Проектирование микропроцессорной системы

Для построения остальных блоков микро-ЭВМ  используются специализированные БИС  или ИС средней степени интеграции. Основные типы ИС, применяемых в  микро-ЭВМ, могут быть отнесены к  одной из четырех групп: базовый  микропроцессорный комплект (МПК) ИС; ИС запоминающих устройств; ИС устройств ввода-вывода информации в микропроцессор; ИС для связи микро-ЭВМ с объектами управления.

В соответствии с разработкой специализированных ИС для различных блоков микро-ЭВМ структурная схема ее может быть представлена как совокупность функциональных блоков (рис. 1), соединенных между собой в соответствии с требованиями интерфейсов. В приведенной схеме обработку информации осуществляет микропроцессор, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между микропроцессором и остальными блоками микро-ЭВМ осуществляется по трем магистралям: адресной, данных и управляющей.

 

 Дисплей         Клавиатура  

 

 

    ЦП       ЗУ           МИП     

      

 

ç===============================================è

        Системная 

                 шина

 

   МИС   МКН                 МСО

 

Рис. 1.    Обобщенная структура  микропроцессорной системы

• ЦП - центральный процессор на основе микропроцессора;
• ЗУ - полупроводниковая память (ОЗУ,ПЗУ);
• МИП - модуль интерфейса пользователя;
• МКН - модуль контроллеров прерываний и ПДП;
• МИС - модуль интерфейса связи;
• МСО - модуль связи с объектом;

Системная шина включает в себя три магистрали: адреса, данных и                   управления.

Магистраль  адреса (МА) служит для передачи кода адреса , по которому проводится обращение к устройствам памяти, ввода-вывода и другим внешним устройствам, подключенным к микропроцессору. Обрабатываемая информация  и результаты вычислений  передаются по магистрали данных (МД). Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки микро-ЭВМ, настраивая на нужный режим устройства, участвующие в выполняемой команде.

Использование в микро-ЭВМ трех магистралей  обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычислений. Возможно построение микро-ЭВМ с одной  или двумя магистралями, по которым  последовательно передаются код  адреса и обрабатываемая информация, но при этом увеличивается время  выполнения команды и усложняется  организация обмена между узлами.

 

2. Выбор микропроцессора

Одним из основных критериев при  выборе МП является  быстродействие. Так как к проектируемой системе  не предъявляются высокие требования, то можно выбрать микропроцессор со средним быстродействием. Выберем  микропроцессор из МПК серии КР580.

Микропроцессорный комплект серии  КР580 является одним из распространенных комплектов БИС, позволяющий создавать  эффективные вычислительные устройства, ориентированные на реализацию вычислительных задач и устройств управления. Основу комплекта  составляет    однокристальный   МП    КР580ВМ80. Кроме МП в состав серии КР580 входит большое число БИС, позволяющих  относительно просто подключать к МП различные устройства, организовывать быстрый обмен информацией между  блоками ЭВМ. Изучение особенностей построения микро-ЭВМ на МПК серии  КР580 позволит легко освоиться с  работой других аналогичных МПК.

Микропроцессорный комплект  КР580 включает в себя микросхемы:

1. Микропроцессорная БИС.
2. Программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации различного формата КР580ВВ55.    
3. Программируемый блок приоритетного прерывания КР580ВН59.        
4. Программируемое устройство прямого доступа к памяти КР580ВТ57.   
5. Интегральный таймер КР580ВИ53.

 

6. Универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемопередатчик КР580ВВ51.
7. Программируемый контроллер клавиатуры КР580ВВ79.
8. Системный контроллер КР580ВН28.

Схемы выполнены по n-МОП технологии, входные и выходные сигналы соответствуют уровням работы ТТЛ-схем. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП БИС КР580ВМ80.

Микропроцессорная БИС КР580ВМ80 представляет собой однокристальный 8-разрядный  МП с двумя магистралями: однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью (МА), двунаправленной 8-разрядной магистралью  данных (МД), и 12 сигналами управления ( шесть входных и шесть выходных ). МП применяется в качестве центрального процессора в устройствах обработки данных и управления. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65535 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода.

