Микро ЭВМ на МПК 1801

Блок микропрограммной Блок генерации адреса

памяти.

от устройства

прерываний

Дешифратор Блок синхронизации

микрокоманд

Рис 2.1.

1. ВВЕДЕНИЕ

Последние годы характеризуются бурным развитием интегральной микроэлектроники и конструирования радиоэлектронной аппаратуры на основе интегральных микросхем. Внедрение в радио-, а также и электронную аппаратуру интегральных микросхем в значительной мере изменило методы проектирования и производства различной радиоэлектронной аппаратуры, повысило ее надежность и экономичность при одновременном уменьшении габаритов и веса. Благодаря интегральным микросхемам значительно расширилось внедрение радиоэлектроники в различные области науки и техники. Применение современной элементной базы позволило не только усовершенствовать старые, но и создать новые методы проектирования, конструирования и производства бытовой радиоаппаратуры и привело к новым разработкам в микропроцессорной системе. Малые габариты, масса, потребляемая мощность, высокая надежность, долговечность и большое множество функционального назначения дали создать новейшие устройства во всех сферах применения интегральных микросхем.

Микропроцессор представляет собой процессор, функционирующий в соответствии с программой, записанной в ЗУ, и характеризуется тем, что он выполняется в виде одной или нескольких БИС. Использование БИС обусловило следующие достоинства микропроцессоров: низкую стоимость, малые габариты и малое потребление мощности. Благодаря дешевизне микропроцессоров стало возможным применять вычислительные устройства там, где прежде их применение считалось экономически невыгодным; малые размеры и малое потребление мощности позволили встраивать микропроцессоры в самые разнообразные устройства.

Микропроцессор изменил характер проектирования цифровых устройств. Вместо разработки схем при использовании микропроцессоров составляются программы. Это ускоряет, удешевляет проектирование, обеспечивается легкость внесения изменений в способ функционального устройства, осуществляется путем замены хранящейся в ЗУ программы новой программой. Вместе с тем следует иметь в виду, что выполнение микропроцессоров определенной функции связано с последовательным выполнением обычно значительного числа команд, на что затрачивается большое время, и быстродействие устройств, которые используют микропроцессоры, оказывается относительно невысоким. Поэтому в тех случаях, когда требуется обеспечить высокое быстродействие, оно легче может быть достигнуто в устройствах, в которых функционирование определяется не программой, записанной в ЗУ, а путем определенных соединений элементов в схеме. Первые микропроцессоры появились в конце 1971г и уже через несколько лет они стали широко применяться в самых разнообразных сферах производства и быта. Они используются в измерительных приборах, в устройствах цифровой обработки данных, в качестве устройств управления станками, лифтами и т.д. В системе связи они найдут широкое применение, в частности, в телефонных аппаратах для расширения их возможностей, в управляющих комплексах систем коммутации каналов и сообщений и т.д.

Возможности применения микропроцессоров во всех средах оказались столь обширны, что влияние микропроцессоров равносильно революции в технике.

2. Проектирование ЦП на БИС К1801

В ЭВМ арифметические и логические операции с поступающей информацией выполняются в процессоре. Процессор, реализованный в виде одной БИС или на нескольких БИС называется микропроцессором. Основными блоками, из которых состоит МП является арифметико-логический блок (АЛБ) и устройство управления (УУ). Информация в МП поступает через выходные магистрали, которые связывают его с блоками памяти и различными внешними устройствами. Количество магистралей, связывающих МП с внешними устройствами может быть различным в зависимости от внутренней организации МП и структуры вычислительного устройства. Структура микроЭВМ определяется организацией МП, составом входящих в него функциональных узлов, количеством внешних магистралей и организацией обмена информацией. Для многих команд требуются процедуры обмена информацией с ЗУ, разнообразными внешними устройствами, устройствами ввода-вывода. При реализации процедурного обмена МП формирует на МА адрес ячейки ЗУ или двоичный код внешнего устройства, к которому он обращается. Одновременно МП по МУ формирует управляющие сигналы, настраивающие подключающее устройство на необходимый режим обмена информацией. После формирования кода адреса и управляющих сигналов по МД передается информация. Эта информация затем преобразуется в соответствии с кодом очередной команды, записанной в специальный регистр МП. Для этого УУ МП формирует управляющие сигналы на узлы АЛБ, участвующие в выполнении команды. Одновременно с выполнением команды УУ МП формирует адресный код следующей команды и обеспечивает считывание ее из блока памяти. Для связи по единым магистралям выходные и входные узлы различных блоков должны строиться с учетом уровней передаваемых по магистралям сигналов, а также их состава и временной

последовательности. Согласование характеристик сигналов в магистралях с внутренними сигналами различных систем обеспечивается интерфейсными блоками соответствующих устройств. Количество общих магистралей в микроЭВМ может быть различным. Для реализации различных режимов обмена информацией в микропроцессорную систему при необходимости можно ввести контроллер прерываний КП для обработки сигналов запросов на обслуживание от УВВ, а также контроллер прямого доступа к памяти КПДП для организации обмена данными между ЗУ и УВВ (рис.2.1). Восьмиразрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) МП обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичными данными, представленными в дополнительном коде, а также обработку двоично-десятичных упакованных чисел. Блок микропрограммной памяти содержит последовательность микрокоманд. Это микроконструкции управления операционными блоками, выбора следующего адреса, служебные и управляющие микроинструкции. Микроинструкция управления операционным блоком определяет код выполняемой в АЛУ операции. Управляющие сигналы в АЛУ могут поступать непосредственно с выхода микропрограммной памяти либо с выходов дешифратора микрокоманд, работающих под управлением микроинструкций памяти микропрограмм. Микропроцессор имеет раздельный 16-ти разрядный канал адреса и 8-ми разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. В начале каждого машинного цикла микропроцессор вырабатывает сигнал синхронизации SYN, который в сочетании с другими сигналами может быть использован для организации различных режимов работы. После подачи на вход SR сигнала высокого уровня МП устанавливается в исходное состояние. МП выдает на адресный канал адрес ячейки, в которой хранится команда программы, а через канал данных -

