Цифровые вычислительные машины Методические указания

КАФЕДРА АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Лабораторные работы. Часть 2.
Цифровые вычислительные машины
Методические указания

УЧЕБНО-ОТЛАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО \»ЭЛЕКТРОНИКА — 580\»
НАЗНАЧЕНИЕ
Учебно-отладочное устройство (УОУ) предназначено для знакомства с осо-бенностями построения микроЭВМ на микропроцессоре с фиксированным на-бором команд и может быть использовано для исследования методов програм-мирования и работы БИС, входящих в микропроцессорный комплекс серии КР580.
УОУ представляет собой универсальную микроЭВМ и поэтому может быть использовано как управляющая ЭВМ при создании и исследовании работы сис-тем управления различными объектами. УОУ является легко осваиваемым и удобным средством для отладки относительно небольших программ пользовате-ля.
СТРУКТУРА УОУ
Структурная схема УОУ приведена на рис. 1.

Центральным элементом является микропроцессор МП, представляющий собой БИС КР580ИК80А и обеспечивающий обработку информации и управле-ние всеми остальными узлами УОУ. Блок синхронизации БС вырабатывает так-товые импульсы и основные синхронизирующие сигналы.
Обмен информацией между процессором и остальными узлами УОУ осу-ществляется с помощью трех шин: шины адреса ША, шины данных ШД и шины управления ШУ. Для повышения нагрузочной способности шин предусмотрены буферные схемы с шинными формирователями БА и БД.
Сигналы шины управления обрабатываются в блоке системного контролле-ра БСК, содержащем регистр слова состояния процессора и формирователя управляющих сигналов. Для упрощения схемы УОУ предусмотрен дешифратор адреса ДА, который вырабатывает сигнал выбора для устройств памяти и внеш-них устройств.
Хранение программ и данных, необходимых для работы УОУ, осуществля-ется в ППЗУ и ОЗУ.
Управление работой УОУ производится с помощью клавиатуры из 25 кла-виш. Клавиатура подключена к шинам УОУ через параллельный интерфейс ИПР, выполненный на БИС КР580ВВ55.
Индикация информации осуществляется с помощью восьмизначного вось-мисегментного светодиодного дисплея, управляемого узлом прямого доступа к памяти ПДП.
Рис. 1. Структурная схема УОУ
Для обеспечения возможности длительного сохранения отлаживаемых про-грамм в составе УОУ введен модем, обеспечивающий ввод-вывод информации на бытовой кассетный магнитофон. Управление модемом производится про-граммным путём через интерфейс ИПР.
Индикаторные схемы ИС, подключенные к ИПР, предназначены для- ото-бражения состояния разрядов нуля и переноса (Z и C) регистра флагов микро-процессора.
АДРЕСАЦИЯ ПАМЯТИ В УОУ
УОУ содержит два встроенных ЗУ: перепрограммируемое ПЗУ с ультра-фиолетовым стиранием объемом 1 Кбайт и оперативное ЗУ объемом 2Кбайт. Предусмотрена возможность установки одной — трех микросхем ППЗУ типа КР573РФ2 объемом 1 или 2 Кбайт каждая.
АДРЕСАЦИЯ ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ (ВУ)
Для облегчения создания на основе УОУ специализированных микроЭВМ в схеме УОУ предусмотрен дешифратор адреса ДА, формирующий пять сигна-лов выборки внешних устройств.
Один сигнал выборки используется в УОУ в схеме параллельного интер-фейса ИПР, через который подключены клавиатура, модем и схемы индикации состояния флагов МП. Четыре остальных сигнала выборки предназначены для пользователя.
В микроЭВМ на основе МП КР580ВМ80А внешние устройства могут иметь шестнадцатеричные адреса от 00 до FF, причем одно внешнее устройство обычно имеет несколько последовательных адресов.
Дешифратор адреса, встроенный в УОУ, формирует сигналы выборки по старшему разряду кода адреса ВУ в соответствии с табл. 2.
ИНДИКАТОР АДРЕСА И ДАННЫХ
Индикатор адреса и данных состоит из восьми разрядов. Каждый разряд является восьмисегментной ячейкой на светодиодах (семь сегментов отобража-ют символ, восьмой — точку). Для отображения алфавитно-цифровой информа-ции, т.е. цифр 0, …, 9, букв А, …, F, Н, Р, R, S, Т, не всегда достаточно семи сег-ментов, поэтому для букв В, D, R, Т используют стилизованные обозначения:***
Разряды (знакоместа) индикатора нумеруются слева направо. При отобра-жении ячейки памяти в разрядах 1,…,4 индикатора в шестнадцатиричной систе-ме счисления высвечивается адрес, в разрядах 7 и 8 — данные, хранящиеся по этому адресу.
При отладке программы в разрядах 1 … 4 индикатора отображается содер-жимое счетчика команд, а в разрядах 7, 8 — код команды либо содержимое реги-стра микропроцессора. В последнем случае в пятом разряде индикатора появля-ется обозначение регистра, а в шестом — знак \»тире\».

