Бойт К. - Мир электроники, страница 64

ГЛАВА 15 МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ 15.1. Микропроцессор как универсальная схема Можно ли спроектировать схему, которая умеет складывать, вычитать, умножать и выполнять любые логические операции с бинарными сигналами? Введенные сигналы, также называемые входными данными, должны быть в любое время обработаны по заданному алгоритму. Порядок обработки, например порядок логических операций, задается перед началом работы схемы в программе. Такая схема была бы универсальной в применении.

Она смогла бы заменять логические схемы любого вида. Не надо было бы каждый раз паять необходимую комбинационную схему из различных элементов. Можно было бы брать такую универсальную схему и программировать ее таким образом, чтобы выполнялись желаемые логические функции. Структура этой универсальной схемы сложна, и схема, очевидно, получилась бы дорогой. Однако современные технологии изготовления микросхем дают возможность экономически выгодно изготовлять сложные схемы.

Соображения такого рода стояли на заре проектирования первых универсальных схем, которые сегодня называются микрокомпьютерами. Основной частью микрокомпьютера является микропроцессор. Микропроцессоры различных типов предлагаются в настоящее время в виде микросхем относительно недорого. Сложные схемы управления, довольно дорогие в случае их сборки из триггеров и логических элементов, можно заменить недорогими микрокомпьютерами. 15.2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) При разработке универсальных схем целесообразно брать за основу расширенные 4-битовые сумматоры-вычитатели (см. рис.

14.23), которые были рассмотрены в предыдущей главе. С этой схемой входные сигналы А и В по выбору могут складываться и вычитаться. Дополнительно требуется, чтобы с сигналами А и В можно было производить операции: ° логического умножения И; ° логического сложения ИЛИ; ° ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ. Схема для проведения 4-битового И-умножения показана на рис. 15.1. Также изображены схемы для 4-битовых ИЛИ, и 4-битовых ИСКЛЮЧАЮЩИХ ИЛИ, логических функций (рис.

15.2). гр.г.гр Ф . ° р р е -гиря 4Д Рис. 15.1. Схема для логического умноже- ния И двух 4-бито- вых слов. г л 2' 2' в л в Пример 2Р В 2' 2' гр л гсгг в гтсг л в гсср л в Рис. 15.2. Схема для логического умножения ИЛИ (а) двух 4-битовых слов и 4-битового ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ (б). АЛУ для 4-битовых слов состоит из расширенного сумматора-вычитателя согласно рис.

14.23, схемы для проведения 4-битового И-умножения, схемы для проведения 4-битового ИЛИ-сложения и схемы для проведения операции 4-битового ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ. Четыре 4-битовых выхода выборочно через четыре мультиплексора (см. гл. 11) подаются на 4-битовый У-выход. Сумматор-вычитатель имеет также выход переноса (г', который выводится наружу (рис. 15.3). АЛУ производятся в виде микросхем на 4 бита, 6 битов, 8 битов и 16 битов.

Чагце всего используются 8-битовые АЛУ. Условное обозначение — в виде блока (рис. 15.4). Так как 8-битовые АЛУ имеет 8 А-входов, 8 В-входов и 8 У-выходов, то 8 проводников могут представляться 8-проводной шиной. Схемы получаются более наглядными (рис. 15.4). Через семь входов управления от Вр до Яе могут подаваться всего 2' = 128 различных команд управления. Из этих команд нужны только 13. В этом случае рационально произвести перекодировку. Она происходит с помощью ПЗУ (см. гл. 12, разд.

12.4). Используют 4 входа управления (рис. 15.5). С ними можно представлять 16 различных команд. 3 возможных команды остаются неиспользованными. Команды представлены на рис. 15.6. Несколько команд требуют подавления переноса гг'. Для этой цели ПЗУ имеет выход Я„всегда равный нулю, если на выходе (г'нет переноса. Выходы Яг и Я, используются для дополнительного управления (см. разд. 15.3 и 15.4). Блок-схема 8-битового АЛУ с кодировочным ПЗУ и блокированием переноса показана на рис. 15.7. ~в, * 'в, (в, Рис. 15.3. Схема 4-битового АЛУ. Рис.

15.4. Блок-схема 4-битового АЛУ. а, я, а, а, а, в а Рис. 15.5. Кодировщик с ПЗУ для перекодирования с 7 на 4 управляющих входа. и, и, и, и, озА~ У р ф и,и,о,о, Рис. 15.7. АЛУ с ПЗУ для перекодирования и И-элемент лля блокировки переноса. Рис. 15.6. Команды АЛУ. 15.3. Аккумулятор Аккумулятор состоит из АЛУ с кодированием, регистра и 1-битовой памяти для переноса. Ввод данных происходит только через В-входы. А-входы связаны с выходами регистра (рис. 15.8). Регистр н память переноса управляются тактирующими синхроимпульсами. Тактирование памяти переноса может быть заблокировано И-элементом. Х,-сигнал поступает из кодирую- щего ПЗУ. Если складываются два 8-бнтовых слова, первое 8-битовое слово подается на В-вход. Через АЛУ оно переходит в регистр и сохраняется в нем со следующим тактом.

