8-ми разрядные однокристальные ЭВМ

Рассмотрим основные характеристики и особенности 8-ми разрядных ОЭВМ на примере микросхем 1830ВЕ31 и 1830ВЕ51.

Восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микроЭВМ семейства МК51 выполнены по высококачественной КМОП технологии (серия 1830). Это семейство включает пять модификаций ОЭВМ, имеющих идентичные основные характеристики, основное различие между которыми состоит в реализации памяти программ и мощности потребления.

ОЭВМ 1830ВЕ51 содержат масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОЭВМ 1830ВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, однако, они могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему ПЗУ памяти программ (больше чем 4 Кбайт на кристалле).

Остальные микроЭВМ семейства МК51, в т. ч. микросхемы серии 1816 не соответствуют требованиям к внешним. Некоторые из этих ОЭВМ содержат ППЗУ емкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением. Они удобны при использовании на этапе разработки системы при отладке программ, а так же при производстве небольшими партиями аппаратуры и вспомогательных систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки и работающих при нормальных условиях эксплуатации (например, контрольно-проверочная аппаратура).

Основные параметры микроЭВМ 1830ВЕ51 и 1830ВЕ31 приведены в табл. 2.1.

Каждая ОЭВМ рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних микросхем ЗУПВ. Таким образом, общий объем памяти программ и данных может достигать 128 Кбайт.

ОЭВМ содержат все узлы, необходимые для автономной работы:

1)    центральный восьмиразрядный процессор;

2)    память программ объемом 4 Кбайт (только 1830ВЕ51);

3)    память данных объемом 128 байт;

4)    четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода;

5)    два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;

6)    систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;

7)    последовательный интерфейс;

8)    тактовый генератор.

Система команд ОЭВМ содержит 111 базовых команд с форматом 1,2 или 3 байта.

ОЭВМ имеет:

-         32 РОН;

-         128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов;

-          набор регистров специальных функций.

ОЭВМ при функционировании обеспечивает:

-         минимальное время выполнения команд сложения – 1 мкс;

-         аппаратное умножение и деление с минимальным временем выполнения команд – 4 мкс;

-         задание частоты синхронизации с помощью внутреннего генератора путем подключения кварца, LC – цепочки или с помощью внешнего генератора;

-         побайтную и побитную адресацию, двоичную и двоично-десятичную арифметику, индикацию переполнения и определения четности/нечетности, возможность реализации логического процессора.

Важнейшей и отличительной чертой архитектуры семейства МК51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8-разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и использоваться в логических вычислениях. Тогда как поддержка простых типов данных (при существующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться шагом назад, но это качество делает микроЭВМ семейства МК51 особенно удобными для применений, в которых используются микроконтроллеры. Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свойства в целом называются булевым процессором семейства МК51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроЭВМ семейства МК51 одинаково хорошо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для алгоритмов с большим объемом данных.

ОЭВМ, структурная схема которой представлена на рис. 2.1, состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров-счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен информацией между функциональными блоками осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных.

Блок управления предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.

В состав блока управления входят: устройство выработки временных интервалов, логика ввода-вывода, регистр команд, регистр управления потреблением питания, дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Из особенностей работы этого блока следует подчеркнуть формирование машинного цикла, который имеет фиксированную длительность и содержит шесть состояний, которые в свою очередь образуются двумя периодами тактового генератора. Таким образом, длительность машинного цикла составляет 12 периодов тактового генератора, что определяет минимально возможное время выполнения операции – 1мкс на частоте генератора 12 МГц.

Другой особенностью является наличие режимов холостого хода и микропотребления. Эти режимы бывают полезны для экономии энергопитания.

АЛУ представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций, а так же операций логического сдвига, обнуления, установки и т. п. АЛУ состоит из регистра аккумулятора, регистра временного хранения, ПЗУ констант, сумматора, дополнительного регистра, аккумулятора, регистра состояния программы.

Таймеры/счетчики предназначены для подсчета внешних событий, для получения программно управляемых временных задержек и выполнения времязадающих функций ОЭВМ. В состав данного блока входят:

1)    два 16-разрядных регистра таймера-счетчика;

2)    восьмиразрядный регистр режимов;

3)    восьмиразрядный регистр управления;

4)    схема инкремента;

5)    схема фиксации внешних сигналов;

6)    схема управления флагами;

7)    логика управления таймерами-счетчиками.