Микропроцессорная БИС рассчитана на выполнение логических и арифметических операций  с 8-разрядными числами  в двоичной  и десятичной системах счисления, а также операций с  двойной разрядностью  ( с 16-разрядными числами ).

 

2.3. Проектирование центрального процессора

2.3.1.  Разработка функциональной схемы  центрального процессора

Основным  элементом модуля центрального процессора является микропроцессор. Однако отдельный  микропроцессор не может выполнить  возложенные на него функции. МП выполняет  команды по машинным циклам, которые  в свою очередь выполняются по машинным тактам. Таким образом необходимо устройство, которое генерирует эти такты с определенной частотой. Этим устройством является генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Обмен информацией  между МП и другими устройствами организуется с помощью трех магистралей: МА, МД и МУ. Ввиду малой нагрузочной  способности, а также ограниченного  числа выводов МП необходимо использовать дополнительные схемы для организации  этих магистралей. Эти функции могут  взять на себя буферные схемы, к которым  можно отнести также системный контроллер. Он помимо согласующих функций выполняет функцию формирования дополнительных сигналов управления. Таким образом из полученных функциональных блоков можно составить функциональную схему центрального процессора  (рис. 2 ).

 

 

 

 

 

 

                   ГТИ                                   МП

 

 

 

                                     БС                                   СК

 

 

ç============================================è

         Системная магистраль

Рис. 2.    Функциональная схема центрального процессора

 

• ГТИ - генератор тактовых импульсов,
• МП - микропроцессор,
• БС - буферные схемы,
• СК - системный контроллер.

 

2.3.2.  Выбор элементной базы центрального  процессора

В пункте 2.2  курсового проекта  был произведен выбор МП и МПК  на его основе.

В МПК серии  К580 процессор вместе с устройством  управления реализован в виде отдельной  БИС и имеет фиксированные  разрядность и систему команд, “зашитую” в БИС МП.

Функциональное  назначение выводов МП К580ВМ80 приведено  в таблице 1.

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функц.   назначение выводов
1,25-27, 29-40	А10, А0-А2, А3-А9, А15, А12-А14, А11	Выходы	Канал адреса
2	GND	-	Общий
3-10	D4-D7, D3-D0	Входы  (выходы)	Канал данных
11	UIO	-	Напряжение питания -5 V
12	RESET	Вход	Установка в начальное состояние
13	HOLD	Вход	Захват
14	INT	Вход	Запрос прерывания
15,22	C1, C2	Входы	Тактовые импульсы
16	INTE	Выход	Разрешение прерывания
17	DBIN	Выход	Прием информации
18	-WR	Выход	Выдача информации
19	SYNC	Выход	Сигнал синхронизации
20	UCC1	-	Напряжение питания +5 V
21	HLDA	Выход	Подтверждение захвата
23	RDY	Вход	Сигнал “Готовность”
24	WAIT	Выход	Сигнал “Ожидание”
28	USS2	-	Напряжение питания +12 V

Для синхронизации  работы микропроцессора необходим ГТИ. В МПК серии К580 данную функцию выполняет МС КР580ГФ24. Этот генератор формирует две фазы С1, С2 с положительными импульсами, сдвинутыми во времени, амплитудой 12В и частотой 0.5-3.0 Мгц.

Функциональное  назначение выводов МС КР580ГФ24 приведено  в таблице  2.

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функц. Назначение выводов
1	SR	Выход	Установка в исходное состояние микропроцессора  и системы
2	-RESIN	Вход	Установка 0
3	RDYIN	Вход	Сигнал “Готовность”
4	RDY	Выход	Сигнал “Готовность”
5	SYNC	Вход	Тактовый сигнал синхронизации
6	C	Выход	Тактовый сигнал синхронизации с  фазой С2
7	-STB	Выход	Стробирующий сигнал состояния
8	GND	-	Общий
9	UCC2	Вход	Напряжение питания +12 В
10	C2	Выход	Тактовые сигналы - фаза С2
11	C1	Выход	Тактовые сигналы - фаза С1
12	OSC	Выход	Тактовые сигналы опорной частоты
13	TANK	Вход	Вывод для подключения колебательного контура
14,15	XTAL1, XTAL2	Вход	Выводы для подключения резонатора
16	UCC1	Вход	Напряжение питания +5 В

Согласно  функциональной схеме  ЦП в его  структуру входит системный контроллер. Системный контроллер в МПК серии  К580 (КР580ВК28) выполняет функции формирователя  управляющих сигналов и восьмиразрядного буфера МД.

