Вопрос 40. Однокристальные М-ЭВМ фирмы Intel
Содержат на кристалле кроме МП схему генератора, память программ, память данных, порты ввода-вывода, таймер, схему прерываний и другие компоненты, которые позволяют рассматривать их в виде законченной МПС.
Фирма Intel выпускала три серии однокристальных микро-ЭВМ: i8048, i8051 и i80196. Это не ФонНеймоновские машины. Предназначены для управления и отладки проектируемых МПС. Имеют память программ и память данных раздельно, чтобы при работе не исказить данные.
Существует порядка 20 модификаций i8048. В его состав входят следующие блоки: ЦП с генератором; ПЗУ (масочное или ультрафиолетовое) максимально 4 кбайт; ОЗУ; таймер-счетчик (Т1); схема прерывания; 3 двунаправленных 8-разрядных порта ввода-вывода (порт Р0 также работает как двунаправленная шина данных и адреса); схема управления и синхронизации имеет следующие выводы: BQ1,BQ2 для подключения внешнего кварцевого резонатора; SR – сброс; ЕМА – входной сигнал переключения на режим работы с внешней памятью; РМЕ – чтение внешней памяти программ; WR – сигнал записи во внешнюю память данных; RD – сигнал чтения из внешней памяти данных; ALE – сигнал фиксации адреса внешней памяти; Т0 – тестируемый вход, используемый при выполнении команд условного перехода (после выполнения команды ENT 0 CLK данный контакт используется как вывод тактового сигнала).
Существует 4 типа команд: пересылки данных, команды ввода-вывода, арифметические и логические операции. Команды выполняются за 1 или 2 цикла и имеют структуру 1 или 2 байта. У машин с частотой 6 МГц такт=2,5 мкс, при 11 МГц такт=1,36 мкс.
Существует более 20 модификаций . Нашими аналогами являются К1816ВЕ35, К1816ВЕ39, К1816ВЕ48, К1816ВЕ49.
Краткие характеристики :
• Три 8-разрядных двунаправленных порта ;
• 8-разрядный таймер-счётчик предназначен для измерения временных интервалов и подсчёта числа внешних событий .
• Структура памяти данных 64/128 байт в зависимости от модификации. В памяти находятся два банка РОН . Каждый банк содержит 8 регистров общего назначения. Между банками РОН располагается стек на 8 16-разр слов .Остальная часть памяти используется как область данных. При использовании внешней памяти данных адрес выводится через Р0 .
• СЧАК 12-разрядный , что позволяет обращаться к памяти программ 4 К. При использовании внешней памяти программ младший байт адреса выводится через Р0 , а ст. разряды через Р2 0-3 .
· Два источника прерываний (внешний вход и прерывания от таймер/счётчика)
Структурная схема i8048 на рис.1. :
Рис 1. Структурная схема i8048.
Р0-Р2- 8-разр двунаправленные порты ;
BQ1,BQ2 – выводы для подключения кварцевого резонатора ;
NSR- вход сброса ;
EMA- вход переключения на работу с внешней памятью программ ;
NPME- сигнал чтения внешней памяти программ;
NWR- сигнал записи памяти данных;
NRD- сигнал чтения ;
ALE-фиксация адреса ;
INT – сигнал внешнего прерывания ;
T0- тестируемый вход используемый при выполнении команд JT0 и JNT0 . После выполнения команды ENT0 CLK он используется как выход тактовых сигналов .
Т1- также тестируемый вход командами JT0, JNT0 . После выполнения команды STRT CNT это вход счётчика внешних событий .
Семейство i8051. Краткие технические характеристики:
1. Память программ – 4 Кбайт с возможностью расширения до 64 К.
2. Память данных – 128 байт с возможностью расширения до 64 К.
3. Количество банков РОН – 4.
4. Стек глубиной до 128 байт.
5. Параллельные порты ввода-вывода – 4 восьмиразрядных двунаправленных.
6. Последовательный порт.
7. 2 16-тиразрядных таймера-счетчика.
8. Система прерываний – двухуровневая с пятью входами прерываний.
9. Совместимость систем команд – снизу вверх с машинами семейства i8048.
10. Длительность одного цикла – 1 мкс.
11. Тактовая частота – 12 МГц.
12. Напряжение питания + 5 В.
13. Количество выводов – 40.
