Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ - реферат

1.Введение

Тема курсового проекта «Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ» предложена цикловой комиссией специальности 2201 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» и утверждена директором Краснодарского колледжа электронного приборостроения.

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в про­мышленном производстве, в устройствах и системах управления самы­ми разнообразными объектами и процессами является в настоящее вре­мя одним из основных направлений научно-техни­чес­кого прогресса.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производствен­ного и культурно-бытового назначения не только приводит к повыше­нию технико-экономических показателей изделий (стоимости, надеж­ности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки "мораль­ного старения" изделий, но и придает им принципиально новые потреби­тельские качества (расширенные функциональные возможности, моди­фицируемость, адаптивность и т.д.).

Первое сообщение о создании микропроцессора появилось в 1972 г. Через 13 лет в 1985 г. во всем мире уже работали свыше 30 млн. ОЭВМ. Микропроцессоры и ОЭВМ – это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень широк. Главные достоинства микропроцессорной техники – это компактность, экономичность, универсальность невысокая стоимость, массовость применения. Благодаря своим свойствам микропроцессоры нашли применение как в системе управления космическими полетами, так и в детских игрушках; ОЭВМ используются для управления бытовыми приборами и роботами, станками с числовым программным управлением и т.п.

За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных ОЭВМ, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудова­ния различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполнен­ные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а так­же программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечи­вает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС ОЭВМ), что ОЭВМ, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для по­строения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широ­комасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по суще­ству представляющих собой особый класс вычислительной техники. К этому классу можно отнести: 4-битные ОЭВМ серий 1814, 1820, 1829 и 1013; 8-битные ОЭВМ серии 1816.

2.Обзор однокристальных ЭВМ

С развитием электроники сменилась элементная база ЭВМ – появились машины на транзисторах, а затем на микросхемах. Однако по традиции продолжали разрабатываться большие и мощные ЭВМ. И вот в середине 60-х годов появился новый класс вычислительных машин – однокристальные ЭВМ.

Разработчики ОЭВМ исходили из того, что не везде нужны все (максимальные) возможности больших ЭВМ, не всегда требуется большая точность вычислений, большие объемы памяти или длительное хранение промежуточных результатов. Зато для целого ряда применений, таких, как управление производственным оборудованием или научным экспериментом, необходимо вводить и выводить специальные сигналы, учитывать течение времени, реагировать на случайно происходящие события.

Вместе с этим, есть то минимальное ядро, без которого аппаратура еще не ЭВМ. Эти компоненты уже давно определились: арифметико-логическое устройство (АЛУ), процессор, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), устройства ввода/вывода.

2.1. ОЭВМ МК 48

Простейшая в серии 1816 ОЭВМ МК48, имеет на кристалле следующие аппаратурные средства: процессор разрядностью 1 байт; стираемое программируемое ПЗУ программ ёмкостью 1 Кбайт, ОЗУ данных ёмкостью 64 байта; программируемый 8-битный таймер/счетчик; программируемые схемы ввода/вывода; блок векторного прерывания от двух источников; генератор; систему синхронизации и управления.

Микроконтроллер МК48 конструктивно выполнен в корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы электрически совместимы с элементами ТТЛ, входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагруз­кой.

Значительно более сложная и развитая ОЭВМ, построенная на основе однокристального микропроцессора МК51, имеет в своем составе такие аппаратурные средства: процессор, в состав ко­торого входят 1-байтное АЛУ и схемы аппаратурной реализации команд умножения и деления; стираемое ПЗУ программ ёмкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных ёмкостью 128 байт; два 16-битных тайме­ра/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок9 двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор, схему син­хронизации и управления.

Однокристальная ЭВМ выполнена на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в кор­пусе БИС, имеющем 40 внешних выходов. Для работы ОЭВМ требуется один источник электропитания +5В. Четыре программируемых порта ввода-вывода взаимодействуют со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями вы­хода.

Корпус ОЭВМ имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функ­ций обмена информацией со средой.

2.2. ОЭВМ серии 1816.

Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что в случае необходимости функционально-логические воз­можности могут быть расширены. С использование внеш­них дополнительных БИС постоянной и оперативной па­мяти адресное пространство может быть значительно расширено, а путем подключения различных интерфейсных БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления мо­жет быть увеличено практически без ограничений.

ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электро­питания напряжением +5В ± 10%, рассеивают мощность около 1,5 Вт и работают в диапазоне температур от 0 до 70⁰ С. по входам и выходам серии 1816 электрически совместимы с интегральными схемами ТТЛ.

ОЭВМ МК 48 может работать в диапазоне частот син­хронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выпол­нения команды составляет 2,5 мкс. ОЭВМ МК 51 может работать в диапазоне частот от 1.2 до 12 МГц, при этом минимальный цикл выполнения команды равен 1 мкс, а быстродействие равно одному миллиону коротких опе­раций в секунду.

