Буферные тристабильные элементы увеличивают мощность сигналов до стандартных значений ТТЛ.

ВВЕДЕНИЕ

Микропроце́ссор — устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

Многие, когда говорят о микропроцессорах, представляют себе персональный компьютер. Но первые процессоры были встроены в самые повседневные и распространенные механизмы и инструменты. Когда компания Intel представила в 1971 году свой первый микропроцессор, никто даже не мог предположить, к созданию каких сложных аппаратов эта технология приведет в будущем.

Некоторые области применения процессора:

   Контроллер светофора

Интерактивные игрушки

Радиомодем

Спутниковая связь

Автомобильная цифровая навигационная система

Управление зажиганием и подачей топлива в автомобилях

Принтеры

Пульт звукорежиссера

Интерактивный сенсорный видеоэкран

Клавиатура компьютерного терминала

Жесткий диск

Контроль за расходованием электроэнергии

Рыболовная электронная наживка

Электронный орган, гитара, синтезатор

Спортивные тренажеры

Электронная игра дартс

Исследовательские приборы

Сотовый телефон

Спутниковое приемное устройство

Медицинское оборудование

Торговые автоматы

Электронный уровень (для столярных работ)

Копиры

Штрихкодовый принтер

Рука робота

Система построена с использованием микропроцессора, модулей оперативной, постоянной памяти, с системой ввода вывода называется микропроцессорной системой.

В данной работе разрабатывается микропроцессорная система с минимальной конфигурацией, что предполагает использование управляющих сигналов, формируемых непосредственно на выводах микропроцессора Intel 8086.
1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Состав микропроцессорной системы

Микропроцессорная система состоит из десяти основных узлов:

- Тактовый генератор G;

- Микропроцессор CPU;

- Буферный регистр RG;

- Шинный формирователь;

- Контроллер прерываний IC;

- Модуль памяти;

- Модуль ввода/вывода;

- Шина адреса ША;

- Шина данных ШД;

- Шина управления ШУ.

Тактовый генератор служит для генерации тактирующего сигнала обеспечивающего синхронизацию работы микропроцессора и микропроцессорной системы в целом. Так же формирует сигнала “ready” служащий для индикации момента когда установились частота генерируемого сигнала, и сигнала “reset” служащего для сброса микропроцессора и других элементов системы.

Микропроцессоробеспечивает выполнение программы хранящейся модуле памяти, формирует адреса и сигналы управления для обращения к определенным ячейкам памяти модуля памяти, и отдельным элементам системы, таким как порты ввода/вывода, контроллер прерываний. Ниже поясняется назначение этих сигналов:

Шинный формировательслужит для коммутации микропроцессора с шиной данных, выбора направления передачи данных, усиления сигнала выдаваемого микропроцессором на шину.

Контроллер прерываний обеспечивает согласование сигналов запроса прерывания, поступающих от модуля ввода/вывода с процессором.

Модуль памятиобеспечивает запись, чтение, хранение данных. Хранит программу необходимую для работы процессора.

Модуль ввода/выводаобеспечивает обмен данными между микропроцессорной системой и подключаемыми к ней внешними устройствами.

Шина адреса шестнадцати разрядная шина, служащая для передачи адреса ячейки памяти при обращении к модулю памяти, адреса порта при обращении к портам ввода/вывода, или адреса контроллера прерываний при обмене данными между контроллером прерываний и процессором.

Шина данных восьми разрядная шина, необходимая для обмена данными между процессором и контроллером прерываний, процессором и модулем памяти, процессором и модулем ввода/вывода.

Шина управления служит для передачи управляющих сигналов таких как чтение данных, запись данных, выбор порт/память при адресации, и др., от процессора к другим модулям системы, а так же для передачи сигналов запроса прерывания от модуля ввода/вывода к процессору.

Контроллер прямого доступа к памятизначительно ускоряет пересылку данных, реализуемый с помощью специальных контроллеров DMA. На один цикл DMA (пересылка одного байта) затрачивается всего четыре такта, причем данные записываются непосредственно в память или читаются из памяти с автоматическим инкрементом адреса. Ввод вывод по прямому доступу к памяти целесообразно использовать также при пересылках больших массивов данных между системной и внешней памятью, например, при использовании в микроЭВМ в качестве внешней памяти накопителей на гибких магнитных дисках или на жестких дисках.

Электрическая структурная схема микропроцессорной системы представлена на первом листе графической части.

Обоснование выбора способа организации связей между элементами МПС

Для организации связей между элементами МПС выбрана общая системная шина. Данный способ имеет более простую организацию связей между элементами МПС, а также позволяет экономить на материале, так как используется только одна шина.