Микросхема имеет следующие выводы: RST – сброс; ЕА – переключение работы с внешней памятью программ; PSEN – сигнал чтения информации из внешней памяти программ; ALE – строб адреса; порты Р0-Р3 – двунаправленные порты ввода-вывода. Р0 также может быть использован как двунаправленная шина данных/младшего адреса. Р2 также может быть использован для вывода старшего байта адреса. Альтернативное использование выходов порта Р3: RxD – вход приема последовательных данных; TxD – выход последовательного порта; INT0 (1) – нулевой (первый) вход сигнала прерывания; Т0 (Т1) – вход нулевого (первого) канала таймера-счетчика; WR – сигнал записи информацииво внешнюю память данных; RD – сигнал чтения информации из внешней памяти данных.
i8051 содержит следующие регистры специального назначения: АСС* - аккумулятор (* - имеет побитную адресацию); В* - используется совместно с АСС в операциях умножения и деления; PSW* - регистр слова состояния процессора (флаги и номер банка РОН); SP – указатель стека; DPH,DPL – регистр указателя внешней памяти данных; IP* - регистр управления приоритетами прерываний; IЕ* - регистр разрешения/запрещения сигнала прерывания; TH0,TL0 (TH1,TL1) – 2 байта нулевого (первого) канала таймера-счетчика; TCON* - регистр управления работой таймеров-счетчиков; TMOD – регистр задания режимов таймеров-счетчиков; Р0*,Р1*,Р2*,Р3* - адреса портов; SBUF – адрес буферного регистра последовательного порта; SCON* - регистр управления последовательным портом.
Режим работы Т0 иТ1 задается с помощью TMOD, а управляется с помощью TCON.
Порт последовательного вв.-выв. Используется для расширения ресурсов ЭВМ по параллельным портам в.-в. и для подключения ПУ и других микро-ЭВМ по последовательному каналу. Может работать асинхронно и синхронно. При синхронном данные с частотой 1 МГц вдвигаются или выдвигаются из последовательного порта. При асинхронном каждый символ обрамляется старт- и стоп-битами. Кроме того, возможно использование девятого бита для контроля четности или использования в качестве служебного бита.
В системе прерываний используется 5 источников прерываний: два по переполнению таймеров, два по внешнему прерыванию и от последовательного канала. Источник прерывания выдает запрос путем установки соответствующего флага прерывания.
Система команд i8051 обеспечивает побитную, побайтную и двубайтную обработку данных. Данная микро-ЭВМ содержит 111 оригинальных микрокоманд, а с учетом модификации – 255. Команды имеют 1-, 2- и 3-байтную структуру и выполняются за 1 или 2 машинных цикла (только умножение и деление – 4 цикла). Длительность машинного цикла – 1 мкс.
Базовой моделью семейства микроконтроллеров MCS-51 и основой для всех последующих модификаций является микроконтроллер I-8051 (наши аналоги КР1816ВЕ51, КМ1816ВЕ51, КР1816ВЕ31). Его основные характеристики следующие:
· восьмиразрядный ЦП, оптимизированный для реализации функций управления;
· тактовая частота 12MHz;
· адресное пространство памяти программ - 64 К;
· адресное пространство памяти данных - 64 К;
· внутренняя память программ - 4 К;
· внутренняя память данных - 128 байт;
· стек – глубина до 128 байт;
· дополнительные возможности по выполнению операций булевой алгебры (побитовые операции);
· 32 двунаправленные и индивидуально адресуемые линии ввода/вывода (4 двунаправленных 8-ых портов в/в );
· 2 шестнадцатиразрядных многофункциональных таймера/счетчика;
· полудуплексный асинхронный приемопередатчик , кот. Может работать в двух режимах : синхронном и асинхронном . Синхронный используется для расширения ресурсов однокристальной машины по параллельному вв\выв. Асинхронный режим порта используется для подключения по последовательному интерфейсу к МЭВМ различных ПУ , а также для подключения др. МЭВМ , для организации сетей микроконтроллеров .
· векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и пятью источниками событий (два внешних источника , два по переполнению т/c , прерывание от последов порта). Каждый из источников прерывания формирует запрос путём установки соответствующего бита регистра TCON и регистра SCON . IE – регистр разрешает прерывание . IP- регистр управления приоритетами .