информацию состояния, а далее происходит обработка и анализ сигналов МП. Действия, выполняемые МП в машинном цикле определяются 8-ми разрядной информацией состояния, которая выдается через канал данных в первом такте каждого машинного цикла. Эта информация может использоваться для выборки сигналов обращения к ЗУ, УВВ и для организации различных режимов работы МП. При выполнении команд МП может переходить из одного из трех состояний: “ожидание”, “захват”, “останов”, длительность которых определяется внешними управляющими сигналами. Архитектура МП описывает методологию оптимального объединения совокупности аппаратных, программных и микропрограммных средств в вычислительной системе с позиции свойств, предоставляемых в распоряжение разработчиков систем и программистов - пользователей. При разработке архитектуры МП и информационно-управляющих систем на их основе необходимо:

дать описание концептуальной структуры функционального поведения системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и организации вычислительных процессов в ней;

определить структуру, номенклатуру и особенности построения программных и микропрограммных средств;

описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;

произвести анализ функциональной структуры и особенностей физической реализации устройств системы с позиций сбалансированности программных, микропрограммных и аппаратурных средств. При разработке архитектуры МП и на их основе микросистем устанавливаются форматы данных и команд, определяются системы команд и методы адресации, обосновываются требования к интерфейсам. Правильно сбалансированные требования к аппаратурным и программным дают возможность оптимизировать вычислительный процесс в спроектированной микросистеме. В МП микросистеме функции оптимизации

выполняет программное обеспечение. Достигаемый при разработке компромисс между аппаратурными и программными средствами определяет его сложность и трудоемкость. БИС наибольшее влияние оказывают на микроархитектуру микропроцессора - аппаратную организацию и логическую структуру микропроцессора, конфигурацию регистров, управляющих схем, арифметико-логических блоков, запоминающих устройств и связывающих их информационных магистралей. Функциональные блоки, которые раньше строились из многочисленных полупроводниковых приборов в настоящее время реализуются в виде одного прибора. Кроме того, увеличение функциональной насыщенности и быстродействия и снижения стоимости памяти и логики, обеспечиваемые БИС, открывают новые возможности проектирования микроЭВМ, уменьшая влияние стоимости. Поскольку МП выполнены на одном кристалле и при этом включают в себя все аппаратурные средства центрального процессора - регистры, АЛБ, схемы управления, а в некоторых случаях даже память их микроархитектура определяет многие из черт микроархитектуры системы (емкость и расположение регистров, разрядность и трассировку магистралей данных, наличие буферных регистров и магистралей для передачи всех сигналов). Так как многие элементы микроархитектуры становятся частью конструкций кристалла, очень трудно создать такой кристалл БИС, который мог бы найти широкое применение. Очевидно, что кристалл, на котором реализована микроархитектура одной микроЭВМ, будет бесполезным для построения микроЭВМ другой архитектуры. Следовательно, объем его производства будет небольшим, а себестоимость высокой. Микропроцессоры, являющиеся удачным примером реализации целой микроархитектуры на одном кристалле, позволяют также увидеть и недостатки такого подхода. В дополнении к собственной архитектуре эти МП обладают собственной макроархитектурой и системой команд и в связи с этим практически не годятся для реализации архитектуры других ЭВМ.

3. Описание схемы электрической структурной

Рассмотрим структурную схему микроЭВМ на МПК 1801 представленную в графической части лист 2 Э1.

Высокая степень интеграции микропроцессорного комплекта БИС серии К1801, реализующего принципы магистрально-модульной организации, наличие в составе комплекта однокристальных МП и периферийных микросхем позволяют применять его для создания высокоэффективных микропроцессорных средств. Одним их примеров применения комплекта являются выпускаемые промышленностью одноплатные микроЭВМ ряда “Электроника - МС1201”, предназначенные для использования в различных вычислительных и управляющих системах.

МикроЭВМ состоит из функционально законченных модулей, объединенных между собой по магистральному принципу. Системная магистраль (канал), выполненная в соответствии с интерфейсом МПИ, позволяет адресовать 32К 16-разрядных слов или 64К байт (только по записи). В адресном пространстве принято использовать нижнюю область с адресами 0-376 в качестве адресов векторов прерываний. Верхняя область слов адресного пространства от 160000 до 177776 используется для адресов регистров внешних устройств. Активным устройством в канале обычно является процессор. Кроме него активными в канале могут быть устройства, способные работать в режиме прямого доступа к памяти.

Системное ПЗУ (СПЗУ) содержит программы режимов начального пуска, пультового режима, начальных загрузчиков с накопителей на гибких магнитных дисках, резидентного проверяющего теста.

Устройство байтового параллельного интерфейса (УБПИ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронным параллельным каналам

ввода/вывода. Состоит из устройства управления байтовым параллельным интерфейсом (БПИ) и ряда переключателей, а также из устройства передачи информации (УПИ). Осуществляет обмен с системным каналом с помощью четырех внутренних регистров, организует прерывания от приемника и передатчика. Адресация регистров УБПИ задается переключателями, установленными на плате. Эти переключатели изменяют также адреса векторов прерывания, выдаваемых УБПИ при процедуре векторного прерывания программы.

Устройство последовательного ввода/вывода (УПВВ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронному последовательному каналу. Связь УПВВ с внешним устройством осуществляется с помощью узла оптронной развязки (УОР) по линии типа “20 мА токовая петля”.

