Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Елисеева О.И., Михайлов Б.Б

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №3

Исследование микропроцессорного комплекта

серии К1804

по курсу «Элементы электроники и микропроцессорной

техники РТС»

2007 г.

Цель работы: изучение архитектуры больших интегральных схем (БИС) микропроцессорного комплекта (МПК) серии К1804, основ микропрограммирования и принципов применения МПК серии К1804.

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

В работе исследуются характеристики БИС и функциональные особенности устройств, построенных на этих микросхемах, поэтому при работе на лабораторных стендах следует руководствоваться ГОСТ 12.3.019-80. «Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности».

К выполнению работ студенты допускаются только после проведения преподавателем инструктажа.

Перед выполнением работ необходимо:

• осмотреть рабочее место и подготовить стенд к работе;

• убедиться в наличии заземления стенда;

При выполнении работ необходимо:

• поддерживать на рабочем месте чистоту и порядок, соблюдать осторожность и быть внимательным;

• немедленно отключить стенд от питающей сети при появлении запаха гари, дыма, огня, необычного шума или вибрации, при искрении контактов.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

• приступать к работе без инструктажа по вопросам безопасности,

разрешения преподавателя и регистрации в специальном журнале;

• включать силовые и осветительные рубильники;

• оставлять без наблюдения работающий (включенный) стенд.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Процессоры с разрядно-модульной организацией (секционные) – это компромисс между универсальным микропроцессором с фиксированным набором команд и специализированным вычислителем, предназначенным для решения одной конкрентой задачи. Эти процессоры состоят из нескольких функциональных модулей, которые выполнены в виде больших интегральных схем. Обычно модули имеют невысокую разрядность (4 или 8). Для обработки многоразрядных чисел модули соединяют параллельно. Такой подход накладывает ограничения на возможные архитектуры процессора, которые можно реализовать из данного набора модулей, но позволяет существенно сократить количество используемых микросхем.

Процессор с разрядно-модульной организацией состоит из двух основных блоков: операционного блока и блока управления. Первый обеспечивает преобразование данных, второй формирует адрес, по которому из памяти микропрограмм выбирается текущая микрокоманда.

Упрощенно связь между блоками показана на рис.1.

Рис. 1. Формирование адреса микрокоманды

Операционный блок. Упрощенная структурная схема блока приведена на рис. 2. Именно в этом блоке осуществляются все операции над данными: арифметические, логические и т. п. Основными элементами блока являются арифметически-логическое устройство (АЛУ) и регистры общего назначения (РОН). В состав операционного блока входят также регистры, мультиплексоры, другие вспомогательные элементы.

Арифметически-логическое устройство данного блока может выполнять 8 операций, поэтому в микрокоманде для управления АЛУ отведено 3 разряда. Более мощные процессоры выполняют до 32-х операций. Результат работы АЛУ может быть либо сохранен во внутренних регистрах блока, либо выдан на выход операционного блока. Для этого используют мультиплексор 2, управление которым осуществляется специальным разрядом микрокоманды. Входными операндами АЛУ могут быть:

• данные, записанные в РОНах,

• информация со входа операционного блока,

• содержимое рабочего регистра (Q-регистра),

• нулевой операнд.

Операнды выбирают с помощью мультиплексора 1.

Регистры общего назначения представляют собой 16 четырехразрядных регистра. Доступ к этим регистрам возможен с помощью двух независимых портов А и В. Поэтому в составе микрокоманды имеется 8 разрядов (2*4), отводимых для обращения к РОНам.

Сдвиговый регистр операционного блока обеспечивает сдвиг занесенной информации на один разряд влево или вправо. Возможна также организация сдвига двойной длины (двойной сдвиг) путем последовательного соединения этого регистра с регистром Q. Для управления сдвиговыми операциями в микрокоманде отведены два специальных разряда.

Входные данные Выходные данные

Рис. 2. Структурная схема операционного блока

Блок управления (рис. 3). Блок реализует функцию микропрограммного управления, т.е. формирует последовательность адресов, с помощью которых из памяти микропрограмм выбираются необходимые микрокоманды. Выбранная микрокоманда заносится в специальный регистр. Длина регистра микрокоманд составляет 32…64 разряда в зависимости от вычислительной мощности процессора.

Функционально разряды микрокоманды можно объединить в три основные группы:

• поле управления операционным блоком;

• поле анализа результатов выполненной операции в АЛУ;

• поле адреса следующей микрокоманды.

Следует отметить, что две последние группы используются в блоке управления при формировании следующего адреса.

Входные данные

Управление

Управление

Управление Управление

Выходные данные

Рис. 3. Структурная схема блока управления.

Основным элементом блока управления является микропрограммный счетчик, в котором хранится адрес следующей микрокоманды, и стековый файл (4 четырехразрядных регистра). При выполнении микропрограммы – последовательном считывании микрокоманд – содержимое счетчика увеличивается на единицу при каждом обращении.

Источником адреса следующей микрокоманды на выходе блока в зависимости от режима работы может быть:

• программный счетчик;

• стековый регистр;

• вспомогательный регистр;

• входные данные.

