Микропроцессоры и микроконтроллеры.

Микропроцессор. Микропроцессор (МП)- это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры выполняются в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Если весь процессор размещен на одной БИС, то его называют однокристальным микропроцессором (ОМП). Если же процессор размещается на нескольких БИС, то его называют многокристальным микропроцессором (ММП).

Одним из первых однокристальных микропроцессоров, который нашел широкое применение в промышленности является 8-разрядный микропроцессор КР580ВМ80А. Структура этого МП приведена на рис. 14.29.

Рис. 14.29. Структура микропроцессора КР580ВМ80А.

МП имеет внутреннюю двунаправленную 8-разрядную шину данных для передачи информации, развязанную от внешней магистрали данных D7-D0 двунаправленным буфером с тремя состояниями (одно состояние – ввод информации, второе состояние – вывод информации, третье состояние – выключено или обрыв, то есть информация не передается).

Обработку информации выполняет арифметико-логическое устройство (АЛУ) со вспомогательными элементами: регистром-аккумулятором А, буферными регистрами БР1 и БР2, регистром признаков РП и схемой десятичной коррекции СДК. Перед началом выполнения операции один из операндов по внутренней шине данных через аккумулятор А помещается в буферный регистр БР1. Второй операнд помещается в буферный регистр БР2. Результат выполнения операции в АЛУ по той же шине пересылается в регистр аккумулятор А. В регистре признаков РП фиксируются признаки выполнения операции, такие как знак результата, признак нулевого результата, признак переноса и др. Эти признаки используются командами условных переходов.

Важное значение имеет блок регистров общего назначения (РОН), в который входят 8-разрядные регистры W, Z, B, C, D, E, H, L, 16-разрядный указатель стека (УС) и программный счетчик (ПС), а также регистр адреса (РА) и схема приращения (СхП). Обращение к регистрам осуществляется через мультиплексор (МПЛ) при управлении от схемы выбора регистра (СВР), а регистр адреса РА через однонаправленный буфер адреса с третьим состоянием выходит на внешнюю 16-разрядную шину адреса. Регистры W и Z являются служебными и программно не доступны, а регистры B, C, D, E, H, L программно доступны и используются для запоминания операндов и промежуточных результатов, то есть выполняют роль сверхоперативной памяти.

Указатель стека УС хранит начальный адрес стековой памяти, которая представляет собой область внешнего запоминающего устройства, и которая работает по закону первый вошел – последний вышел. Стековая память предназначена для запоминания состояния микропроцессора (всех его регистров), когда МП переходит к обработке прерывания, то есть к другой программе, но после завершения обработки прерывания МП считывает из стековой памяти прерванное состояние и продолжает работу. В программном счетчике (ПС) совместно со схемой приращений (СхП) формируется адрес следующей команды.

Взаимодействие всех узлов микропроцессора организует устройство управления и синхронизации (УУиС). МП работает под управлением программы, которая состоит из отдельных команд. 8-разрядный код команды из внешней памяти через буфер данных и через внутреннюю шину данных поступает на регистр команд (РК), дешифрируется дешифратором команд (ДшК) и воздействует на устройство управления и синхронизации, которое формирует управляющие сигналы для всех узлов МП, в том числе и внешние сигналы.

Конструктивно МП КР580ВМ80А размещен в 40-выводном DIP корпусе, и требует подключения трех питающих напряжений +12 В, +5 В, -5 В.

МП КР580ВМ80А не является функционально законченным вычислительным устройством. Чтобы получить вычислительное устройство для обработки информации МП КР580ВМ80А необходимо дополнить внешним генератором тактовых импульсов (м/сх КР580ГФ24), системным контроллером (м/сх КР580ВК28), контроллером прерываний (м/сх КР580ВН59), портами ввода-вывода (м/сх КР580ВВ55 или м/сх КР580ВВ51), постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) на микросхемах КР573РФ2 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) на микросхемах КР537РУ3.

ПЗУ отличается от ОЗУ тем, что способно сохранять информацию при отключении напряжения питания, а ОЗУ в этом случае теряет информацию. Кроме того, в процессе работы МП может только считывать информацию из ПЗУ, а при работе с ОЗУ возможны как запись, так и считывание информации.

