Однокристальные микро-ЭВМ серии К1816

Однокристальные микро-ЭВМ серии К1816 предназначены для использования в качестве микроконтроллера, для которого требуются короткие программы, небольшой объем памяти для переменных и ограниченные возмож­ности по вводу - выводу информации.

Серия К1816 содержит изготовленные по n-канальной МОП- технологии однокристальные микро-ЭВМ К1816ВЕ48 и К1816ВЕ35 и вспомогательные микросхемы. Микро-ЭВМ имеют единый набор команд, 8-разрядную внутреннюю архитектуру и 12-разрядный программный счетчик. Схемы К1816ВЕ48 и К1816ВЕ35 содержат на своем кристалле ОЗУ объемом 64 байт, 27 линий ввода - вывода, одноуровневую систему прерываний, 8-разрядный таймер-счетчик событий. Схема К1816ВЕ48 имеет ПЗУ 1К байт, схема К1816ВЕ35 ПЗУ не имеет. Обе микро-ЭВМ обладают возможностью расширения.

Однокристальные микро-ЭВМ серии К1816 размещены в 40-выводном корпусе (рис. 9.4, б) и имеют два вывода питания +5 В, один из которых подводит питание к микро-ЭВМ во время работы, а другой - внутреннему ОЗУ, что позволяет сохранять в нем данные на время сбоев питания.

Архитектура и функционирование составных частей микро-ЭВМ. Основной особенностью архитектуры микро-ЭВМ является логическое и физическое разделение па­мяти для хранения команд (программ) и памяти для оперативного хранения данных. Независимо от физических компонентов, используемых для создания памяти команд, она представлена только ПЗУ, так как отсутствуют про­граммные средства для записи в нее. Архитектура микро-ЭВМ позволяет наращивать объем памяти команд (до ЗК байт с использованием внутреннего ПЗУ и до 4К байт при его отключении), памяти данных (до 320 байт), средств ввода - вывода за счет подключения микросхем расширения или интерфейсных БИС серии КР580.

Программные средства микро-ЭВМ в большей мере, чем аппаратные, ограничивают возможности ее расшире­ния.

Схема однокристальных микро-ЭВМ приведена на рис. 7.30, а. Арифметическая часть процессора состоит из дешифратора команд ДШК АЛУ и аккумулятора АК. Дешифратор команд служит для определения последо­вательности действий, выполняемых арифметической частью микро-ЭВМ.

Арифметическо-логическое устройство обрабатывает 8-разрядные слова под управлением ДШК и выполняет следующие функции: сложение с учетом и без учета пере­носа; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ; инкремент, декремент; инверсию; сдвиги вправо и влево; обмен полубайтов; десятичную коррекцию. Аккумулятор - однобайтный основной регистр микро-ЭВМ, исполь­зуемый во всех пересылках данных.

Постоянные запоминающие устройства микро-ЭВМ - внутренняя память команд ПК (только у микро-ЭВМ К1816ВЕ48) - содержат 1024 8-разрядных слова, которые адресуются программным счетчиком. В ПК существует три точки входа для специальных при­менений: адрес 0 - точка входа после начальной уста­новки; адрес 03 - точка входа при обработке внешних прерываний; адрес 07 - точка входа при обработке прерываний по переполнению таймер-счетчика. Память команд может служить для записи как команд, так и таблиц констант. Для отладки программ в микро-ЭВМ существует возможность отключения внутренней ПК подачей сигнала высокого уровня на вывод ЕА микро-ЭВМ.

Программный счетчик микро-ЭВМ имеет 12 разрядов, 11 из которых меняются последовательно от 000Н до 7 FFH. При переполнении младших 11 разрядов с 7FFH в 000Н переноса в 12-й разряд не происходит. Таким обра­зом, все адресное пространство ПК состоит из двух банков МВО и МВ1 по 2К байт. Внутренняя ПК микро-ЭВМ занимает младшие 1К байт. Команды перехода и вызова программ указывают адрес длиной 11 разрядов, а старший разряд загружается во время их выполнения из триггера банка, состояние которого можно менять с помощью специальных команд. При вызове подпрограмм и возврате из них полный 12-разрядный адрес возврата загружается в стек и извлекается оттуда.