Из такой краткой характеристики однокристальных ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значи­тельными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютериза­ции (автоматизации на основе применения средств и ме­тодов обработки данных и цифрового управления) разно­образных объектов и процессов.

Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками: частота синхронизации, ёмкость резидент­ной памяти данных или программы.

2.3. ОЭВМ МК35

ОЭВМ МК35 предназначена для выполнения следующих функций:

вычисление. адресов операндов и команд.

обмен информацией с другими устройствами; подклю­ченными к системной магистрали;

обработка операндов;

обр аботка пр ер ываний от клавиатуры и уст­ройств пользователя, подключенных к разъ­ему порта ввода-вы­вода.

Процессор является единственным активным устрой­ством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной магистрали и обрабатываю­щим пре рывания от пассивных устройств, которые могут посылать или принимать ин­формацию только под управлением про цессора.

МК 35 работает в БК с так­товой частотой 3 МГц и содержит следующие основные функциональные блоки :

16-разрядный операцион ный блок, служащий для фор­мирования адресов команд и операндов, выполнения ло­гиче ских и арифметических операц ий, хранения операн­дов и результатов;

блок микропрограммного управле ния, вырабатывающий последователь ность микрокоманд, соотв етствующу ю коду принятой ма шинной команды. Этот блок построен на базе программируемой логической матрицы (ПЛМ). с одержащей 250 логических произведений;

блок прерываний, организующий приоритетную сис­тему прерываний ( прием и п редварительная обработка внешних и внутренних запросов на прерывание);

интерфейсный блок, о беспечивающий об­мен информа­цией между микропроцессором ром и прочими устройст­ва ми, под ключе н­ными к систе мной магистрали. Этот же, блок ос уществляет арбитраж при операциях прямого дос­тупа к па мяти, формиру ет

последовательность. управляющих сигналов:

блок си сте мной магистрали, связывающий внутреннюю магистраль однокристального микропроцессора с внеш­ней, управляю­щий усилителями приема и передачи ин фор­мации на совмещенные выводы адресов и данных;

схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию работы внутренних блоков микропроцессора.

Система команд, реализованная в ПЛМ блока микро­программного управления микропроцессора К1801BM1, совпадает с системой команд наиболее распространенных отечественных мини- и ОЭВМ типа «Электроника 60» (ДВК-2. 3, 4 и т.п.) и практически аналогична приня­той для компьютеров серии DEC. Предусмотрен также ряд специальных команд, предназначенных для работы с сис­темным ПЗУ К1801РЕ1.

Общие характеристики ОЭВМ МК35 представлены в таблице 1.

табл. 1

Анализ основных признаков МК серии 1816 показы­вает, что МК 48 и МК 51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосе­рийных изделиях. Однокри­стальное ЭВМ МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и по­этому его следует применять в крупно-серий­ных изделиях. ОЭВМ, в которых нет резидентной памяти про­грамм, используют, как правило, не в конечных изде­лиях, а в автономных отладочных устройствах и много­функциональных программируемых контроллерах, где в качестве программ и данных используются внешние БИС и имеются средства загрузки программ.

2.4. СМ 1800.

Однокристальные ЭВМ на основе 16-разрядного мик­ропроцессора типа К1810ВМ86 представлены следующими сериями ЕС 1840, ЕС 1841, ЕС 1842, «Искра 1030», «Ис­кра 1030М», «Нейрон И9.66» и относятся к классу 16 разрядных. В них получил дальнейшее развитие программно-модульный принцип, реализованный в моделях семейства СМ 1800. Они обеспечивали повышение средней производительности в 8-10 раз по сравнению с моделями СМ 1800 (до 170 тыс. оп./с.). Был значительно увели­чен объем оперативной и внешней памяти. Схемотехниче­ские решения позволяли адресовать до 16 Мбайт опера­тивной памяти. Для обнаружения ошибок в модулях па­мяти применялись средства коррекции ошибок по коду Хемминга.

Значительно были расширены возможности организа­ции внешней памяти на дисках. Наряду с гибкими мини-дисками (диаметром 133 мм) применялись жесткие диски типа «винчестер» емкостью 14 … 160 Мбайт, что позво­ляло строить достаточно мощные базы данных. В составе периферийных устройств использовались дисплеи, печа­тающие устройства матричного типа и типа «ромашка».

Операционные системы обеспечивали построение как систем реального времени, так и инструментальных и давали возможность применения пользователями большого числа пакетов прикладных программ на базе операцион­ных систем СР/М-86 и MSDOS.

