем случае стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров или ячеек памяти, снабженных указателем стека, в котором автоматически при записи и считывании устанавливается номер(адрес) последней занятой ячейки стека (вершина стека).
Буферные схемы. Двунаправленный буфер ШД предназначен для логического и электрического разделения внутренней ШД и внешней, системной ШД. Буфер состоит из регистра и выходной схемы с тремя состояниями. Эти буферы, отключающиеся от системной шины, обеспечивают реализацию магистрального принципа межмодульных связей в МПС. Во время выполнения операций в МП, не связанных с процедурами обмена с внешними по отношению к МП устройствами системы, буферная схема отключается от ШД, т. е. переходит в высокоимпедансное состояние.
Буферная схема ША – однонаправленная – обеспечивает передачу адресов команд и данных, а также номеров ПУ от МП в систему. Выход буфера адреса также может переходить в отключенное состояние (это нужно, когда в МПС к памяти может обращаться по системной ША не только МП, но и пульт оператора, контроллер ПДП и др.).
Выполнение каждой команды производится МП в строго определенной последовательности, определяемой кодом команды, и синхронизируется по времени сигналами Ф1 и Ф2 тактового генератора. Период синхросигналовФ1 и Ф2 называется машинным тактом (МТ). Длительность Т может быть равна 0,5¸2 мкс. При анализе процессов используют следующие понятия: машинный цикл (МЦ) – время для извлечения 1 байт информации из памяти или выполнения команды, определяемой одним машинным словом. Машинный цикл может состоять из 3–5 машинных тактов. Время выполнения команды – время для получения, декодирования и выполнения команды. Команда в свою очередь может состоять из (2¸5) МЦ.