Ерохин И.И. Конспект лекций по дисциплине Микропроцессорная техника

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Украины

Донецкий государственный технический университет

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

по дисциплине "Микропроцессорная техника"

Утверждено:

на заседании кафедры "Горная

электротехника и автоматика"

Протокол № от 2004 г.

Донецк - 2004

УДК 381.325.5

Конспект лекций по дисциплине "Микропроцессорная техника" для студентов

специальности 7.09.2501 / Составитель - Ерохин И. И. - Донецк.: ДонГТУ, 2004.- 96 с.

↑@ О г л а в л е н и е

ЛЕКЦИЯ 1. Основные понятия и определения в МПТ; типичная струк-

тура микропроцессорной устройства (системы) …………....3

Error: Reference source not foundError: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 2.

Структура и логическая организация микропроцессора

К580ВМ80А (Intel 8085) ……………………………………….6

Error: Reference source not found Error: Reference source not foundЛЕКЦИЯ 3.

Принцип действия 8-разрядного МП К580ВМ80А ..…..…… 10

Error: Reference source not found Error: Reference source not foundЛЕКЦИЯ 4.

Язык АССЕМБЛЕРА ……………………………………………………………13

Error: Reference source not found Error: Reference source not foundЛЕКЦИЯ 5.

Запоминающие устройства МП-систем...……………………. 18

Error: Reference source not found Error: Reference source not foundЛЕКЦИЯ 6.

Программируемый параллельный интерфейс (адаптер)

К580ВВ55 …………………………………………………………... 20

Error: Reference source not foundError: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 7.

Организация программных временных задержек……………24

Error: Reference source not found Error: Reference source not foundЛЕКЦИЯ 8.

Программируемый контроллер клавиатуры и дисплея

К580КД79 (К580ВВ79) ………………………………………... 26

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 9. Программируемый таймер

К580ВИ53 ………………………. 30

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 10. Универсальный синхронно-

асинхронный приемник пере-

датчик (УСАПП - USART) К580ВВ51……………………… 34

Error: Reference source not foundError: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 11.

Организация прерываний – программируемый контроллер

прерываний К580ВН59 (К1810ВН59) ……………………….. 40

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 12. Однокристальные

микроконтроллеры серии К1816ВЕХХ..

автоматизации …………………………………………………..48

ЛЕКЦИЯ 13. Устройства сопряжения МК с объектом автоматизации… 56

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 14. Однокристальные

микроконтроллеры серии PICXXXX и

АТХХХХ ……………………………………………………….. .60

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 15. Микропроцессоры Intel 8086, Intel

80286…………………… 69

Error: Reference source not found ЛЕКЦИЯ 16. IBM PC совместимые

промышленные компъютеры и

микроконтроллеры ……………………………………………...82

Error: Reference source not found ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Структурная схема МК

«Электроника МС2721»…... 86

ПРИЛОЖЕНИЕ П2. Таблица мнемоккодов и команд МП К580ВВ80А… 87

ПРИЛОЖЕНИЕ П3. Таблица мнемоккодов и команд МК К1816ВЕ51..….88

ПРИЛОЖЕНИЕ П4. Система команд МК АTmega16……………………… 89

Порядок пользования символами вызова необходимой лекции или приложения.

 - Вызов лекции или приложения.

↑@ - Возврат к оглавлению.

ЛЕКЦИЯ 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В МПТ, ТИПИЧНАЯ

СТРУКТУРА МП УСТРОЙСТВА

1.1. Основные понятия и определения в МПТ

Микропроцессорная система (устройство, компьютер) представляют собой сим-

биоз аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО), которые тесно

взаимосвязаны и практически бесполезны друг без друга.

Специалисты, занимающие разработкой и эксплуатацией микропроцессорных

систем управления, должны иметь более высокий уровень технической культуры

по сравнению с их традиционным уровнем.

Микропроцессорная система (МП система) - информационная или управляю-

щая система, построенная с применением микропроцессорных средств.

Архитектура МП системы – объединяет АС и ПО, включает потребительские

свойства системы.