Источник выбирают с помощью четырехвходного мультиплексора. При выполнении микропрограммы на выход блока управления выдается содержимое программного счетчика. При выполнении команды перехода (условного или безусловного) на выход блока поступает содержимое вспомогательного регистра или данные со входа. После завершения подпрограммы или отработки прерывания на выход выдается адрес возврата, который был предварительно занесен в стековый регистр. При этом допускается четыре уровня прерывания программы, так как стековый файл имеет 4 регистр.

1. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА «МИКРОТРЕНАЖЕР МТ 1804».

Устройство предназначено для изучения основ микропрограммирования и принципов применения БИС микропроцессорного набора К1804.

Основные технические данные и характеристики:

1. устройство имеет 4 разряда данных;

2. устройство осуществляет потетрадно. индикацию 32-разрядных микрокоманд;

3. предельная частота функционирования устройства при работе от внутреннего генератора 1 МГц;

4. в устройстве обеспечивается коммутация генератора переключателем ВНЕШНИЙ – ВНУТРЕННИЙ;

5. устройство сохраняет работоспособность при отклонениях напряжения питания 5 В в пределах 5 %;

6. устройство сохраняет работоспособность при воздействии вибраций с частотой не более 25 Гц, амплитудой не более 0,1 мм;

Рассмотрим внутреннюю организацию и работу устройства (рис.4).

Узел управления Операционный узел

Работа Загрузка К контролируемым

цепям

Выходная шина данных

Шаг /

Автомат

Вход генератора

Рис. 4. Структурная схема устройства «МТ 1804»

Внутренняя организация устройства соответствует типовой архитектуре микроконтроллера, выполненного на базе МПК серии К1804. Функционально устройство делится на узел управления и операционный узел.

Узел управления содержит:

• блок управления адресом микрокоманды К1804ВУ1;

• микропрограммную память на шестнадцать 32-разрядных слов;

• 32-разрядный регистр микрокоманд;

• схему управления выборкой следующего адреса;

• переключатели адреса и данных;

• органы управления режимами загрузки в память и синхронизации.

Микропрограммная память выполнена в виде ОЗУ для обеспечения возможности ручного программирования.

Операционный узел включает в себя:

• центрального процессора К1804ВС1;

• регистр состояния;

• мультиплексоры;

• регистр выходных данных.

В устройстве применяются 32-разрядные микрокоманды. Формат микрокоманды показан в табл. 1.

Таблица 1

Функцион. назначение	Положение переключателя МУЛЬТИПЛЕКСОР
	7	6	5	4	3	2	1	0
Номер бита	31302928	27262524	23 222120	19 181716	15 141312	1110 9 8	7 6 5 4	3 2 1 0
Наименование бита	BR3BR2BR1BR0	Р3Р2Р1Р0	MS2 8 7 6	MS1 2 1 0	5 4 3	А3А2А1А0	В3В2В1В0	D3D2D1D0
Поле микрокоманды	Адрес перехода	Управление следующим адресом	Управление приемником результата	Источник операнда	CI АЛУ	А	В	DI

Примечание. DI – входные данные; В – адрес РОНa с помощью порта В; А – адрес РОНa с помощью порта А; АЛУ – код выполняемой операции; СI – входной перенос в АЛУ; MS1, MS2 – биты управления операциями сдвига; Р0 . . . Р3 – управление выборкой следующего адреса.

Устройство работает в пошаговом и автоматическом режимах. Внутренний тактовый генератор вырабатывает частоту 1 МГц. Предусмотрена возможность подключения внешнего источника синхросигнала. Устройство имеет три переключателя МУЛЬТИПЛЕКСОР, четыре переключателя ДАННЫЕ, четыре переключателя АДРЕС.

Кроме того, устройство содержит переключатель режимов ЗАГРУЗКА/РАБОТА; кнопку ЗАГРУЗКА; кнопку ПУСК (рис. 5).

Светодиодные индикаторы ДАННЫЕ предназначены для индикации текущей информации в 32-х точках схемы устройства. Коммутация точек подключения индикаторов осуществляется с помощью переключателей МУЛЬТИПЛЕКСОР. Верхнее положение переключателя соответствует логической единице, нижнее – логического нуля.

Светодиодные индикаторы позволяют контролировать содержимое регистра микрокоманд (РМК). Индикация осуществляется потетрадно. Номер тетрады, выводимой на индикацию, определяется положением переключателей МУЛЬТИПЛЕКСОР в двоичном коде.

Светодиодные индикаторы ПАМЯТЬ предназначены для контроля содержимого микропрограммной памяти (МПП). Адрес ячейки МПП задаются с помощью переключателей АДРЕС. Содержимое выбранного адреса выводится на индикацию потетрадно в соответствии с положением переключателей МУЛЬТИПЛЕКСОР (см. рис. 5).

Данные Микрокоманда Память

8 4 2 1 8 4 2 1 8 4 2 1

КР1804ВС1

БИС ЦП

+5В