Функциональное  назначение выводов МС КР580ВК28 приведено  в таблице 3.

 

 

 

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функц. назначение выводов
1	-STB	Вход	Стробирующий сигнал состояния
2	HLDA	Вход	Подтверждение захвата
3	-WR	Вход	Выдача информации
4	DBIN	Вход	Прием информации
5,7, 9,11,13,16, 18,20,6,	DB4,DB7, DB3,DB2,DB0,DB1 DB5,DB6	Выход/ Вход	Канал данных системы
6,8,10,12, 15,17,19,21	D4,D7,D3,D2, D0,D1,D5,D6	Вход/ Выход	Канал данных микропроцессора
14	GND	-	Общий
22	-BUSEN	Вход	Управление передачей данных и  выдачей сигналов
23	-INTA	Выход	Подтверждение запроса прерывания
24	-MEMR	Выход	Чтение из ЗУ
25	-IOR	Выход	Чтение из УВВ
26	-MEMW	Выход	Запись в ЗУ
27	-IOW	Выход	Запись в УВВ
28	UCC	Вход	Напряжение питания

В виду малой  нагрузочной способности  магистралей  микро-ЭВМ в схеме необходимо использовать буферные элементы. В  качестве буферов МА выберем МС К555АП5, в качестве буферов МУ - К555АП3.

Функциональное  назначение выводов данных МС приведено  в табл. 4    и в табл. 5 соответственно.

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функц. назначение выводов
1,19	-ЕО	Вход	Управление передачей данных
2,4,6,8, 11,13,15,17	А0-А3 А0-А3	Вход/ Выход	Канал адресов микропроцессора
3,5,7,9, 12,14,16,18	В0-В3 В0-В3	Вход/ Выход	Канал адресов системы

                                                                                                            Таблица 5

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функц. Назначение выводов
1,19	-ЕО	Вход	Управление передачей данных
2,4,6,8, 11,13,15,17	А0-А3 А0-А3	Вход	Канал управления
3,5,7,9, 12,14,16, 18	В0-В3 В0-В3	Выход	Канал управления

Таким образом в схему ЦП будут входить: микропроцессор КР580ВМ80, генератор тактовых импульсов КР580ГФ24 (с элементами схемы включения), системный контроллер КР580ВК28, буферы МА и МУ.

 

2.3.3. Разработка принципиальной  схемы центрального процессора

Разработку  схемы (рис. 3) начнем с определения  соединения микропроцессора КР580ВМ80 с ГТИ КР580ГФ24.

Для работы ГТИ потребуется его собственная  схема включения, которая содержит кварцевый резонатор и схему  установки нуля. Схема кварцевого резонатора состоит из последовательно  соединенных конденсатора С1 емкостью 10пФ и кварца BQ1, работающего с частотой 18,5 МГц. Кварцевый резонатор подключается к выводам XTAL1 и XTAL2   микросхемы КР580ГФ24. Схема установки нуля содержит параллельно соединенные диод D1 и резистор R1 сопротивлением 100 кОм.

Генератор формирует:

• две фазы С1 и С2 с положительными импульсами, сдвинутыми во времени. Эти сигналы далее идут на одноименные входы микропроцессора;
• тактовые сигналы опорной частоты, которые с выхода OSC  идут на схему буфера АП3 и далее на МА. Сигнал OSC используется  при необходимости в микропроцессорной системе.
• стробирующий сигнал состояния -STB при наличии на входе SYNC напряжения высокого уровня, поступающего с выхода микропроцессора в начале каждого машинного цикла. Сигнал -STB используется для занесения информации состояния микропроцессора в микросхему КР580ВК28 для формирования управляющих сигналов.