Устройство интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках (УИГМД). Осуществляет обмен информацией с НГМД с помощью двух внутренних регистров; может производить прерывание программы с выдачей адреса вектора прерываний.

Регистр начального пуска (РНП) предназначен для указания адреса и кода программы режима начального пуска.

Приемопередатчики ПП1-ПП2 служат для усиления и электрической развязки сигналов.

4. Краткое описание МПК серии К1801

Микропроцессорный комплект серии К1801, микросхемы которого изготовляются по n-МДП технологии, предназначен для построения широкого класса микроконтроллеров, микроЭВМ, управляющих микропроцессорных систем. Высокая функциональная мощность, сравнительно высокое быстродействие при умеренной потребляемой мощности, совместимость по системе команд с самыми массовыми в стране микроЭВМ семейства “Электроника” обеспечивают МПК серии К1801 практически неограниченные области применения.

В состав серии К1801 входят микросхемы однокристальных микропроцессоров, способных вести обработку 16-разрядных операндов, периферийных контроллеров, созданных на основе базового матричного кристалла серии К1801ВП1 и микросхемы ПЗУ (таблица 1).

Таблица 1.

Микросхема К1801ВМ1- однокристальный 16-ти разрядный микропроцессор (ОМП), предназначен для обработки цифровой информации в системах управления технологическими процессами, в контрольной и измерительной аппаратуре и системах связи, а также решения в составе ЭВМ инженерно-технических и экономических задач. Условное графическое изображение представлено на

рисунке 4.1. Назначение выводов при

ведено в таблице 2. В состав микросхемы входят следующие основные функциональные блоки, объединенные информационно-управляющими связями:

- 16-разрядный операционный блок, выполняющий операции формирования адресов команд и операндов, логические и арифметические, хранение операндов и результатов;

- блок микропрограммного управления, вырабатывающий последовательность микрокоманд на основе кода принятой команды. В нем закодирован полный набор микрокоманд для всех типов команд;

- блок прерываний, организующий приоритетную систему прерываний ОМП. Выполняет прием и предвари-

тельную обработку внешних и внут-

ренних запросов на прерывание вы-

числительного процесса;

- интерфейсный блок, выполняющий обмены информацией между ОМП и устройствами, расположенными на системной магистрали. Осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа к памяти. В интерфейсном блоке формируется последовательность управляющих сигналов системной магистрали. Осуществ-

ляет арбитраж при операциях прямого доступа к памяти. В интерфейсном блоке формируется последовательность управляющих сигналов системной магистрали;

- блок системной магистрали, связывающий внутреннюю магистраль ОМП с внешней. В нем производится управление усилителями приема и выдачи информации на совмещенные выводы адресов и данных;

- схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию внутренних блоков.

Таблица 2.

Основные параметры К1801ВМ1:

Разрядность............................16 двоичных разрядов.

Предоставление чисел...........дополнительный код с фиксированной запятой.

Система команд.....................безадресная, одноадресная, двухадресная.

Число регистров общего

назначения (РОН)..................8.

Число линий запросов

на прерывания.......................4.

Системная магистраль..........типа МПИ с совмещенными шинами для передачи адреса и данных.

Адресное пространство........64К байт.

Тактовая частота..................От 100 кГц до 5Мгц.

Максимальное быстродействие

выполнения команд сложения

в составе ЭВМ при регистровом

методе адресации..............................до 500 тыс. операций/с.

Потребляемая мощность.................до 1,2 Вт

Микросхема КМ1801ВМ2 - однокристальный МП, является дальнейшим развитием ОМП К1801ВМ1. Она обладает более высоким быстродействием, расширенной системой команд и рядом новых функциональных возможностей. По сравнению с К1801ВМ1 ОМП КМ1801ВМ2 может выполнять дополнительные команды расширенной арифметики (таблица 3). Команды плавающей запятой (MUL, DIV, ASH, FDIV) выполняются на программном уровне с помощью системного ПЗУ КР1801РЕ2.

Таблица 3.

Основные параметры КМ1801ВМ2:

Быстродействие выполнения

регистровых команд типа

“Сложение”......................................до 1000 тыс. операций/с.

Быстродействие выполнения

команд типа “Умножение”............до 100 тыс. операций/с.

Максимальная тактовая

частота.............................................10Мгц.

мощность потребления...................до 1,7 Вт.

Микросхема КМ1801ВМ3 - представляет собой 16-разрядный ОМП, включающий операционный блок, блок прерываний, блок микропрограммного управления, диспетчер памяти и блок управления системной магистрали. Отличительной особенностью являются большой объем адресуемой памяти, высокое быстродействие и возможность подключения сопроцессора арифметики чисел с плавающей запятой (СППЗ). В микросхеме используется три типа команд: безадресные, одноадресные и двухадресные. В кодах одноадресных и двухадресных команд содержится информация, определяющая: выполняемую функцию (код операции); регистры общего назначения, используемые при выборке операндов; метод адресации.

Основные параметры КМ1801ВМ3:

Разрядность чисел и команд........16разрядов с возможностью предоставления и обработки 32-разрядных слов.

Объем адресуемой памяти..............4М байт.

Принцип управления......................микропрограммный.

Число команд..................................72 с фиксированной запятой, 46 с плавающей запятой (при подключении СППЗ).

Число регистров общего

назначения........................................8.

Производительность операций

“Регистр-регистр”............................сложение в потоке 1,5 млн. операций/с; умножение 100 тыс. операций/с; деление 50 тыс. операций/с.

Число линий запросов на

прерывание.......................................4.

Мощность потребления..................1,5 Вт.