Такая организация памяти приводит к возникновению затруднений при программи­ровании, связанных с тем, что программе не всегда извест­но текущее значение разряда триггера банка и отсутствуют средства для его считывания. Для устранения неопреде­ленностей во время обработки прерываний старший разряд программного счетчика принудительно устанавливается в «О» до выполнения команды возврата из подпрограммы обслуживания прерывания.

Кроме разбиения на банки объемом по 2К байт ПК делится на страницы по 256 байт. Команды условного перехода указывают 8-разрядный адрес в текущей стра­нице команды, которой необходимо передать управление. Этот способ менее эффективен, чем использование смеще­ния от текущего адреса со знаком, так как возникает проблема учета границ страниц.

Оперативные запоминающие устройства микро-ЭВМ - внутренняя память данных (ПД) - организованы как 64 8-разрядных слова. В ПД можно выделить следующие области (рис. 9.5): а) два банка по 8 регистров RO - R7, один из которых прямо адресуется рядом команд (выбирают используемый банк программ­но); б) стек, содержащий 8 уровней по 2 байт, адресуемый указателем стека SP; в) область данных пользователя - 32 байт.

Все ячейки ПД косвенно адресуются с помощью регист­ров ROи R1 обоих банков (указателей ОЗУ).

Рис. 7.30. а Схема БИС К1816ВЕ48

Р1

Рис. 7.30. (б) Условное обозначение схемы БИС К1816ВЕ48

Стек микро-ЭВМ организован как восемь пар 8-разряд­ных ячеек в ПД (адрес 8-23) и служит для сохранения значения программного счетчика и четырех старших битов слова состояния программы PSWпри вызове подпрограмм или при обработке прерываний. Используемая ячейка определяется числом в 3-разрядном указателе стека SP, который является частью слова состояния программы. Порядок записи информации в стек приведен на рис. 9.6. Загрузка в стек приводит к увеличению SP, чтение из стека - к уменьшению. При переполнении стека содержимое перезаписывается в регистры R8и R9,т. е. SP изменяется со 111 на 000. При выполнении операций чтения из стека может происходить изменение SPс 000 на 111.

Слово состояния программы PSWмикро-ЭВМ может читаться и загружаться с помощью аккумулятора. Воз­можность загружать PSWнеобходима для перезапуска микро-ЭВМ после сбоя питания. Четыре старших бита PSWзаносятся в стек и могут быть восстановлены при возврате с использованием специальной команды возвра­та. Назначение битов PSW:

Рис. 7.31 Память данных БИС Рис. 7.32. Порядок записи информации в стек БИС

Биты:

0,1,2 - указатель стека (SP);

3 - не используется («1» при чтении);

4 - рабочий банк регистров R0 — R7 (BS);

0 - банк 0,

1 - банк 1;

5 - флаг пользователя (F0);

6 - дополнительный флаг переноса (АС);

7 -флаг переноса (СУ).

Логика условных переходов позволяет в зависимости от состояния различных внутренних или внешних сигналов совершать условные переходы.

К средствам ввода - вывода относятся (см. рис. 9.4, а):

а) два 8-разрядных канала PI, Р2;

б) 8-разрядный канал/магистраль DB;

в) выводы Т0, Tl, INTмикро-ЭВМ.

Каналы Р1и Р2имеют идентичные характеристики. Данные, записанные микро-ЭВМ в эти каналы, сохраняют­ся неизменными до следующей записи. Входные данные должны поддерживаться неизменными до выполнения микро-ЭВМ операции чтения из канала. Входы каналов полностью совместимы с ТТЛ - логикой, выходы рассчитаны на подключение одной ТТЛ - нагрузки. Оба канала имеют квазидвунаправленную структуру, которая позволяет использовать каждый бит входной, выходной или двуна­правленной линии для ввода или вывода. Канал Р2кроме ввода - вывода выполняет ряд функций, связанных с рас­ширением микро-ЭВМ; используется для подключения расширителя ввода - вывода и для выдачи четырех стар­ших разрядов программного счетчика при подключении высшего ПЗУ.