Микропроцессор (МП - CPU) – устройство обработки данных (информации) -

выполняет арифметические и логические операции и осуществляет программное

управление процессом обработки.

МикроЭВМ или микрокомпьютер - устройство обработки данных, содержащее:

МП, постоянное и оперативное запоминающее устройства (ПЗУ и ОЗУ), устройства

ввода-вывода информации (УВВ), периферийные устройства (ПУ) и некоторые

другие схемы.

Микроконтроллер (МК - МС) - микрокомпьютер, в основном, с небольшими

вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированный не

на производство вычислений, а на выполнение логического управления оборудова-

нием, технологическими процессами.

Контроллер – устройства ввода-вывода информации на периферийное

(внешнее) устройство.

Адаптер – устройство для согласования физических параметров (входных вы-

ходных сигналов) устройств с целью их сопряжения.

Интерфейс – полная совокупность физических и логических соглашений о вход-

ных и выходных сигналах устройств с целью их сопряжения.

Совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств обеспечива-

ющих взаимодействие функциональных устройств ЭВМ, называется внутренним

системным интерфейсом (ШУ, ШД, ША).

Микропроцессорное устройство (МПУ) – совокупность МП средств, элементов

и деталей, обладающих конструктивным и функциональным единством – ЭВМ,

ПЭВМ, микроЭВМ, МК.

1.2. Типичная структура МП устройства (системы)

На рис. 1 приведена упрощённая типичная структура МПУ (МП системы),

предназначенной для обработки данных (информации) или управления некоторым

процессом. Примерно такую же структуру имеют – микроконтроллер и микроЭВМ

широкого применения.

В этой структуре центральное место занимает микропроцессор (МП), который

выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет

программное управление процессом обработки информации, организует взаимодей-

ствие всех устройств входящих в МП систему.

Работа МП происходит под воздействием сигналов (тактовых прямоугольных

импульсов – ГТИ) схемы синхронизации и начальной установки.

Приведенная структура (рис. 1), отражает магистрально-модульный принцип орга-

низации МПУ и систем. Отдельные блоки являются унифицированными функци-

онально законченными модулями со своими схемами управления.

Обмен информацией между модулями системы осуществляется посредством

коллективных шин (магистралей – ША, ШД, ШУ) к которым имеют доступ модули

системы, то есть обмен информацией производится путём разделения использо-

вания во времени, модулями системы коллективных шин. Магистральный принцип

сопряжения модулей предполагает наличие унифицированных аппаратурных, про-

граммных и конструктивных средств, обеспечивающих установление связей и

взаимодействие всех модулей МП системы, и называется внутренним системным

интерфейсом.

Для МП (МПУ) характерна трех шинная структура (рис. 1.), содержащая шину

адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Типовая структура

МПУ рис. 1, предполагает наличие общего сопряжения (интерфейса) для модулей

памяти - постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и

периферийных устройств ввода/вывода (УВВ) и внешнего ОЗУ.

В качестве внешних (периферийных) устройств в МПУ используются; клавиа-

тура, дисплей, гибкие и жесткие магнитные диски, принтеры (контактные датчики

и аналого-цифровые преобразователи и. т. д.).

Периферийные устройства подключаются к шинам интерфейса (шинам МП) через

адаптеры, контроллеры (интерфейсные БИС) – параллельный программируемый адап-

тер (ППА – PPI), контроллер клавиатуры и дисплея (ККД), программируемый универ-

сальный синхронно-асинхронный приёмник-передатчик (УСАПП – USART), см. рис. 1.

Внутренний системный интерфейс

Шина адреса - ША

Шина данных ШД

Шина управления - ШУ

• • •

Интерфейс памяти Устройства ввода-вывода - УВВ

Интерфейс периферийного оборудования

Рис.1. Типичная структурная схема микропроцессорного устройства или системы

МП

ПЗУ ОЗУ ППА ККД УСАПП

Схема

синхрони-

зации и

начальной

установки

В структуре МПУ интерфейс является узким местом из-за ограниченного

числа выводов корпуса МП. Узкий интерфейс приводит к необходимости приме-

нения двунаправленных линий передачи информации, что усложняет схемы буферов

и вызывает необходимость использования временного мультиплексирования шин.

Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий интерфейса

передавать по ним различную информацию; адреса, данные, команды. Однако это

приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.

МикроЭВМ или микроконтроллер (МК) содержащий помимо МП, дополнитель-

ные БИС из МП набора (память, таймер, интерфейсные схемы и др.) может быть

размещен на одной плате (одноплатный микроконтроллер или микроЭВМ). Одно-

кристальный микроконтроллер (ОМК) или микроЭВМ – элементы и модули этих

устройств размещены на одном кристалле (в корпусе одной БИС).

Структурная схема одноплатного серийного микроконтроллера "Электроника

МС2721" приведена в приложении П1.

 ЛЕКЦИЯ 2. Error:

Reference source not found

СТРУКТУРА И ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРА

К580ВМ80А (I8085), СИСТЕМА КОМАНД

2.1. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА К580ВМ80А

На рис. 2.1 приведена структурная схема МП К580. На структурные решения

определенное влияние оказало ограниченное число выводов корпуса МП (в данном

случае их 40). МП имеет три шины; 8-разрядную двунаправленную внутреннюю

шину данных (ШД), 16-разрядную адресную шину (ША) и шину управления (ШУ).

Внутреняя ШД является магистралью, по которой обмениваются данными все

подключённые к ней блоки (узлы) МП. Одновременно по ШД осуществляется обмен

только между двумя узлами МП. Таким образом, узлы МП подсоединенные к ШД,

разделяют эту шину во времени.

Шина управления содержит линии для передачи управляющих сигналов, признаков

состояния процессора и периферийных устройств, в том числе линии; синхронизации

передачи и идентификации информации передаваемой по ШД; сигналов, информи-

рующих МП о готовности периферийных устройств, сигнала запроса прерывания

от периферийных устройств и сигнала разрешения прерывания и др.

В структуре МП можно выделить следующие её основные части: блок реги-

стров, арифметическо-логическое устройство (АЛУ), буферные схемы,

управляющее устройство.

БЛОК РЕГИСТРОВ

Микропроцессор К580 содержит программно-доступные 8-разрядные регистры:

регистр-аккумулятор А; регистры общего назначения (РОН) В, С, D, E; регистр

признаков F и 16-разрядные специализированные регистры: счетчик команд СК;

регистр-указатель стека УС; сдвоенный регистр косвенного адреса H L (Н - регистр

старшего полу адреса, L - регистр младшего полу адреса). Кроме того, имеются непос-

редственно недоступные программе регистры: регистры временного хранения T, W, Z,

и 8-разрядный регистр команд РК; 16 разрядный регистр адреса РА. Имеется возмож-

ность использования содержимого пар регистров В и С, D и Е, Н и L как составных

слов двоичной длины (16-разрядные регистры).

Регистры РОН используются для хранения операндов, промежуточных и конеч-

ных результатов, а также адресов при косвенной адресации. Регистр-аккумулятор

(А) используется в качестве источника одного из операндов и в нём всегда фикси-

руется результат операции. Для того чтобы аккумулятр мог одновременно являться

(8)

(8) (8) (8) (8) (8)

•

Рис. 2.1. Структурная схема микропроцессора К580ВМ80А

регистром операнда и регистром результата операции, он строится на основе двух-

ступенчатых триггеров, (следует отметить, что некоторые МП для повышения

производительности имеют несколько аккумуляторов).

Использование аккумулятора и регистров РОН позволяет уменьшить количество обра-

щений к памяти и тем самым повысить быстродействие МПУ.