Регистр построен на 8 триггерах, в которых парал- В и, и, и, о, Рис. 15.8. Структура аккумулятора. ~4~4 г тт.и 4 4.4 Номер команды Команда Название команды Память переноса Описание команды и, и, О4 деоятич, шестнадц. О О О О О О О О О 1 О 1 О 1 О 1 О НОР Нет операции Записать 1 в аккумулятор ЗР1 Инвертировать содержимое аккумулятора Записать В-сигнал в аккумулятор О СМА 1.0А Стереть содержимое аккумулятора Увеличить содержимое аккумулятора на 1 Уменьшить содержимое аккумулятора на 1 Прибавить В-сигнал к содержимому аккумулятора О С1А !НК О 0ЕС 1 А00 Вычесть В-сигнал иа содержимого аккумулятора ОН0 — логическое умножение И содержимого аккумулятора и В-сигнала ОСЕ — логическое сложение ИЛИ содержимого аккумулятора и В-сигнала аккумулятора и В-сигнала Ехйомч-ОСЕ — ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ содержимого ! О О ЗОВ 1 О ! АНО 10 1 О ЮВ 1 О 1 ХОВ В 12 Записать в аккумулятор — 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ЯМ1 13 14 !5 Е Рвс.

15.9. Команды аккумулятора. Ряс. 15. 10. Блок-схема 8-бнтовото аккумулятора. Т: память переноса управляется синхроимпупьсами —; память переноса не управляется синхроимпупьсами х5.г А у у р 4\~9 лельно сохраняется 8-битовое слово. Это слово поступает на 8 выходов регистра и одновременно находится на 8 А-входах. После сохранения первого 8-битового слова на вход поступает второе 8-битовое слово, Два складываемых 8-битовых слова находятся на А- и В-входах АЛУ. АЛУ по команде складывает оба 8-битовых слова и выдает результат в регистр.

Регистр принимает результат со следующим тактом. Возможно, возникший перенос будет также сохранен в регистре переноса со следующим синхроимпульсом. Регистр переноса называется также знаком переноса. Результат сложения находится теперь на Уь-выходе и на выходе сГь. Логическое умножение И двух 8-битовых слов происходит аналогичным образом. Только вместо команды сложения АЛУ получает команду на умножение. Все 13 команд АЛУ распространяются также на аккумулятор. Под А- сигналом можно понимать содержание аккумулятора.

Командам присваиваются сокращения от английских названий команд. Все команды аккумулятора приведены в так называемом списке команд (рис. 15.9). 15.4. Аккумулятор с памятью Следующим шагом на пути к универсальной схеме, к так называемому микропроцессору, является аккумулятор с памятью. В качестве памяти используется статическое ОЗУ (см.

гл. 12, равд. 12.3.1). Аккумулятор с памятью может записывать промежуточные результаты в память и считывать их оттуда при необходимости. Структура аккумулятора с памятью показана на рис. 15.11. Восемь выходов аккумулятора выходят наружу (У') и связаны с входами ОЗУ. Выходные данные аккумулятора могут записываться в ОЗУ. Загрузка в ОЗУ происходит под управлением синхроимпульсов. ПЗУ аккумулятора выдает на управляющий вывод Я, 1-сигнал и одновременно через элемент И выдает управляющий импульс, разрешающий запись. ОЗУ может иметь различный объем памяти. На рис. 15.11 показана ОЗУ с 16 ячейками памяти по 8 бит. 16 ячеек памяти должны иметь свои адреса (см. гл.

12). С 4-битовым словом можно производить 16 различных адресов (от 0000 до 1111). Так как адреса имеют 4 разряда, нужно 4 адресных входа. Они получают обозначения от А, до А, (см. рис. 15.11). Сохраненные в ОЗУ данные могут быть по желанию считаны и записаны в аккумулятор. В-входы аккумулятора управляются мультиплексором. Если мультилексор получает 1-сигнал через вход управления Юи ПЗУ аккумулятора, то он переключает В *-входы на В-входы аккумулятора. Если на вход Яи управления подан О-сигнал, то выходы ОЗУ связаны с В-входами аккумулятора.

К 13 командам аккумулятора без устройства памяти (рис. 15.9) прибавим две дополнительные команды. Нужна команда, которая переключает мультиплексор на входы Вь. Эта команда должна подаваться подачей 1-сигнала на вход управления 5„. Ей присваивается комбинация номер 13 (1101) (рис. 15.12).

Название команды 1ХР. ~~~2е Г 15.м а ее Т Команды Пправнвюаий вход) адреса (адресные ваодсс Рнс. 15.11. Структура аккумулятора с памятью. Рис. 15.12. Дополнительные команды аккумулятора с памятью. Биты управления образуют управляющую часть команды, биты адреса— адресную. Перед началом работы, т. е. перед началом вычисления, должны быть точно установлены отдельные команды и порядок их следования. Упорядоченная последовательность команд называется программой.