Блок таймеров-счетчиков позволяет запускать/останавливать работу таймеров в одном из четырех режимов, определить режим работы в качестве таймера или счетчика; задать управление блоком от внешних сигналов. Наличие этого блока позволяет значительно расширить применение микропроцессоров этого типа в аппаратуре управления, т. к. создает возможность ввода-вывода сигналов реального времени без ввода в аппаратуру дополнительных элементов.

Блок последовательного интерфейса и прерываний предназначен для организации ввода-вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят: буфер обмена, логика управления, регистр управления, буфер передатчика, буфер приемника, приемник/передатчик последовательного порта, регистр приоритетов прерываний, регистр разрешения прерываний, логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Последовательный интерфейс может работать в трех асинхронных и одном синхронном режиме, максимальная скорость передачи может составлять 1 Мбод. Приемник и передатчик могут работать одновременно и независимо от выполнения команд программы, обеспечивая дуплексный режим работы канала. Интерфейс может работать, как по опросу бита состояния, так и по прерыванию.

Система прерываний может вырабатывать прерывания программы от последовательного порта, по переполнению от двух таймеров-счетчиков, от двух внешних выводов. Два уровня приоритетов позволяет гибко управлять последовательностью обработки запросов.

Программный счетчик (счетчик команд) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса программной памяти и 8/16-разрядного адреса внешней памяти данных. В состав счетчика входят 16-разрядный буфер, регистр указателя данных, регистр счетчика команд, схема инкремента, регистр адреса памяти.

Порты P0, P1, P2, P3 являются двунаправленными портами ввода-вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода. Каждый из портов содержит фиксатор-защелку, которая представляет собой восьмиразрядный регистр, имеющий байтовую и битовую адресацию для установки (сброса) разрядов с помощью программного обеспечения.

Помимо работы в качестве обычных портов ввода/вывода линии портов P0…P3 могут выполнять ряд дополнительных функций.

Через порт P0:

-         выводится младший байт адреса A0…A7 при работе с внешней памятью программ и внешней памятью данных;

-         выдается из ОЭВМ и принимается в ОЭВМ байт данных при работе с внешней памятью (при этом обмен байтом данных и вывод младшего байта адреса внешней памяти мультиплексированы по времени);

-         задаются данные при программировании внутреннего ППЗУ и читается содержимое внутренней памяти программ.

Через порт P1:

-         задается младший байт адреса при программировании внутреннего ППЗУ и при чтении внутренней памяти программ.

Через порт P2:

-         выводится старший байт адреса при работе с внешней памятью программ и внешней памятью данных;

-         задается старший байт адреса при программировании внутреннего ППЗУ и при чтении внутренней памяти программ.

Каждая линия порта P3 имеет индивидуальную альтернативную функцию: вход последовательного порта, выход последовательного порта, 2 линии внешнего запроса прерывания, два входа счетчика внешних событий, строб записи и строб чтения данных внешней памяти.

Память данных предназначена для приема, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы. Память данных, расположенная на кристалле ОЭВМ, состоит из регистра адреса ОЗУ, дешифратора, ОЗУ и указателя стека. ОЗУ представляет собой 128 восьмиразрядных регистра. В микроЭВМ предусмотрена возможность расширения памяти данных путем подключения внешних устройств емкостью до 64 Кбайт, при этом порт P0 работает как мультиплексированная шина адрес/данные, а на линии порта P2 выдаются  старшие разряды адреса.

Память программ предназначена для хранения программ и имеет отдельное от памяти данных адресное пространство объемом до 64 Кбайт, причем для микросхем 1830ВЕ51 часть памяти программ расположена на кристалле ОЭВМ. Память программ, расположенная на кристалле, состоит из 12-разрядного дешифратора и ПЗУ емкостью 4К*8 бит. Запись программ в ПЗУ происходит во время изготовления кристаллов.

Когда микропроцессор работает с внутренней памятью программ, сигналы выборки внешней памяти не формируются и адрес на портах P0 и P2 не выставляется.

При обращениях к внешней памяти программ всегда формируется 16-разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт P0, а старший – через порт P2. При этом младший байт адреса, выдаваемый через порт P0, должен быть зафиксирован во внешнем регистре по спаду сигнала ALE, т. к. в дальнейшем линии порта P0 используются в качестве шины данных, по которой байт из внешней памяти программ вводится в ОЭВМ.