· напряжение питания +5В;
· время выполнения 1 цикла –1 мкс;
· Кол-во ножек 40;
Структурная схема на рис 2.
 |
Рис.2 Структурная схема i8051
i80196. Существует 2 модификации 80196КС и 80196KD, которые отличаются объемом памяти (ОЗУ 512 и 1024 байт, ПЗУ 16 и 32 кбайт) и частотой (16 и 20 МГц).
Основные технические характеристики:
1. Количество параллельных портов ввода-вывода – 5. Каждый из входов Р0 может быть использован как аналоговый вход.
2. Количество последовательных портов – 1 8-разрядный дуплексный.
3. Количество скоростных портов в.-в. – 4-входовой и 6-входовой. Есть возможность регистрации событий: переключение в 0 или 1 любого из входов или любой комбинации переключений.
4. АЦП – 8-входовой.
5. Таймеры – 2 16-разрядных.
6. Линии широтно-импульсной модуляции (ШИМ) – 2 канала.
7. Система прерываний – 2 уровня, 16 входов.
8. Напряжение питания +5 В.
Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Насчитывается большое число различных модификаций , но ниже приведены основные характеристики базовой модели .
Краткая техническая характеристика кристалла 80C196KB:
· ЦПУ На частоте 16 МГц ЦПУ выполняет 2 млн. оп/с при выполнении элементарных операций над знаковыми/беззнаковыми данными длиной 1 или 2 байт.
· ПАМЯТЬ И ВНЕШНЯЯ ШИНА ЦПУ имеет одно адресное пространство размером 64 Кбайт, в котором находятся регистры общего назначения (232 байт), регистры спец назначения, встроенная программная память (если имеется), внешняя память для программы и данных..
· ПРЕРЫВАНИЯ 28 источников запросов, 16 векторов и 16 приоритетов.
· ТАЙМЕРЫ Два 16-разрядных таймера TIMER1 и TIMER2 обеспечивают синхронизацию работы устройства ввода-вывода импульсных сигналов (HSIO, High Speed In/Out unit) с реальным временем и внешними событиями. TIMER1 синхронизируется изнутри, тогда как TIMER2 синхронизируется снаружи.
· ЦИФРОВЫЕ ПОРТЫ Имеется шесть 8-разрядных портов ввода/вывода цифровых сигналов.
· ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫВОД И ВЫВОД (HSIO) Одно из самых мощных встроенных устройств 80C196 - устройство генерации импульсных сигналов (HSO Unit). Его функция - выполнять различные действия в заранее запрограммированные моменты времени с минимальным контролем со стороны ЦПУ. От ЦПУ требуется только указать, что сделать, и в какой момент времени (время отсчитывается по т.н. ссылочному таймеру - TIMER1 или TIMER2). Помимо генерации сигналов, HSO одновременно может выполнять функции 4-х дополнительных таймеров.
· АЦП Встроенный 10-разрядный АЦП имеет 8 входов, диапазон входного напряжения - 0...5 В. На частоте 16 МГц время преобразования - 19,5 мкс. Имеется схема выборки/хранения и отдельные входы опорного напряжения и аналоговой земли.
· ГЕНЕРАТОР ШИМ-СИГНАЛА. Диапазон изменения скважности импульсов - 256 градаций. Период импульсов может быть равен 256 или 512 тактам (31,25 или 15,625 кГц соответственно, для частоты 16 МГц).
· ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ На ОЭВМ имеется универсальный последовательный синхроннно-асинхронный дуплексный порт связи (SIO, Serial In/Out). Максимальная скорость обмена (на частоте 16 МГц): в асинхронном режиме - 1 Мбод; в синхронном режиме - 4 Мбод.
· ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ Общее потребление - не более 75 мА на частоте 16 МГц. Имеются режимы с пониженным энергопотреблением: IDLE (30 мА) и POWER DOWN (0,1 мА).
· ИС устанавливаются в корпуса типов: PLCC-68, QFP-80, керамический LCC-68, и керамический PGA-68.
Также существуют однокристальные микро-ЭВМ для обработки аналоговых сигналов. i8021 – аналоговый процессор. На кристалле данной микро-ЭВМ расположены АЦП, ЦАП, ЦП, УФ ППЗУ, ОЗУ данных. Имея аналоговые входы и выходы, осуществляет цифровую обработку данных. Имеет упрощенную систему команд, включающую арифметические, логические и команды условных переходов. Частота = 6,67 МГц. Время машинного такта = 600 нс. Все машинные команды выполняются за 1 такт.