Микросхема К1801ВП1-30 - построена на основе базового матричного кристалла микросхемы К1801ВП1. Она предназначена для управления ОЗУ (УОЗУ) динамического типа, выполненного на основе микросхем серии К565РУ3 и К565РУ6, и выполняет:

- прием, хранение и преобразование адреса для накопителя ОЗУ;

- регенерацию памяти;

- связь накопителя ОЗУ и буферного регистра данных с каналом передачи информации ЭВМ;

- специальные функции для управления системными

областями памяти при работе с ОМП К1801ВМ1.

Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема К1801ВП1-33 - применяется для организации интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД) типа “Электроника ГМД-7012”. Совместно с микросхемой К1801ВП1-34 выполняет функции контроллера интерфейса 16-разрядного программируемого параллельного ввода/вывода и контроллера байтового параллельного интерфейса. Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема К1801ВП1-34 - предназначена для использования совместно с микросхемой К1801ВП1-33 для организации интерфейса 16 разрядного программируемого параллельного ввода/вывода, байтового параллельного

интерфейса. Она работает в режимах устройства передачи

информации, буферного регистра данных, устройства выдачи вектора прерывания и компаратора адреса. Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема К1801ВП1-35 - это асинхронный приемопередатчик для внешних устройств, работающих на линию связи с последовательной передачей информации, предназначен для преобразования параллельной информации в последовательную и наоборот. В состав микросхемы входят:

- блок системной магистрали, обеспечивающий связь параллельного канала с регистрами микросхемы;

- блок синхронизации, обеспечивающий запись и чтение информации, а также синхронизацию работы микросхемы по системной магистрали;

- компаратор адресов и управляющих сигналов, производящий выбор по адресу регистров микросхемы и выработку сигналов на запись или чтение информации;

- блок режима работы, устанавливающий работу микросхемы в различных форматах данных;

- блоки приемника и передатчика, состоящие из регистра состоящий из регистра состояния, сдвигового регистра и буферного параллельного регистра;

- блок селектора скоростей, обеспечивающий работу микросхемы на разных скоростях обмена информацией по последовательному каналу, а также выработку сигнала EVNT с частотой 50Гц.

Микросхема обеспечивает по последовательному каналу:

- скорости обмена при тактовой частоте 4608 кГц 50, 75, 100, 150, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод;

- прием и выдачу посылки в форматах 5, 7 или 8 информационных бит;

- формирование двух стоповых бит, причем в формате 5 бит - 1,5 стоповых бита;

- формирование и контроль бита паритета (четности или нечетности), а также работу без бита паритета.

Основные параметры К1801ВП1-30 приведены в таблице 4 и 5.

Микросхема КР1801РЕ2 - эта микросхема представляет собой постоянное запоминающее устройство емкостью 65536 бит с организацией 4096Х16 разрядов, предназначено для построения блоков памяти микроЭВМ различного назначения. Входы и выходы в микросхеме совмещены и поэтому передача данных осуществляется в мультиплексном режиме.

Таблица 4. Таблица 5.

5. Описание схемы электрической принципиальной

Рассмотрим принцип работы микроЭВМ на МПК 1801 согласно схемы электрической принципиальной предоставленной в графической части лист 1 Э3.

МикроЭВМ представляет собой систему функциональных блоков, связь между которыми осуществляется через единый системный канал обмена информацией. Унификация по конструктивному исполнению, системе команд, организации и интерфейсу канала позволяет наращивать технические возможности микроЭВМ за счет подключения дополнительных типовых функциональных устройств, а также унифицированных устройств, разработанных пользователем. Системный канал микроЭВМ представляет собой систему сигнальных связей, назначение и физическая реализация которых закреплены интерфейсом, т.е. совокупность правил, обеспечивающих обмен информацией между отдельными функциональными блоками. Все устройства, подключенные к каналу, используют одни и те же канальные связи. Связь между устройствами, подключенными к каналу, осуществляется по принципу “активный-пассивный”. В любой момент времени только одно устройство является активным и управляет циклами обмена информацией в канале. Передача данных через канал осуществляется по асинхронному принципу при помощи специальных сигналов синхронизации ”ввод данных”, “вывод данных”, ”сигнал синхронизации пассивного устройства”, т.е. на инициализирующий обмен данными сигнал от активного устройства должен поступить ответный сигнал от назначенного пассивного устройства. Поэтому процесс обмена между устройствами не зависит от их быстродействия по выборке и приему данных. Адресное назначение пассивного устройства осуществляется синхронно кодом адреса под управлением фронта устано- вки в активное состояние сигнала “сигнал синхрониза-

ции активного устройства”. Безадресное назначение пассивного устройства осуществляется асинхронно под управлением сигнала путем последовательного прохождения его через цепочку устройств, способных работать в режиме прерывания программы, до первого от процессора, установившего сигнал “требование прерывания”.

Кроме ПРЦ, активными в канале могут являться устройства, способные работать в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). Обмен данными в режиме ПДП является самым эффективным способом передачи данных между внешними устройствами и памятью, так как он проводится на фоне выполнения ПРЦ основной программы. Передача управления каналом осуществляется с помощью управляющего сигнала “сигнал предоставления ПДП”, который последовательно проходит через устройства ПДП, соединенные в цепочку, от ПРЦ до первого, установившего сигнал “требование прямого доступа”. Таким образом, каждое устройство, способное работать в режиме прерывания или в режиме ПДП, имеет свой приоритет обслуживания.

В микроЭВМ установлены следующие приоритеты обслуживания прерываний между интерфейсными устройствами ввода-вывода информации:

- от УПВВ;

- от УИГМД;

- от УБПИ.

Устройств ПДП в составе микроЭВМ нет.

Канал позволяет адресовать к 32К 16-разрядных слов или к 64К байт (только по записи), что составляет адресное пространство микроЭВМ.