МИКРОПРОЦЕССОР КР580ВМ80А
ЭЛЕМЕНТЫ АРХИТЕКТУРЫ МП-СИСТЕМЫ НА БАЗЕ KP580
Общая структура системы на базе микропроцессора KP580 показана на рис. 3. В ней выделяют три основных компонента — центральный процессор, функции которого выполняет микропроцессор, память и средства ввода-вывода.
Микропроцессор является единственным активным компонентом системы и реализует следующие функции:
управляет выполнением команд программы: выбирает команду, считывает операнды, преобразует их в соответствии со смыслом команды и определяет ад-рес следующей команды;
управляет обменом различной информацией между компонентами систе-мы;
реагирует на разнообразные внешние сигналы.
Память МП-системы представлена программным энергонезависимым по-стоянным запоминающим устройством (ПЗУ), допускающим только считывание хранимой информации, и полупроводниковой оперативной памятью (или запо-минающим устройством с произвольной выборкой — ЗУПВ), выполняющей опе-рации считывания и записи.
В функциональном отношении память состоит из однотипных ячеек, длина (разрядность) которых совпадает с длиной слова микропроцессора, т.е. составля-ет 8 бит (один байт). Ячейки пронумерованы, номера их называются адресами, и для обращения к ячейке достаточно указать ее адрес. Совокупность ячеек, к ко-торым потенциально может адресоваться микропроцессор, называется адресным пространством памяти, а фактически имеющиеся ячейки образуют рабочее про-странство памяти МП-систем.
Адресное пространство микропроцессора КП580 составляет 64 Кбайт (65536 ячеек). Адресное пространство графически изображается в виде столбца из 64 Кстрок с двоичными адресами от 00…00 до II…II. Различные области ад-ресного пространства группируются в блоки из последовательных ячеек, обра-зующие так называемую карту памяти. Блоки могут относиться к аппаратным устройствам, например блоки ПЗУ или ЗУПВ или к программным образованиям, например основная программа, подпрограммы и др.
Средства ввода-вывода (ВВ) представлены портами ввода и вывода. Ин-формация от устройств ввода поступает в порты ввода и считывается микропро-цессором, а порты вывода воспринимают информацию от микропроцессора и передают ее в устройства вывода. В простейшем случае порты ввода и вывода — это буферные регистры, имеющие определенные адреса и выполняющие функ-ции сопряжения МП-системы с разнообразными периферийными устройствами (\»внешним миром\»).
ОРГАНИЗАЦИЯ МП КР580
Архитектура МП КР580 отмечена следующими основными особен-ностями:
магистральным принципом связей, реализованным в виде связывающей ос-новные узлы МП двунаправленной шины данных;
наличием регистровой памяти, образованной программно-доступными об-щими и специализированными регистрами, а также регистрами временного хра-нения;
наличием средств организации стековой памяти;
наличием шестнадцатиразрядной шины адреса, обеспечивающей возмож-ность прямой адресации любого байта в памяти емкостью 64 Кбайт;
наличием операции над двухбайтными словами с помощью специальных команд;
использованием нескольких форматов команд (однобайтных, двухбайтных и трехбайтных) и разнообразных способов адресации, позволивших при корот-ком восьмибитном слове иметь достаточно гибкую систему команд;
возможностью реализации векторного многоуровневого приоритетного прерывания путем подключения к МП специальной БИС (контроллера прерыва-ний);
возможностью реализации в МП режима прямого доступа к памяти путем подключения специальной БИС (контроллера прямого доступа);
наличием эффективных средств работы с подпрограммами и средств обра-ботки запросов прерываний.
Структурная схема МП КР580 приведена на рис. 4. Канал мик-ропроцессора содержит три шины: шину данных ШД (8 линий), шину адреса ША (16 линий) и шину управления ШУ (10 линий).
