Справочное пособие по цифровой электронике - [11]

Микропроцессоры — это СБИС, которые могут воспринимать, дешифровать и выполнять команды, представленные в двоично-кодированной форме. Микропроцессор образует ядро любой микрокомпьютерной системы. Однако сами по себе микропроцессоры не являются компьютерами, поскольку требуют разнообразных вспомогательных («поддерживающих») микросхем. Среди последних важнейшую роль играют микросхемы, предназначенные для хранения последовательностей команд (т. е. программ) и изменяющейся информации (т. е. данных), привлекаемой для обработки.

Некоторые специализированные микропроцессоры снабжены внутренней памятью (для хранения программ и данных) и входными/выходными портами. Для таких микропроцессоров требуется минимальный объем внешних вспомогательных схем, и они идеально подходят для дешевых систем управления. Обычно упомянутые микропроцессоры называются однокристальными микрокомпьютерами.

Микропроцессоры в зависимости от размера двоичных чисел, которыми они оперируют, можно разделить на два класса. Большинство современных микропроцессоров выполняют операции над группами из 8 или 16 двоичных разрядов (бит). Очевидно, 16-битные микропроцессоры оказываются мощнее 8-битных. В ряде случаев их применения выбирать между этими двумя классами почти не приходится. Например, относительные стоимость и сложность 16-битных микропроцессоров препятствуют их использованию в системах управления. Поэтому будем ориентироваться на 8-, а не на 16-битные микропроцессоры.

8-битный микропроцессор вводит и выводит данные группами по 8 бит, называемых байтами. Данные передаются по восьми отдельным линиям D0—D7, образующим шину данных. Микропроцессоры определяют источник данных (откуда их нужно считать) и их получатель (куда данные нужно записать), указывая местоположение данных в форме уникального адреса. Для этого адресный двоичный набор помещается на шину адреса. В 8-битных микропроцессорах шина адреса всегда состоит из 16 отдельных линий А0—А15.

Адреса, по которым считываются и записываются данные, могут относиться к системной памяти (например, ЗУПВ или ПЗУ) либо к вводу-выводу (ВВ). Распределение адресного диапазона 64К в 8-битных микропроцессорах удобно показывать с помощью карты памяти.

Еще одна шина применяется для определения направления передачи данных (т. е. указания операции считывания или записи) и некоторых общих служебных функций, например сброса. Эта шина называется шиной управления и в зависимости от типа микропроцессора состоит из 5—15 линий.

Первое поколение 8-битных микропроцессоров появилось в середине 70-х годов, начиная с микросхемы 8008 фирмы Intel. По тому времени она казалась удивительным прибором, который мог заменить множество других микросхем и адресовать «огромную» память 16К байт.

По современным меркам микропроцессор 8008 выглядит довольно «слабым» по своим возможностям. Затем появился более «удачный» микропроцессор 8080, выполненный по NMOП-технологии (микропроцессор 8008 выпускался по РМОП-технологии). Микропроцессор 8080 имеет 16 линий адреса, обеспечивающих адресацию памяти 64К байт, и 78 команд, находящихся в распоряжении программиста. На базе этого микропроцессора были разработаны более совершенные микропроцессоры 8085 и Z80.

Наряду с фирмой Intel к производству микропроцессоров подключились и другие фирмы, например Motorola (микропроцессор 6800) и MOS Technology (микропроцессор 6502). В последующие годы было затрачено много усилий на переход к 16- и 32-битным микропроцессорам. Несмотря на новейшие разработки, первые образцы микропроцессоров, а также их модификации довольно широко применяются и в настоящее время. Цены на них значительно снизились, и теперь можно собрать микропроцессорную систему (состоящую из центрального процессора и ряда вспомогательных микросхем) за умеренную плату. Например, основой системы управления микроклиматом почти наверняка будет микропроцессор или однокристальный микрокомпьютер. Такая система не только выполнит все традиционные функции, но и обеспечит более сложные средства обработки данных, а также хранение их с возможностью использования в последующем и даже передаст информацию в удаленный компьютер. Сэкономленное при проектировании аппаратных средств время целесообразно посвятить программному обеспечению проекта, а последующие улучшения свести к замене программного ПЗУ.

5.1. Внутренняя архитектура

Главными внутренними элементами микропроцессора являются:

• регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое реализует множество арифметических и логических функций;

• схема управления, воспринимающая и генерирующая внешние управляющие сигналы (например, считывания и записи) и формирующая сигналы для синхронизации всей системы.

Конечно, внутреннее устройство (или архитектура) микропроцессоров разных семейств различно, но в них имеется и много общих элементов. Например, в основных микропроцессорных семействах заметна тенденция сохранить «совместимость вверх» в части их внутренней архитектуры и системы команд, что, безусловно, делает новые приборы более привлекательными для потребителей.