Канал DBдвунаправленный, основное его назначе­ние - выдача младших восьми разрядов адреса и передача данных при подключении к микро-ЭВМ внешней памяти или схем, расширяющих ее возможности (напри­мер, интерфейсных БИС серии КР580), но при отсутствии необходимости в расширении может быть использован выходной канал с хранением информации или входной канал. Линии этого канала могут быть входными или выходными только одновременно. При записи или чтении из этого канала на выходах RD, WRформируются соот­ветствующие сигналы. Переключение канала на ввод или вывод осуществляется после выполнения соответственно команды ввода или вывода. При выполнении команд чтения/записи из внешней памяти после передачи данных выходы канала переходят в высокоимпедансное состоя­ние.

Выводы Т0и T1 микро-ЭВМ могут выполнять несколь­ко функций. При использовании их как входы условий можно контролировать их состояние с помощью команд условных переходов: вывод Т0 может использоваться для выдачи тактовой частоты, вывод Т1 -как вход счетчика событий. Все переключения выполняются про­граммно.

Вывод INTприменяется для инициализации прерыва­ний, если они были разрешены программой. Имеет актив­ный низкий уровень, что позволяет подключать запросы от нескольких устройств, с использованием монтажного И. Состояние входа анализируется каждый машинный цикл во время импульса на выходе ALE.При обнаружении активного сигнала на входе INTи разрешении преры­ваний происходит вызов подпрограммы с адресом ОЗ в ПК. Состояние входа INTтакже можно контролировать с помощью команд условных переходов.

Таймер-счетчик (8 разрядов) микро-ЭВМ позволяет пользователю считать поступающие извне сигналы или генерировать временные задержки с большой точностью без отвлечения АЛУ от выполнения программ. В обоих случаях работа счетчика одинакова, разница лишь в том, откуда поступают сигналы на его вход (рис. 7.33). Переклю­чение режимов осуществляется программно. После начальной установки счетчик остановлен. Содержимое счетчика считывается или загружается с помощью акку­мулятора, операция начальной установки не влияет на него. При переполнении счетчика с FFв 00 устанавливает­ся флаг переполнения и счет продолжается. Одновременно возникает внутреннее прерывание. Адрес подпрограммы его обслуживания 07. Разрешение и запрет прерываний осуществляются программно-независимо от внешних прерываний, поступающих на вход INTмикро-ЭВМ. Состояние флага переполнения проверяется с помощью команд условного перехода. Флаг сбрасывается при вы­полнении этой команды и при начальной установке.

При работе в режиме счетчика событий на вход счет­чика поступают сигналы с вывода Т1микро-ЭВМ. По заднему фронту этих импульсов производится увеличение его содержимого на единицу. Максимальная скорость, на которой может считать счетчик, - один импульс за три цикла команд, минимальная частота не ограничена.

Рис. 7.33. Схема выработки последовательностей и таймер - счетчик БИС

При работе в режиме таймера на вход счетчика через предварительный делитель частоты на 32 (ДЧ:32)подает­ся последовательность основных тактовых импульсов с длительностью, равной времени машинного цикла (она же выдается на вывод ALEмикро-ЭВМ). Предварительный делитель во время выполнения команды включения таймера обнуляется. Такая организация позволяет получить временные задержки от 32 до 8192 машинных циклов. Большие длительности задержек можно получать программным счетом прерываний от таймера, меньшие длительности используя режим счетчика событий, подавая на вывод Т1 импульсы с выхода ALE через делитель частоты на 3 (ДЧ:3), короткие - программными способами.

Схема выработок тактовых последовательностей микро-ЭВМ (рис. 9.8) позволяет формировать все необхо­димые для работы тактовые сигналы. Схема состоит из генератора ГИ, делителя частоты ДЧи счетчика цикла СчЦ:5. В качестве задающей цепи для генератора может быть использован кварцевый резонатор, индуктивность или внешняя тактовая частота. Диапазон рабочих частот генератора от 1 до 6 МГц.