Микропроцессор имеет следующие функциональные узлы: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления, дешифратор команд и схему кодирования цикла, блок регистров со схемой выборки регистра и муль-типлексором, регистр команд, аккумулятор (регистр А), регистр флагов (регистр F), регистр временного хранения данных на входе АЛУ (регистр Т), схему деся-тичной коррекции, регистр аккумулятора, регистры и буферы шин адреса и дан-ных, схему инкремента-декремента.Блок регистров организован в шесть шестна-дцатибитных регистров: программный счетчик РС, указатель стека SP, регистр временного хранения W, Z и три пары восьмибитных регистров общего назначе-ния (POH)-B, C; D, E; H, L. Регистры общего назначения можно использовать как в составе пар, так и отдельно.
Программный счетчик хранит адрес текущей ячейки программной памяти. Указатель стека адресует последнюю занятую ячейку (или \»вершину\» стека). Ре-гистры W, Z программно недоступны и используются при выполнении команд для временного хранения данных. Регистры общего назначения используются для хранения операндов, промежуточных и конечных результатов, а также адре-сов.
Аккумулятор используется в качестве источника одного из операндов и места, где фиксируется результат операции.
Схема инкремента-декремента предназначена для автоматического измене-ния адресов.
Восьмиразрядное АЛУ выполняет простейшие арифметические и логиче-ские операции. Схема десятичной коррекции под воздействием специальной ко-манды интерпретирует результат двоичного сложения как результат операции десятичной арифметики.
АЛУ непосредственно связано с регистром флагов (признаков), в соответ-ствующих разрядах которого фиксируются особенности результата каждой опе-рации (табл. 4).
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МП
МП КР580 реализует классический принцип действия, предложенный Дж. фон Нейманом еще в 1945 г. Работа МП состоит в последовательном выполне-нии команд в соответствии с программой, заранее разработанной и размещенной в памяти МП системы.
Команды обычно выполняются в порядке размещения их кодов в памяти, однако с помощью команд переходов можно обеспечить любой необходимый порядок выполнения команд.
Код команды состоит из двух частей: кода операции (КОП), который задает выполняемые действия или операцию, и поля операнда, определяющего данные, участвующие в операции.
Код команды может иметь длину от 1 до 3 байт, причем код операции все-гда содержится в первом байте команды.
Работа МП зависит не только от команд программы, но и от внешних сиг-налов, поступающих по шине управления (например, сигналов готовности, за-просов прямого доступа к памяти, запросов прерывания, останова). Предполо-жим, что эти внешние сигналы имеют такие значения, которые не нарушают ос-новного режима работы МП по реализации команд программы.
Процесс выполнения одной команды называется циклом команды. До нача-ла цикла команды в программный счетчик РС должен быть помещен адрес ко-манды в программной памяти.
При выполнении любой команды элементы МП работают в следующей по-следовательности:
1. Адрес кода команды выставляется на ША и в память посылается сигнал чтения. Из ячейки памяти с указанным адресом извлекается байт команды, со-держащий код операции, передается по ШД в МП и заносится в регистр коман-ды. Содержимое РС увеличивается на единицу.
2. Производится декодирование кода операции.
3. Если код команды имеет длину 2 или 3 байта, то производиться обра-щение к программной памяти (аналогично п. 1, только содержимое ячеек памяти передается в регистры временного хранения). При каждом обращении к про-граммной памяти содержимое PC увеличивается на единицу.
4. Если это необходимо по логике выполнения команды, то по шинам ША и ШД производится цикл обращения к памяти или устройству ввода-вывода (чтение или запись операнда).