Микропроцессор тем и отличается от микроконтроллера, что он не является функционально законченным вычислителем, а требует соответсвующей обвязки и дополнения микросхемами.

Микропроцессор выполняет обработку информации под управлением программы, которая записана в ОЗУ или ПЗУ. Программа представляет собой последовательность команд, последовательное выполнение которых обеспечивает необходимые действия. Программа может быть неразветвленной, то есть не содержит условных или безусловных переходов, может быть разветвленной с указанными переходами, может содержать циклы и др. Программа должна быть представлена в системе команд соответствующего микропроцессора.

Система команд микропроцессора имеет обычно несколько десятков команд, разделенных на группы по назначению. Это команды пересылки данных, команды адресации, команды условных и безусловных переходов, команды увеличения (+1) и уменьшения (-1) на единицу содержимого регистров, команды ввода-вывода, команды арифметических и логических операций и др. Состав системы команд микропроцессора позволяет реализовывать достаточно сложные программы по обработке информации с ветвлениями и многократно вложенными циклами.

Микропроцессоры широко применяются в приборостроении, в автоматике, в машиностроении, в связи и других отраслях промышленности.

Микроконтроллер. Микроконтроллер отличается от микропроцессора тем, что является функционально законченным устройством, и включает в свой состав все необходимые узлы и блоки, необходимые для выполнения обработки информации. Для микроконтроллеров характерно малое количество внешних выводов, низкое энергопотребление, высокая производительность, наличие энергонезависимой памяти данных и возможность многократного перепрограммирования памяти команд.

На рис. 14.30 приведена структурная схема одного из современных микроконтроллеров КР1878ВЕ1, быстродействие которого позволяет использовать его в системах управления реального времени.

Центральный процессор микроконтроллера предназначен для выполнения арифметических и логических преобразований 8-разрядных операндов, расположенных в памяти микроконтроллера.

Порты ввода/вывода А и В предназначены для обмена информацией с внешними устройствами по магистралям соответственно (РА0…РА3) и (РВ0…РВ7).

Рис. 14.30. Структурная схема микроконтроллера КР1878ВЕ1.

Интервальный таймер-счетчик внешних событий предназначен для формирования требуемых временных интервалов.

Сторожевой таймер предназначен для отслеживания непредвиденных ситуаций и выдачи сигнала прерывания, когда центральный процессор в результате каких-либо сбоев находится в неопределенном состоянии.

В электрически-стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) команд записывается программа, управляющая работой микроконтроллера.

ОЗУ данных и ЭСППЗУ данных предназначены для хранения промежуточных результатов вычислений.

Стек команд и стек данных предназначены для записи состояния центрального процессора при переходе на обработку прерываний, чтобы потом восстановить прерванное состояние и продолжить работу.

Остальные блоки структуры данного микроконтроллера выполняют служебные функции и их назначение очевидно.

Система команд микроконтроллера КР1878ВЕ1 состоит из 52 команд различного назначения, и позволяет создавать программы значительной сложности с многочисленными ветвлениями и циклами.

Микроконтроллер выпускается в 18-выводном пластмассовом DIP-корпусе.

Микроконтроллеры находят широкое применение в различных устройствах бытового и промышленного назначения, в частности в измерительной технике, в машиностроении, в управляющих устройствах автоматики, в медицинской технике и других отраслях.

Контрольные вопросы

1. Что такое микропроцессор и его назначение?

2. Назначение арифметико-логического устройства, регистра признаков и регистра аккумулятора в структуре микропроцессора?

3. Назначение и виды памяти в микропроцессорных устройствах?

4. Для чего используются регистры общего назначения, указатель стека и программный счетчик, входящие в структуру микропроцессора?

5. Где располагается программа, управляющая работой микропроцессора?

6. Для чего нужны порты ввода-вывода микропроцессорных устройств и какие они бывают?

7. Назначение регистра команд, дешифратора команд и устройства управления в структуре микропроцессора?

8. Понятие о системе команд микропроцессора, и какие типовые группы команд в нее входят?

9. В чем заключаются отличия микропроцессора от микроконтроллера?

10. Области применения микропроцессоров и микроконтроллеров?