Системное постоянное запоминающее устройство (СПЗУ) выполнено на основе микросхемы КР1801РЕ2-055 и предназначено для хранения следующих программ:

- программа режима начального пуска микроЭВМ;

- программа пультового режима работы микроЭВМ;

- программа начального загрузчика с накопителя на ГМД;

- программа “резидентный проверяющий тест”.

Режимы начального пуска микроЭВМ.

Программа режима начального пуска позволят осуществить четыре различных режима пуска микроЭВМ в зависимости от положения переключателей РНП SA1-1, SA1-2, SA1-3, расположенных на плате микроЭВМ.

Программа начального загрузчика с накопителя имеет начальный адрес 173000 и предназначена для загрузки абсолютного загрузчика в старший банк ОЗУ микроЭВМ.

Области размещения программ пультового режима работы и режима начального пуска являются аппаратно скрытными вне адресного пространства микроЭВМ.

Устройство байтового параллельного интерфейса (УБПИ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронным параллельным каналам ввода-вывода.

УБПИ состоит из следующих основных частей:

- устройство управления интерфейсом (БПИ) на основе микросхемы К1801ВП1-033 и переключателей типа ВДМ1-8 SA1.6-SA1.8;

- устройство передачи информации (УПИ) на основе микросхемы К1801ВП1-034.

УБПИ осуществляет обмен с системным каналом микроЭВМ с помощью четырех регистров: регистра состояния источника (РСИ), входного регистра (Вх.Р), регистра состояния приемника (РСПр) и выходного регистра (Вых.Р), может производить прерывания как от приемника, так и от передатчика, обеспечивает обмен с внешними устройствами сигналами, управляющими вводом-выводом информации согласно “интерфейсу для радиального подключения устройств с параллельной передачей информации (ИРПР)”.

УПИ производит прием и передачу информации.

Адресация регистров УБПИ задается переключателями SA1.7, SA1.8. Также эти переключатели меняют адреса векторов прерывания, выдаваемых УБПИ при процедуре векторного прерывания программы. Адреса регистров и век-

торов прерывания приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Работа УБПИ при приеме информации от внешнего источника.

При отсутствии сигнала ГИ-И Н, в РСИ устанавливается бит “ошибка”, устройство к приему информации не готово. При появлении сигнала ГИ-И Н устройство выставляет сигнал ЗП-И Н, и снимает бит “ошибка” в РСИ. При поступлении сигнала СТР-И Н от источника информации устанавливается бит “требование приема” в РСИ. При наличии бита “разрешение прерывания” возникает канальный сигнал “требование прерывания”. После чтения входного регистра снимается сигнал ЗП-И Н. Во время чтения входного регистра возникает сигнал “ввод данных”. Сигнал ЗП-И Н восстанавливается только после снятия сигнала СТР-И Н источником информации.

Работа УБПИ при выдаче информации внешнему приемнику.

Если готовность внешнего приемника подается сигналом высокого уровня (ГП-П В) необходимо объединить контакты разъема XT2 28 (ГП-П В) и 37 (ГП-П Н). Также если запрос от внешнего приемника подается сигналом высокого уровня (ЗП-П В), необходимо объединить контакты разъема XT2 30 (ЗП-П В) и 36 (ЗП-П Н). Работа УБПИ будет рассмотрена для случая, когда сигналы готовности и запроса от приемника подаются низким уровнем. При отсутствии сигнала готовности приемника (ГП-П Н) устройство к работе не готово. Если объединить на разъеме XT2 контакты 37 (ГП-П Н) и 2 (ОШИБКА 1 В) в РСПр установится бит “ошибка”. После подачи сигнала готовности от

приемника устройство готово к работе. Сигнал запроса от приемника (ЗП-П Н) вызывает появление сигнала “ФЛАГ В”. Если на разъеме XT2 объединить контакты 16 (ФЛАГ В), 13 (ТРБ ПЕРЕДАЧИ 1) и 44 (ТРЕБОВАНИЕ В), то с появлением сигнала “ФЛАГ В” РСПр установится бит “требование передачи” и при установленном бите “разрешение прерывания” возникает канальный сигнал “требование прерывания”. Во время записи данных по выходному регистру возникает сигнал “ВЫВОД ДАННЫХ Н”. По окончании записи возникает сигнал СТР-П Н и на шинах данных появляется информация. После снятия сигнала ЗП-П Н сигнал СТР-П Н также снимается и с шин данных убирается информация.

Приемопередатчики сигналов параллельного интерфейса ПП2 выполнены на основе микросхем К155 серии и имеют следующие основные электрические характеристики:

передатчик - Uol < 0,7 при Iol = 40 мА;

приемник - Uil < 0,8 B; Uih > 2 B; Iil < 1,6 мА.

Входные и выходные сигналы УБПИ и соответствующие им контакты разъема XT2 приведены в таблице 11.

Длина кабеля согласованных линий связи должна быть не более 2м, а при использовании несогласованных линий связи длина кабеля - не более 1м.

Устройство последовательного ввода-вывода (УПВВ) предназначено для связи микроЭВМ с внешними устройствами по асинхронному последовательному каналу ввода-вывода.

УПВВ выполнено на основе микросхемы К1801ВП1-35 с использованием переключателей типа ВДМ1-8 SA2.1-SA2.8.

УПВВ осуществляет обмен информацией с каналом микроЭВМ с помощью четырех регистров: регистра состояния приемника (РСПр), буферного регистра приемника (БРПр), регистра состояния передатчика (РСПер), буферного регистра передатчика (БРПер); может производить прерывание программы с выдачей адреса вектора преры-

вания, как от приемника, так и от передатчика, обеспечивает обмен с внешними устройствами согласно “интерфейсу для радиального подключения устройств с последовательной передачей информации (ИРПС)”. Связи с внешним устройством УПВВ осуществляется через узел оптронной развязки.