Частота генератора делится на три делителем частоты для получения внутренней тактовой частоты, которая выдается на вывод Т0после выполнения специальной команды. Выдача частоты на Т0прекращается после начальной установки.

		Машинный цикл
	Т5	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5	Т1
		Ввод команды	Дешиф-рация	Выполнение	Ввод
Выдача адреса	Инкре-мент РС	Выдача адреса
Время

Рис. 7.34. Временные диаграммы машинного цикла БИС

С делителя частота поступает на вход счетчика цикла и делится им на пять для получения пяти машинных тактов в цикле (рис. 7.34). Выходные им­пульсы служат для стробирования адреса при использовании внешних устройств совместно с микро-ЭВМ и выдаются на вывод ALE. Сигналы, формируемые на выводах , , ,PROG, показаны на рис. 7.35 и применяются при подключении к микро-ЭВМ внешних схем-расширителей.

Выполнение программ в микро-ЭВМ. Начальная установка микро-ЭВМ проводится при подаче на вход активного сигнала. Для получения необходимой длительности импульса к этому выводу подключают внешнюю емкость 1 мкФ.

Во время начальной установки производятся следующие действия: программный счетчик и указатель стека устанавливаются в «0»; выбираются банки регистров «0» и памяти «0»; канал DBпереводится в высокоимпедансное состояние, если использована внутренняя ПК; каналы Р1и Р2устанавливаются в режим ввода; запрещаются пре­рывания внешние и от таймера; счетчик-таймер событий останавливается, сбрасывается флаг переполнения таймера, сбрасываются флаги F0и F1; запрещается выдача тактовых импульсов на вывод Т0.

Рис. 7.35. Временные диаграммы выработки тактовых

последовательностей и сигналов управления БИС

Порядок выполнения команд микро-ЭВМ приведен на рис. 7.34. Большинство (70%) команд микро-ЭВМ выполняется за один цикл, второй цикл используется при непосредственной адресации и в некоторых других случаях. Первый цикл носит общий характер для всех команд. На первом его такте производится выборка кода команд, на втором — увеличение на единицу содержимого про­граммного счетчика и дешифрация кода команды. Третий — пятый такты служат для выполнения команды. На тактах ТЗи Т5производятся операции чтения/записи, проверки условий при переходах и т. п., а на такте Т4— увеличение на единицу содержимого таймера.

Пошаговый режим выполнения программ в микро-ЭВМ реализуется подачей последовательности сигналов на вход . Возможности, заложенные в микро-ЭВМ, совместно с простейшей схемой позволяют пользователю обрабаты­вать программы покомандно (независимо от того, имеет ли команда длину один или два цикла). После выполнения команды микро-ЭВМ останавливается, на выходы канала DBи младшей половины канала Р2выдается адрес команды, которая происходит при следующем шаге, что дает возможность трассировать программу. Следует отметить, что во время останова микро-ЭВМ из-за выдачи адреса информация ввода/вывода этих каналов недоступна пользователю. Для того чтобы устранить это, применяется запись этой информации во внешний регистр за время ее выдачи (на интервале между выдачами адреса при останове). Запись производится по переднему фронту сигнала на выходе ALE.

Работа микро-ЭВМ в пошаговом режиме:

1. Микро-ЭВМ получает сигнал останова (низкий уровень на входе).

2. Микро-ЭВМ переходит в состояние останова во время выборки кода следующей команды. При выполнении команды из двух циклов микро-ЭВМ переходит в состояние останова после завершения обоих циклов.

3. Процессор подтверждает переход в состояние останова высоким уровнем сигнала на выводе ALE. В этом состоянии микро-ЭВМ выдает на каналы DBи Р2адрес следующей команды.

4. По переднему фронту сигнала на входе процессор переходит к извлечению кода следующей команды. Это подтверждается низким уровнем сигнала на выводе ALE.