Схема инкрементора/декрементора, производит над содержимым регистров (без

привлечения АЛУ) операцию прибавления/вычитания 1. Схема инкрементора/декре-

ментора позволяет реализовать процедуры автоматического задания приращений при

операциях с адресами не только в регистре-указателе стека, но и в счетчике команд

Регистр-защелка адреса памяти РА недоступен программисту. Однако любая пара

регистров (ВС, DE, HL) может быть использована для задания адресов команд и данных

в программе. Этот адрес под воздействием соответствующих команд не только может

быть загружен в регистр-защелку адреса, но и модифицирован (посредством схемы

инкрементора/декрементора) в процессе загрузки. Регистр защелка адреса передает

адрес в буферную схему и далее на шину адреса МПУ.

АРИФМЕТИЧЕСКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Восьмиразрядная комбинированная схема АЛУ выполняет, арифметические и логи-

ческие операции над 8-разрядными числами. В процессе межрегистровых пересылок

к одному из входов схемы АЛУ всегда подключен аккумулятор, а к другому через

регистр Т может быть подключен любой из общих регистров.

С е л е к т о р

Первич-

ный управ-

ляющий

автомат

РК

БУФЕР ША

А Л У

АЛУ

Управляющие

сигналы

ША

(16)

ДК

БУФЕР ШД

ШД

Внутренняя шина данных (8)

Мульти-

плексор

W Z

B C

D E

H L

УС (SP)

СК (PC)

ИНК / ДЕК

РА

Схема управления МП системой

Сброс

Синхрониза-

ция

Готовность

Ожидание

Управление

ПДП

Управление

прерыванием

Чтение

Запись

ШУ (12)

RESET

SYNC

READ

WAIT

HOLD

HOLDA

INT

INTE

DBIN

WRITE

АЛУ непосредственно связано с 8-разрядным регистром признаков F, в соответ-

ствующих разрядах которого фиксируются особенности выполнения каждой операции:

нулевой результат в аккумуляторе – флаг Z = 1; перенос из старшего разряда – флаг

CY=1; знак результата "+" – флаг S=0; паритет – флаг Р=1, и вспомогательный перенос

из младшего полубайта – флаг АС=1. Наличие в МП регистра признаков упрощает

осуществление программных переходов в зависимости от состояния одного или более

триггеров признаков (флагов). АЛУ позволяет в процессе межрегистровых пересылок

выполнять операции сдвига на один разряд вправо или влево. Многократный сдвиг

реализуется последовательностью одноразрядных сдвигов.

В состав АЛУ входит схема десятичного корректора ДК, назначение которого -

под воздействием специальной команды интерпретировать результат выполнения

двоичной операции как результат операции десятичной арифметики.

Арифметическо-логическое устройство реализует простейшие арифметические и

логические операции (сложение, вычитание, сдвиги, сравнение, логическое умножение

и т. п.). Все более сложные операции (умножение, деление, вычисление элементарных

функций и др.) выполняются по специальным подпрограммам.

СТЕКОВАЯ ПАМЯТЬ

В МП К580 организуется стековая память, реализующая безадресное задание

операндов. В общем случае стек представляет собой группу последовательно пронуме-

рованных регистров или ячеек памяти, снабженных указателем стека, в котором авто-

матически при записи и считывании устанавливается номер (адрес) последней занятой

ячейки стека (вершины стека). При операции занесения в стек, слово помещается в

следующую по порядка свободную ячейку стека, а при считывании из стека –

извлекается слово поступившее последним. Таким образом, в стеке реализуется

дисциплина обслуживания «последний пришёл – первый ушёл» Эта дисциплина при

обращении к стеку реализуется автоматически. Поэтому при операциях со стеком

возможно безадресное задание операнда – команда не содержит адреса ячейки стека,

но содержит адрес (или он подразумевается) ячейки памяти или регистра, откуда слово

передается в стек или куда загружается из стека.

В рассматриваемом МП используется «перевернутый» стек, то есть при передаче

в стек слова, значение регистра указателя стека (адрес вершины стека) уменьшается,

а при извлечении слова из стека – увеличивается.

Непосредственно в МП К580 содержатся только регистр-указатель стека (УС)

и соответствующие цепи управления. Сам стек реализуется в виде группы после-

довательных ячеек оперативной памяти. Стековая адресация широко используется

при работе с подпрограммами и в процедурах прерывания.