Адресация регистров УПВВ задается переключателем SA2.1. Также этот переключатель меняет адреса векторов прерывания, выдаваемых УПВВ при процедуре векторного прерывания программы. Адреса регистров и векторов прерывания приведены в таблице 7.

Таблица 7.

УПВВ может осуществлять прием и передачу посылок формата 7 бит и 8 бит. Управление форматом посылки осуществляется переключателем SA2.2. При замкнутом положении переключателя устанавливается формат 7 бит, а при разомкнутом положении - формат 8 бит.

УПВВ может работать в режиме работы с паритетом по четности и по нечетности. Выбор режима работы с паритетом осуществляется переключателем SA2.3. Замкнутое положение соответствует работе с паритетом, разомкнутое - работе без паритета.

Переключатель SA2.4 управляет работой с паритетом по четности, либо по нечетности. Замкнутое положение соответствует формированию бита нечетности и контроль нечетности, разомкнутое - формирование бита четности и контроль четности.

Выбор скорости обмена по последовательному каналу задается переключателями SA2.5-SA2.8. Зависимость скорости обмена от положения переключателей приведена в таблице 8.

Связь с внешними устройствами УПВВ осуществляется с помощью узла оптронной развязки, выполненного на основе оптопар. Связь осуществляется по линии канала типа “20 мА токовая петля”. Основные электрические данные:

состояние логической “1” 15 мА < 1 < 25 мА;

состояние логического “0” 0 мА < 1 < 3 мА.

Контакты разъема XT3 и соответствующие им токовые сигналы приведены в таблице 9.

Длина кабеля для подключения внешних устройств должна быть не более 5м.

Таблица 8.

Таблица 9.

Устройство интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках (УИГМД) предназначено для связи с накопителем с накопителем на гибком магнитном диске ГМД-70.

Устройство управления интерфейса накопителя на гибком магнитном диске выполнено на основе микросхемы К1801ВП1-033 и переключателя SA1.5.

УИГМД осуществляет обмен информацией с накопителем на гибком магнитном диске (НГМД) с помощью двух регистров: регистра команд (РК) и регистра данных (РД); может производить прерывание программы с выдачей адреса вектора прерываний, обеспечивает связь с НГМД согласно интерфейсу НГМД. УИГМД работает с НГМД через приемопередатчики УИГМД ПП1.

Адресация регистров УИГМД задается переключателем SA1.5. Также этот переключатель меняет адрес вектора прерывания, выдаваемого УИГМД при процедуре векторного прерывания программы.

Адреса регистров и векторов прерывания приведены в таблице 10.

Таблица 10.

Работа УИГМД.

При низком уровне сигнала “ЗАВЕРШЕНО Н” запись в РК команды с “1” в нулевом разряде вызывает установку сигнала “ПУСК Н”, который инициирует контроллер НГМД на прием команды. Контроллер НГМД снимает сигнал “ЗАВЕРШЕНО Н” и выставляет на линию СДВИГ серию из восьми импульсов. По снятии сигнала “ЗАВЕРШЕНО Н” снимается сигнал “ПУСК Н”, а серия импульсов “СДВИГ” синхронизирует выдачу команды в последовательном коде на линию ДАННЫЕ Н;

в зависимости от принятого кода команды контроллер НГМД устанавливает сигналы “ВЫВОД 2 Н” и “ТР. ПЕРЕДАЧИ 2 Н”. При установленном сигнале “ТР. ПЕРЕДАЧИ 2 Н”, в зависимости от состояния сигнала “ВЫВОД”, обращение к РД вызывает установку сигнала “ПУСК Н”, который снимается по снятии сигнала “ТР. ПЕРЕДАЧИ 2 Н” и под серию импульсов на линии СДВИГ (восемь - для синхронизации адреса сектора и дорожки, семь - для синхронизации данных) на линию ДАННЫЕ выставляются необходимые данные. По окончании выполнения команды устанавливается сигнал “ЗАВЕРШЕНО”.

Приемопередатчики сигналов УИГМД ПП1 выполнены на основе микросхемы К531АП2П и имеют следующие основные электрические характеристики:

передатчик Uol < 0,65В при Iol = 60мА

Uol < 0,45В при Iol = 25мА

тип выходного каскада - открытый коллектор;

приемник Uil < 1,4В; Uih > 2В; Iil < 0,15мА.

Входные и выходные сигналы УИГМД и соответствующие им контакты приведены в таблице 12.

ПЗУ пользователя представляет собой розетку типа РС24-7 и предназначено для установки ПЗУ типа одной микросхемы КР1801РЕ2 емкостью 4К слов с программами пользователя. В адресном пространстве микроЭВМ ПЗУ пользователя может быть установлено вместо любого отключаемого банка ОЗУ.

Регистр режима начального пуска (РНП) предназначен для указания адреса программы режима начального пуска, кода режима начального пуска, а также для хранения флажков управления скрытыми областями СПЗУ.

Формат РНП представлен на рис. 2.

Разряды SA1-1 и SA1-2 доступны только по чтению и определяют режим начального пуска микроЭВМ. Разряды Ф1 и Ф2 доступны по чтению и записи, предназначены для управления скрытыми областями СПЗУ. Если Ф1=1, то

открывается по доступу в адресном пространстве скрытая область СПЗУ по адресам от 160000 до 163776 и закрывается соответствующая область в адресном пространстве регистров внешних устройств. При Ф2=1 скрытая область СПЗУ расширяется до адреса 172776. Разряды 8-15 РНП определяют старший байт адреса вектора программы начального пуска.

Контроль данных выполнен на основе микросхемы К1801РЕ2 емкостью 4К слов и схем сравнения выполненных на основе К155СП1.