5. Для останова процессора после очередной команды необходимо повторно установить сигнал на входе в «0» сразу после появления на выходе ALEсигнала низ­кого уровня.

Подключение к микро-ЭВМ схем расширителей. В качестве микросхем, расширяющих возможности однокристальных микро-ЭВМ, могут быть использованы ПЗУ, ОЗУ, специальные расширители для увеличения количества каналов ввода/вывода, интерфейсные БИС серии КР580 и им подобные.

Расширение ПК. При работе К1816ВЕ48 с внутренней памятью команд (при низком уровне на входе ЕА) внешние сигналы, за исключением ALE, PROG,не формируются. При попытке выборки кода команды с адреса 1024 или старше (для К1816ВЕ35 с адреса 0, так как внутренняя ПК отсутствует) выполняются следующие действия (рис. 7.36):

1. Содержимое программного счетчика выдается на канал DBи младшую половину канала Р2.

2. Сигнал высокого уровня на выходе ALEпоказывает доступность адреса и служит для его стробирования.

3. Сигнал низкого уровня на выходе индицирует процесс чтения из ПК и служит для отпирания ПЗУ и выдачи данных в канал DB.

4. Канал DBпереходит в третье состояние.

Рис. 7.36. Временные диаграммы доступа к внешней ПД и ПК

Информация ввода — вывода канала Р2доступна некоторое время машинного цикла и может быть записана во внешний регистр по переднему фронту сигнала на выходе ALE.Пример подключения ПК к микро-ЭВМ приведен на рис. 7.37.

Рис. 7.37. Подключение внешней ПД и ПК к БИС микро-ЭВМ

Расширение ПД. При выполнении команды чтения внешней ПДиспользуется 8-разрядный адрес. Цикл чтения или записи выполняется следующим образом (см. рис. 7.36):

1. Содержимое регистров указателей ОЗУ R0или R1выдается в канал DB.

2. Сигнал высокого уровня на выходе ALEуказывает на доступность адреса.

3. В зависимости от направления передачи данных формируются импульсы на выходах , WR.Данные записываются по переднему фронту этих импульсов.

4. Данные передаются по каналу DBв (из) микро-ЭВМ.

Для дальнейшего наращивания памяти можно при­менять страничную адресацию с применением выходных разрядов каналов Р1или Р2для адресации страниц (рис. 7.37).

Расширение ввода — вывода. Для увеличе­ния количества каналов ввода — вывода можно исполь­зовать стандартный расширитель, который позволяет увеличивать количество линий ввода — вывода до 16. При этом дополнительные линии организованы как четыре 4-разрядных канала Р4 — Р7. Внутреннее строение, воз­можности доступа и адресация этих каналов полностью идентичны аналогичным характеристикам каналов Р1и Р2.Расширитель подключается к младшим четырем разрядам канала Р2и выводу PROGмикро-ЭВМ (рис.7.38,а). Возможности адресации к дополнительным каналам ограничены, поэтому логически подключенным к микро-ЭВМ может быть только один расширитель. При подклю­чении нескольких таких микросхем необходимо использо­вать линии каналов Р1и Р2для выбора одной из них, работающей в данный момент времени.

Для расширения возможностей микро-ЭВМ применяют следующие интерфейсные БИС:

К589ИК14 — для организации восьмиуровневой при­оритетной системы прерываний;

КР580ВВ51А — для организации обмена данными в последовательном коде;

КР580ВВ55 — для расширения возможностей по параллельному вводу — выводу;

КР580ВИ53 — для организации временных интерва­лов, получения различных тактовых последовательностей и т. п.

КР580ВВ79 — для подключения клавиатуры и матрич­ного дисплея; другие интерфейсные схемы с 8-разрядной организацией.

Подключаются БИС серии КР580 аналогично. При небольшом количестве таких БИС для подключения МД можно использовать канал DB, а для выборки и адресации - необходимое количество разрядов каналов Р1и Р2(рис.7.38,б). При значительном количестве интер­фейсных БИС или занятости каналов Р1и Р2их можно подключать как ПД (рис. 7.38, в).Подключение ИМС К589ИК14 показано на рис. 7.38, г.