универсальная 16-разрядная ОЭВМ СМ1810 предназна­чена в основном для применения в ГПС и АСУ ТП, САПР, в локальных и открытых сетях, в контроллерах для встраивания в оборудование, в оргсистемах и в сферах обслуживания. Структура СМ1810 базируется на расшире­нии магистрально-модульной структуры 8 разрядных мо­делей СМ1800 и обеспечении аппаратной и программной совместимости с ними. Это позволяет использовать в СМ1810 средства передачи данных, УСО и другие устрой­ства, разработанные для СМ1800. модуль центрального процессора МЦП-16 является основным компонентом СМ1810, обрабатывает логическую и арифметическую ин­формацию, выполнен с применением БИС серии К1810 и обеспечивает формирование интерфейсов И41, ИРПР-М, С2. В составе модуля двухвходовое ОЗУ объемом 256 Кбайт с коррекцией ошибок, перепрограммируемое ПЗУ объемом до 64Кбайт, таймер, БИС ввода-вывода и разъем для подключения БИС арифметического сопроцессора. Мо­дуль МЦП-16 обеспечивает непосредственное подключение ПУ, печатающих устройств и дисплея, не занимая интер­фейса И41, а в случае автономного применения может выполнять функции локальной микроЭВМ

ОЭВМ СМ1814 представляет собой вариант СМ1810 для использования в промышленных производствах с ограни­ченным доступом обслуживающего персонала, главным об­разом в локальных технологических сетях, ГСП, АСУ ТП. В СМ1814 могут входить все модули, блоки расширения модульные источники питания и кроссы из состава СМ1810, включая периферийные устройства (дисплей, пе­чатающее устройство с интерфейсами ИРПС/С2). ОЭВМ СМ1814 содержит в основном УСО в промышленном испол­нении, блок ввода сигналов низкого уровня, термомет­ров сопротивлений и термопар СМ9306 и блок формирова­ния поправки СМ3907. ЭВМ СМ1814 используется без НМД. Все программное обеспечение содержится в ППЗУ модуля МЦП-16 и в модулях репрограммируемой памяти МППЗ или загружается по каналам связи в ОЗУ. Функционирование СМ8141 в реальном времени поддерживается операционной системой ОС СРП-1810.

3.Описание схемы электрической структурной

Рассмотрим работу универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ на основе схемы электрической структурной, показанной в графической части лист 2 Э1.

Микроконтроллер состоит из следующих узлов:

— однокристальной ЭВМ со схемой внешнего тактового генератора и схемой формирования сигнала «сброс»;

— регистра-защелки младшего байта адреса внешнего запоминающего устройства;

— памяти программ, объемом 4 Кбайта;

— памяти данных, объемом 1 Кбайт со страничной ад­ресацией 256 байт на страницу и схемой выбора ОЗУ;

— схемы управления записью-чтением внешних устройств;

— адаптера параллельного интерфейса со схемами приемника и передатчика по стандарту ИРПС;

— трехканального таймера;

— контроллера клавиатуры и индикации;

— схемы прерываний.

Тактовый генератор вырабатывает синхронизирующие импульсы тактовой частоты, которые позволяют синхронизировать работу ЭВМ и остальных узлов микроконтроллера. Кварцевый резонатор, вырабатываемый опорную частоту синхронизации, подключается к выводам Х1 и Х2. Х1 является входом, а Х2 – выходом генератора, способного работать в диапазоне частот от 1 до 6 МГц.

Схема формирования сигнала сброс обеспечивает правильную последовательность сброса периферийных БИС и ОЭВМ. Сигнал сброс производит следующие действия: сбрасывает счетчик команд и указатель стека; устанавливает порт BUSв высокоимпедансное состояние, а порты Р1 и Р2 – на режим ввода; выбирает банк регистров 0 и банк памяти 0; запрещает прерывания; останавливает таймер и выдачу синхросигнала на вывод Т0; сбрасывает флаг переполнения таймера и флаг пользователя.

Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ, передаваемый по шине данных. Подключение БИС памяти программ и данных особенностей не имеет. Логическая схема условных переходов МК позволяет программе проверять не только признаки , но и условия, внешние по отношению к МК. По командам условного перехода в случае удовлетворения проверяемого условия в счетчик команд из второго байта команды загружается адрес перехода.

Линия запроса прерывания от внешнего источника проверяется каждый машинный цикл во время действия сигнала САВП. При обработки прерывания, как и при вызове подпрограмм содержимое счетчика команд и старшей тетрады ССП сохраняется в стеке.

Порт ввода/вывода BUS представляет собой двунаправленный буфер с тремя состояниями и предназначен для побайтного ввода, вывода или ввода/вывода информации.

4.Выбор элементной базы

Адаптер параллельного интерфейса построен на ИМС КР580ВВ55А, который обеспечивает стробированный и нестробированный ввод/вывод информации по параллельным каналам связи, сбор данных с внешних измерительных устройств и (или) управление исполнительными устройствами.