Работа заключается в следующем: данные поступающие на ПЗУ пользователя дублируются на микросхеме К1801РЕ2, затем с помощью схемы сравнения проверяются данные поступившие на ПЗУ пользователя. При обнаружении ошибки схема сравнения выдает на устройства сигнал “ошибка”, в обратном случае продолжается работа устройства.

Для подключения и взаимодействия микроЭВМ с аппаратурой комплекса предусмотрены разъемы XT1 и XT4. Выводы 1-16 разъема XT4 подключаются к приемопередатчику системного канала, а выводы 1-24 разъема XT1 подключаются к схемам преобразования и управления.

Таблица 11.

Таблица 12.

15 8 3 2 1 0

Адрес программы флажки режим

начального пуска управления начального

СПЗУ пуска

Рис. 5.2. Формат РНП.

ВРЕМЕННЫХ

Рассмотрим функционирование устройства байтового параллельного интерфейса согласно временным диаграммам, показанным в графической части лист 3.

Работа УБПИ при приеме информации от внешнего источника.

При отсутствии сигнала ГИ-И Н, в РСИ устанавливается бит “ошибка”, устройство к приему информации не готово. При появлении сигнала ГИ-И Н устройство выставляет сигнал ЗП-И Н, и снимает бит “ошибка” в РСИ. При поступлении сигнала СТР-И Н от источника информации устанавливается бит “требование приема” в РСИ. После чтения входного регистра снимается сигнал ЗП-И Н. Во время чтения входного регистра возникает сигнал “ВВОД ДАННЫХ Н”. Сигнал ЗП-И Н восстанавливается только после снятия сигнала СТР-И Н источником информации.

Работа УБПИ при выдаче информации внешнему приемнику.

Работа УБПИ будет рассмотрена для случая, когда сигналы готовности и запроса от приемника подаются низким уровнем. При отсутствии сигнала готовности приемника (ГП-П Н) устройство к работе не готово. После подачи сигнала готовности от приемника устройство готово к работе. Сигнал запроса от приемника (ЗП-П Н) вызывает появление сигнала “ФЛАГ В”. Если на разъеме XT2 объединить контакты 16 (ФЛАГ В), 13 (ТРБ ПЕРЕДАЧИ 1) и 44 (ТРЕБОВАНИЕ В), то с появлением сигнала “ФЛАГ В” РСПр установится бит “требование передачи” и при установленном бите “разрешение прерывания” возникает канальный сигнал “требование прерывания”. Во время записи данных по выходному

регистру возникает сигнал “ВЫВОД ДАННЫХ Н”. По окончании записи возникает сигнал СТР-П Н и на шинах данных появляется информация. После снятия сигнала ЗП-П Н сигнал СТР-П Н также снимается и с шин данных убирается информация.

7. РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ

Произведем расчет потребляемой мощности и быстродействия схемы электрической принципиальной, графическая часть лист 1 Э3.

7.1. Расчет потребляемой мощности.

Расчет потребляемой мощности схемы производится по формуле:

Pпотр.сх. = Pi (7.1.1)

где Pi = Iпотр. Uи.п. (7.1.2)

Данные расчета приведены в таблице 12.

Таблица 12.

Pпотр.сх. = 6485 10 Вт

7.2. Расчет быстродействия.

Расчет быстродействия схемы выполнять по самой длинной цепочке элементов схемы. В данном случае самой длинной цепочкой элементов прохождения сигнала является цепочка: D18-D19-D20-D24-D25-D26-D27. Расчет быстродействия осуществляется по формуле:

tбыст. = tбыст.D1 + tбыст.D2 + ... + tбыст.Dn (7.2.1.)

Расчет быстродействия схемы рассчитывается по формуле:

tбыст. = tбыст.D18 + tбыст.D19 + tбыст.D20 + tбыст.D24 + tбыст.D25 + tбыст.D26 + tбыст.D27 (7.2.2)

tбыст. = 100 + 72 + 34 + 43 + 54 + 63 + 87 = 453

tбыст. = 453 10 с.

8. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Рассмотрим описание конструкции согласно схемы расположения , графическая часть лист 4 Э7.

Данная печатная плата изготавливается из гетенакса методом травления. Печатная плата односторонняя и имеет размеры 310,5х155х15,5 мм. Масса микроЭВМ - не более 0,8 кг. Элементы на плате располагаются линейно. Установка и крепление элементов осуществляется пайкой. Диаметр отверстий от 2мм до 3мм. На передней панели корпуса располагаются кнопки управления регистром начального пуска и индикатор контроля данных. МикроЭВМ предназначена для встраивания в технические средства, эксплуатируемые при следующих условиях:

- рабочей температуре окружающего воздуха от +5 до

+40 С;

- допустимом перегреве зоны установки по отношению к

температуре окружающего воздуха +10 С;

- атмосферном давлении от 460 до 800 мм рт. ст.

Запрещается эксплуатировать микроЭВМ в помещениях с химически активной средой.

МикроЭВМ должно храниться в упаковке в отапливаемом помещении при температуре от +5 С до +35 С и относительной влажности воздуха не более 85%.

Транспортирование микроЭВМ в упаковке может производиться всеми видами транспорта на любое расстояние при внешних воздействиях, не превышающих норм:

- воздействие температуры окружающего воздуха от минус 50 С до + 50 С;

- воздействие относительной влажности воздуха 95% при температуре окружающего воздуха +30 С;

- воздействии ударных нагрузок с ускорением 15g при длительности импульса от 10 до 15 мс и частоте от 80 до 120 ударов в минуту.

Расстановка и крепление транспортной тары с упакованными микроЭВМ в транспортных средствах должны обеспечивать устойчивое положение транспортной тары и отсутствие ее перемещения во время транспортирования.

При транспортировании должна быть обеспечена защита транспортной тары с упакованной микроЭВМ от атмосферных осадков.

9. МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ

Перед началом выполнения необходимо произвести внешний визуальный осмотр конструкции, проверить правильность монтажа согласно схеме электрической принципиальной, графическая часть лист 1 Э3, убедиться в отсутствии механических повреждений элементов, а также проверить на повреждение печатные проводники. Включить микроЭВМ в состав базового вычислительного комплекса. Убедиться в правильности установки переключателей SA1, SA2 на соответствие выбранным режимам работы. Убедиться в наличии заземления и исправности кабелей аппаратуры комплекса куда встроена микроЭВМ. Установить переключатели сетевого питания аппаратуры в положение, соответствующее отключенному состоянию. Подключите к сети 220В 50Гц с помощью кабелей сетевого питания аппаратуру комплекса. При отключенном разъеме системного канала микроЭВМ включите аппаратуру комплекса, проверьте ее работоспособность, а также значение питающих напряжений микроЭВМ на соответствие допустимым отклонениям и затем отключите ее с помощью переключателей. Подключите микроЭВМ в состав комплекса. Устранение дефектов монтажа, а также замену неисправных элементов необходимо производить маломощным паяльником, рассчитанным на напряжение не более 12В. Для защиты ИМС от статического электричества необходимо заземлить рабочий стол, паяльник, а также самого наладчика с помощью антистатического браслета. Измерение параметров схемы необходимо производить используя мультиметр Ц21, Ц401 или аналогичный. При снятии временных диаграмм работы схемы необходимо пользоваться осцилографом С1-103. При правильной работе схемы полученные диаграммы должны соответствовать временным диаграммам предоставленным в графической части лист 3 ДВ.

10. ВЫВОД

В результате проделанной работы я получил навыки в проектировании микроЭВМ на микропроцессорном комплекте К1801 и сбора необходимого материала для проектирования, а также ознакомился с его работой на основе схемы электрической структурной. По схеме электрической структурной были разработаны схема электрическая принципиальная и диаграммы временные. В результате работы были рассчитаны быстродействие и потребляющая мощность схемы.

В данную схему можно внести следующие улучшения:

- управление схемы микропроцессором осуществлять не внешне, а использовать внутреннее управление схемы микропроцессором, т.е. предусмотреть установку микропроцессора на плату;

- использовать маломощные и более экономичные элементы;

- использовать двухстороннюю печатную плату;

- управление переключателями осуществлять не аппаратно, а программно.

ЗАДАНИЕ

Для курсового проектирования по курсу Электронные вычислительные

машины

учащемуся ККЭП курса III группы 7-Д9-3ЭВТ

Немцев Михаил Викторович

фамилия, имя, отчество

Тема задания и исходные данные МикроЭВМ на МПК серии 1801

1. Элементная база ИМС К1801

При выполнении курсового проекта на указанную тему должны быть предоставлены:

Пояснительная записка.

1. Введение.

2. Проектирование центрального процессора на БИС К1801.

3. Описание схемы электрической структурной.

4. Краткое описание МПК К1801.

5. Описание схемы электрической принципиальной.

6. Описание диаграмм временных.

7. Расчетный раздел.

7.1. Расчет потребляемой мощности.

7.2. Расчет быстродействия.

8. Описание конструкции.

Методика проверки.

Вывод.

II. Графическая часть проекта.

Лист 1 схема электрическая структурная

Лист 2 схема электрическая принципиальная

Лист 3 диаграммы временные

Лист 4 схема расположения

Дата выдачи < 12 > декабря 1997 г.

Срок окончания < 21 > апреля 1997 г.

Преподаватель-руководитель курсового проектирования ...........................................

ЛИТЕРАТУРА

“Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем”, справочник, под ред. В.А. Шахнова, том 2, Москва “Радио и связь”, 1988.

“Микросхемы, диоды, транзисторы”, справочник, С.В. Триполитов, А.В. Ермилов, Москва “Машиностроение”, 1994.

ЕСКД ГОСТ 2.105-79 “Общие требования к текстовым документам”.

ЕСКД ГОСТ 2.302-68 “Масштабы”.

ЕСКД ГОСТ 2.701-84 “Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению”.

ЕСКД ГОСТ 2.702-75 “Правила выполнения электрических схем”.

ЕСКД ГОСТ 2.708-81 “Правило выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники”.

План график.

Выполнение курсового проекта по курсу:

“Электронно-вычислительные машины”

Студент: Немцев М. В. Группа: 7-Д9-3ЭВТ

Тема: “МикроЭВМ на МПК серии 1801”.

Исполнитель: Руководитель:

СОДЕРЖАНИЕ

Лист

Введение. 2

2. Проектирование центрального

процессора на К1801. 4 3. Описание схемы электрической структурной. 9 4. Краткое описание МПК серии К1801. 11 5. Описание схемы электрической

принципиальной. 19 6. Описание временных диаграмм. 32 7. Расчетный раздел. 34

7.1. Расчет потребляемой мощности.

7.2. Расчет быстродействия.

Описание конструкции 35

Методика проверки. 37

10. Вывод. 38

Литература.

Графическая часть: Лист 1 схема электрическая принципиальная. Лист 2 схема электрическая структурная. Лист 3 диаграммы временные. Лист 4 схема расположения.

Тема: МикроЭВМ на МПК серии 1801Исходные данные:

Элементная база - ИМС К1801

Пояснительная записка

Введение.

Проектирование центрального процессора на БИС КР580ВМ80А

Описание схемы электрической структурной.

Краткое описание МПК серии КР580.

Описание схемы электрической принципиальной.

Описание временных диаграмм.

Расчетный раздел:

Расчет потребляемой мощности.

Расчет быстродействия.

Методика настройки.

Вывод.

Графическая часть:

Схема электрическая структурная.

Схема электрическая принципиальная.

Диаграммы временные.

Схема расположения.