а)

б)

в)

г)

Рис. 7.38. Подключение расширителей ввода-вывода (а), интерфейсных БИС (б, в) и блока приоритетных прерываний (г) к БИС микро-ЭВМ

Система команд однокристальных микро-ЭВМ. Способы адресации. При выборке кода команды микро-ЭВМ адресуется к ПК с использованием 12-разрядного программного счетчика. Для адресации к данным, хранящимся в ПК, применяют два способа адресации: непосредственный — операнд содержится в байте, следую­щем за кодом команды, и косвенный с аккумулятором — аккумулятор, работающий в качестве указателя операнда в текущей странице или в третьей странице ПК.

Для доступа к внутренней ПД существует два способа регистровой адресации: внутренняя прямая — операнд содержится в регистре R0 - R7 текущего банка регистров и указывается полем команды; внутренняя косвенная — один из регистров R0или R1текущего банка регистров, указанный полем команды, содержит адрес байта внутрен­ней ПД, который является операндом.

При доступе к внешней ПД используется внешняя косвенная регистровая адресация, аналогичная внутрен­ней косвенной.

Зарезервированные в банках рабочие регистры и стек показаны на рис. 7.31.

Описание команд микро-ЭВМ. Команды пересылки данных позволяют пересылать информацию между аккумулятором, внутренней и внешней ПД с использованием прямой и косвенной регистровой и непосредственной адресации; обмен информацией между аккумулятором и PSW;загрузку информации в аккумулятор из третьей или текущей страницы ПК с применением косвенной регистровой адресации.

Команды логических операций позволяют выполнять операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ с содержимым аккумулятора с операндом, адресуемым с помощью пря­мой и косвенной регистровой и непосредственной адресации, а также очистку и инверсию содержимого аккуму­лятора.

Команды арифметических операций представлены операцией сложения с учетом и без учета переноса содер­жимого аккумулятора с операндом, адресуемым с по­мощью прямой и косвенной регистровой и непосредствен­ной адресации; операцией десятичного дополнения аккумулятора; увеличением и уменьшением на единицу его содержимого.

Команды сдвига осуществляют правый и левый сдвиг содержимого аккумулятора с учетом и без учета бита пере­носа и обмен полубайтов аккумулятора.

Команды операций с регистрами дают возможность уменьшать и увеличивать на единицу их содержимое.

Команды работы с флагами сбрасывают и инвертируют флаги СУ, F0, F1.

Команды работы с таймером используются для обмена информацией между аккумулятором и таймером, выбора режима работы таймера-счетчика, его останова, управления прерываниями от него.

Команды безусловной передачи управления осуществ­ляют вызов и возврат из подпрограмм, переход с указанием полного адреса в текущем банке ПК и переход в текущей странице ПК с косвенной регистровой адресации.

Команды условной передачи управления позволяют организовать ветвление, т. е. условный переход в преде­лах текущей страницы в зависимости от состояния флагов переполнения таймера СУ, Z, F O, Fl;сигналов на входах Т0, Tl, ;заданного бита аккумулятора. Одна из команд организовывает цикл с использованием одного из регист­ров в качестве счетчика.

Команды ввода — вывода представлены командой обмена данными аккумулятора и каналов Р1 — Р7, DB; логических операций с содержимым аккумулятора и ка­налов Р4 — Р7или с непосредственными данными и содержимым каналов PI, P2.

Команды управления микро-ЭВМ управляют функ­цией вывода Т0, реакцией на внешние прерывания и осуществляют выбор текущего банка регистров и ПК.

Следует отметить, что архитектура микро-ЭВМ серии К1816 не может обеспечить разработку собственных программ и построенных на них систем общего назначе­ния. Это обусловлено тем, что микро-ЭВМ является, по существу, микроконтроллером и построение таких систем сильно затруднено. Поэтому для написания программ используются мощные вычислительные системы с привлечением кросс-средств. Программы для микро-ЭВМ пишутся на языке ассемблера из-за малого объема ПК.