БУФЕРНЫЕ СХЕМЫ

Двунаправленный буфер ШД предназначен для логического и электрического

разделения внутрипроцессорной ШД и внешней системной шины ШД. Буфер состоит

из регистра-защелки и выходной схемы с тремя состояниями, т. е. схемы обеспе-

чивающей на выходе состояния «0», «1» или «полное» электрическое отключение

от внешней ШД – высокоимпедансное состояние. Наличие в МП буферных схем,

отключающихся от общей системной шины, обеспечивает реализацию магистрального

принципа межмодульных связей в МП системе.

В режиме ввода информации внутреняя ШД МП подсоединяется к регистру-

защёлке буфера ШД. Загрузку буфера ШД, из внешней ШД производит буферная

схема под управлением команды, определяемой программой.

В режиме вывода информации буфер ШД передаёт на внешнюю ШД содержи-

мое буферного регистра-защелки, на вход которого по внутренней ШД с одного

из регистров (чаще всего из аккумулятора) загружен код, подлежащий выдаче.

Во время выполнения операций МП, не связанных с процедурами обмена инфор-

мацией с внешними по отношению к МП устройствами системы, буферная схема

отключает МП от внешней шины ШД, то есть переходит в высокоимпедансное

состояние «не нуль, не один», которое принято называть «плавающим» состоянием.

Буферная схема шины адреса (Буфер ША) – однонаправленная, обеспечивает

передачу адресов, а также номеров периферийных устройств от МП в систему. Выход

буфера адреса, точно так же как и буфера данных, может переходить в отключенное

состояние. Подобный режим необходимо иметь в МП системе, в которой к памяти

могут обращаться по системной ША не только МП, но и некоторые из периферийных

устройств (например, пульт оператора, контроллер прямого доступа к памяти и др).

Прежде чем перейти к рассмотрению способа реализации программного управле-

ния (принципа работы) МП, целесообразно ознакомиться с его системой команд.

2. 2. СИСТЕМА КОМАНД МП К580ВМ80А

Для рассмотрения особенностей системы команд МП воспользуемся его про-

граммной моделью (рис. 2. 2), содержащей узлы наиболее важные для понимания

программистом процесса работы МП.

Программно-доступные регистры П а м я т ь

0000Н

1FFFH

2000H

FFEFH

FFF0H

FFFFH

Рис. 2.2. Программная модель МП К580ВМ80А

Программно-недоступные узлы МП; АЛУ, первичный управляющий автомат -

ПУА, регистры временного хранения – Т, W, Z и регистр адреса памяти – РА

являются существенными для процесса выполнения команд.

В системе команд МП К580 имеются однобайтовые, двухбайтовые и трёхбай-

товые команды. Форматы команд показаны на рис. 2. 3. Формат команды и тип

адресации задаётся в команде неявно кодом операции (КОП). Адрес команды

определяется адресом её первого байта.

Подробное описание системы команд МП приведено /2, в табл. 2.1/ Команды раз-

биты на группы по функциональному назначению команд: 1) пересылки инфор-

мации; 2) арифметических операций; 3) логических операций; 4) передачи управления;

5) специальные. Группа может содержать несколько типов операций. Каждый тип

операций характеризуется структурой кодовых комбинаций команд.

В таблице системы команд указаны символические мнемонические обозначения

(мнемокоды) команд, используемые при написании программ на языке ассемблера

МП К580. В основе символических обозначений, как правило, лежит аббревиатура

от полной записи наименования команды на английском языке. Например, команда

7 А 0

CK (PC)

S Z AC P CY

15 H L 0

УС (SP)

Регистр - Аккумулятор

Общие регистры (РОН)

Регистр косвенного адреса

Указатель стека

Счётчик команд

Регистр признаков РП (F)

ПОСТОЯННАЯ

ПАМЯТЬ

ПРОГРАММ

И ДАННЫХ

ОПЕРАТИВНАЯ

ПАМЯТЬ

ПРОГРАММ

И ДАННЫХ

С Т Е К