5. Реализуются конкретные действия, предусмотренные выполняемой ко-мандой (преобразование данных, передача из временных регистров в программ-но-доступные и т.д.).
6. Если это необходимо, то производится анализ результата операции, формируются флаги и помещаются в регистр флагов.
7. В командах переходов формируется адрес следующей команды путем занесения нового содержимого в программный счетчик PC. Во всех остальных командах адрес следующей команды формируется автоматически (пп. 1 и 3).
МАШИННЫЕ ЦИКЛЫ И ТАКТЫ
В МП КР580 каждая команда выполняется в течение 1 — 5 машинных цик-лов МП. Число машинных циклов команды определяется числом обращений к внешним подсистемам (памяти и средствам ввода-вывода) для обмена информа-цией между микропроцессором и адресуемым внешним регистром, исключение составляет команда DAD, выполняемая за три машинных цикла с обращением к памяти только в первом цикле.
Машинный цикл состоит из 3 — 5 машинных тактов T1, называемых также функциональными состояниями или просто состояниями микропроцессора. Длительность такта равна периоду сигналов синхронизации. Продолжительность выполнения различных команд составляет от 4 до 18 тактов.
Для МП КР580 существует 10 типов машинных циклов:
1. Извлечение кода команды (М1).
2. Чтение данных из памяти.
3. Запись данных в память.
4. Извлечение данных из стека.
5. Запись данных в стек.
6. Ввод данных из внешнего устройства.
7. Вывод данных во внешнее устройство.
8. Цикл обслуживания прерывания.
9. Останов.
10. Обслуживание прерываний в режиме останова.
Первые три такта всех машинных команд унифицированы и образуют фазу адресации. Собственно адресация осуществляется в цикле T1. Микропроцессор выдает сигналы на шину адреса. Источником адреса могут быть следующие внутренние регистры: программный счетчик, указатель стека, регистровые пары B, D или Н, L, а также пара W, Z.
Такт Т2 отведен для проверки необходимости реакции на некоторые управ-ляющие сигналы, влияющие на функционирование МП. В этом такте проверя-ются уровни внешних сигналов готовности READY, запроса прямого доступа к памяти HOLD, а также внутреннего сигнала подтверждения останова HLTA. Кроме того, в такте Т2 последнего машинного цикла каждой команды проверя-ется уровень внешнего сигнала запроса прерывания INT.
Помимо проверки управляющих сигналов в такте Т2 производятся сле-дующие действия:
если текущий машинный цикл связан с обращением к программной памяти, то выполняется инкремент программного счетчика РС;
если текущий цикл предназначен для ввода данных в МП, то формируется сигнал считывания;
если текущий цикл связан с выводом данных из МП, то формируются соот-ветствующие сигналы на шине данных.
Такт Т3 отведен непосредственно для обмена информацией.
В тактах Т4 производятся дешифрование кода операции, необходимые внутренние передачи и преобразования данных. Например, в тактах Т4, Т5 ко-манд INR (INX) и DCR (DCX) осуществляется инкремент или декремент адре-суемого регистра (регистровой пары), в командах разветвлений проверяются указанные в них условия, в такте T4 команды СМА инвертируется аккумулятор и т.п.
Система команд микропроцессора КР580 приведена в приложении……

+ Лабораторные работы:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I
ИЗУЧЕНИЕ УЧЕБНО-ОТЛАДОЧНОГО УСТРОЙСТВА \»ЭЛЕКТРОНИКА-580\»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЗАПИСЬ И ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОСТЫХ ПРОГРАММ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ АДРЕСАЦИИ, КОМАНД ПЕРЕСЫЛОКИ АРИФМЕТЕЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ МП КР580

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ КЛАВИАТУРЫ И ДИСПЛЕЯ УОУ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ И ОРГАНИЗАЦИЯ УСЛОВНЫХ ПЕРЕХОДОВ

Скачать полную версию можно по ссылке…
СКАЧАТЬ работу