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Описание заданного типа микропроцессора

Микропроцессор i8086/i8088 принадлежит к 16-разрядным процессорам первого поколения. Большая интегральная схема i8086 с геометрическими размерами 5,5x5,5 мм имеет 40 контактов, содержит около 29 000 транзисторов и потребляет 1,7 Вт от источника питания +5 В, тактовая частота составляет 5; 8 или 10 МГц.

Микропроцессор выполняет операции над 8 - и 16-разрядными данными, представленными в двоичном или двоично-десятичном виде, может обрабатывать отдельные биты, а также строки или массивы данных. Он имеет встроенные аппаратные средства умножения и деления.

Микропроцессор имеет внутреннее сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) емкостью 14x16 байт. Шина адреса является 20-разрядной, что позволяет непосредственно адресовать 220 = 1 048 576 ячеек памяти (1 Мбайт).

Пространство адресов ввода/вывода составляет 64 Кбайт. В БИС i8086 реализована многоуровневая векторная система прерываний с количеством векторов до 256. Предусмотрена также организация прямого доступа к памяти, по которому микропроцессор прекращает работу и переводит шины адреса, данных и управления в высокоимпедансное состояние.

Среднее время выполнения команды занимает 12 тактов. Особенностью i8086 является возможность частичной реконфигурации аппаратной части для обеспечения работы в двух режимах - минимальном и максимальном. Режимы работы задаются аппаратно. В минимальном режиме, используемом для построения однопроцессорных систем, микропроцессор самостоятельно формирует все сигналы управления внутренним системным интерфейсом. В максимальном режиме, используемом для построения мультипроцессорных систем процессор формирует на линиях состояния двоичный код, который зависит от типа цикла шины. В соответствии с этим кодом системный контроллер К1810ВГ88 формирует сигналы управления шиной. Контакты, которые освободились в результате кодирования информации, используются для управления мультипроцессорным режимом. При использовании арифметического сопроцессора необходимо выбирать максимальный режим.

       Токи потребления и параметры выходных сигналов характеризуются значения:

              I_{CC max}  = 340/350/360 mA

              V_{OL max} = 0,45 B при I_OL = 2,5 mA

              V_{OL max} = 0,40 B при I_OL = 2,5 mA

Устройство управления декодирует байты программы и управляет работой операционного устройства и шинного интерфейса. Операционное устройство МП состоит из 4-х шестнадцатиразрядных регистров общего назначения: РОН (AX,BX,CX,DX), из 4-х регистров указателей (адресных регистров SP,BP,SI, DI) и арифметико-логического устройства (АЛУ) с регистром признаков операций (флагов F).

РОН (Регистры Общего Назначения) служат для хранения промежуточных результатов операций, т.е. операндов. Помимо общих, каждый из этих регистров имеет и некоторые специальные функции, о которых будет сказано далее. Каждый РОН может раcсматриваться, как состоящий из двух независимых 8-ми разрядных регистров AH, AL, BH, BL, CH, CL и DH, DL.

Адресные регистры хранят 16-ти битовые указатели (адреса) на области памяти. В SP (StackPointer) находится текущий адрес "вершины стека" - специально организованной области памяти, которая будет описана далее. Регистр BP(Base Pointer) хранит любойбазовый адрес в области стека. Два регистра SI и DI (Source и Destination Index) адресуют области памяти, называемые источником и приемником данных.

Шинный интерфейс его узлы отмечены двойной чертой, выполняет операции обмена между МП и памятью или внешними устройствами. В сегментных регистрах CS,SS,DS,ES хранятся указатели на 64-х килобайтные области памяти называемые сегментами. Значения этих указателей могут перекрываться. Адрес байта в ячейке памяти получается суммированием содержимого одного из сегментных регистров и одного из регистров (SP,SI,DI,IP). Например адрес текущего байта программы, извлекаемого из памяти определяется суммой адресов, хранящихся в регистре кодового сегмента (CS) и указателе команд (IP). В регистре IP хранится 16-битовый адрес байта в кодовом сегменте к которому микропроцессор должен обратиться. Подробнее об этом будет сказано далее. Связь с внешними устройствами осуществляется через специальные тристабельные схемы с повышенной нагрузочной способностью и называемые буферами.

Текущий байт программы направляется в очередь команд: шесть однобайтовых регистров расположенных конвейером (по принципу "первым вошел - первым вышел" или FIFO ). Конвейер позволяет одновременно выполнять команду из очереди и загружать следующую, повышая производительность МП.

Буферные тристабильные элементы увеличивают мощность сигналов до стандартных значений ТТЛ.

ZF - флаг/признак нулевого результата (Zero), устанавливается в 1, если получен нулевой результат, иначе (ZF)=0.

CF - флаг переноса (Carry) устанавливается, если в результате выполнения операции из старшего бита переносится или занимается 1 при сложении или вычитании, иначе (CF)=0. На CF влияют также команды сдвига и умножения.