Лабораторный практикум по микропроцессору КР580ВМ80/КР580ВМ80А (МП КР580) (стр. 1 )

лабораторный практикум по микропроцессору КР580ВМ80/КР580ВМ80А (МП КР580)

Представленные работы предназначены для обучения студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» по курсу «Организация ЭВМ». 1-5 работы практикума являются 6-10 работами курса.

Цели и задачи практикума

Основные цели практикума состоят в углублении теоретических знаний в области архитектурных особенностей управляющих микро-ЭВМ и приобретении навыков построения программно-логических управляющих систем на основе однокристальных микропроцессоров.

Для достижения поставленных целей студенту в процессе лабораторных и практических занятий необходимо выполнить комплекс лабораторных работ по изучению архитектуры и системы команд однокристального микропроцессора (МП) и по созданию управляющих программ для него.

В качестве однокристального МП в практикуме выбран процессор КР580ВМ80/КР580ВМ80А. Данный 8-разрядный процессор имеет все основные особенности, присущие современным функционально-полным микропроцессорам и при этом является наиболее простым в приобретении практических навыков при выполнении студентом лабораторных работ.

Для сокращения затрат времени студентов на выполнение работ в учебный процесс внедрен эмулятор emКР580, который представляет собой программу-приложение, имитирующую все основные действия, выполняемые микропроцессором КР580ВМ80/КР580ВМ80А при отработке им некоторой управляющей программы, составляемой студентом на языке Ассемблер.

Таким образом, основными задачами практикума являются: изучение особенностей МП и работы эмулятора emКР580, изучение команд языка Ассемблер, составление и отладка управляющих программ по достижению целей лабораторных работ.

Вводная информация

Микропроцессор КР580 представляет собой изготовленную по n-МОП технологии БИС, содержащую около 5000 транзисторов. БИС процессора реализована на кремниевом кристалле размером около 30 мм2, заключенном в корпусе с 40 выводами. Длинна слова процессора равна 8 разрядам. Тактовая частота процессора равна 2 МГц. Уровни напряжения питания: +5, –5 и +12 В.

Микропроцессор КР580 предназначен для работы с памятью (постоянной и оперативной) с общим объемом до 64 Кбайт. Память имеет байтовую структуру – возможна адресация в памяти любого байта. При обращении к памяти используются 16-разрядные (2-хбайтные) адреса.

Характерные особенности организации МП КР580:

ü  Трехшинная структура: шина данных, шина адреса и шина управления.

ü  Магистральный принцип связей, реализованный в виде связывающей основные узлы МП двунаправленной 8-разрядной шины данных.

ü  Наличие регистровой памяти, образованной программно-доступными общими и специализированными регистрами (счетчик команд (PC), указатель стека (SP), указатель данных (HL)), а также регистрами временного хранения.

ü  Наличие средств организации стековой памяти (регистр – указатель стека, схемы выполнения операции инкрементации/декрементации, специальные команды стековых операций).

ü  Наличие 16-разрядной шины адреса, обеспечивающей возможность прямой адресации любого байта в памяти емкостью до 64 Кбайт.

ü  Наличие операций над двухбайтными словами (16-разрядными числами и адресами), что обеспечивается специальными командами, тандемными (2-х и 3-хбайтными) передачами.

ü  Использование 3-х форматов команд (1-, 2-х и 3-хбайтного) и разнообразных способов адресации (подразумеваемой (неявной), прямой, регистровой, косвенной, непосредственной, стековой), позволяющих при коротком 8-разрядном слове иметь достаточно гибкую систему команд.

ü  Возможность реализации векторного многоуровневого приоритетного прерывания путем подключения дополнительной БИС (контроллер прерываний).

ü  Возможность реализации в МП режима прямого доступа к памяти (ПДП) путем подключения дополнительной БИС (контроллер ПДП).

ü  Наличие эффективных средств работы с подпрограммами и обработки запросов прерываний (стековая память, специальные команды вызова подпрограмм и возврата из подпрограмм, в том числе условного).

Отмеченные особенности подробно разъяснены в [1, 2, 3].

Структура МП КР580

На Рис. 0-1 представлена структурная схема МП КР580, а на Рис. 0-2 (см. стр. 8) показано назначение выводов корпуса процессора.

МП имеет 3 шины: 8-разрядную двунаправленную внутреннюю шину данных (ШД), 16-разрядную адресную шину (ША) и шину управления (ШУ).

Рис. 0-1. Структурная схема МП КР580.

Внутренняя ШД является магистралью, по которой могут обмениваться данными все подключенные к ней блоки (узлы) МП. Одновременно по ШД осуществляется обмен только между двумя узлами МП, т. е. все узлы, подсоединенные к ШД, разделяют ее во времени.

ШУ 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, информирующих МП о готовности периферийных устройств; сигнала запроса прерывания от периферийных устройств и сигнала разрешения прерывания и др.

Выводы микропроцессора имеют следующее назначение:

ü  Выводы C1 и C2 используются для ввода в микропроцессор синхросигналов от тактового генератора.

ü  Выводы ШД0 … ШД7 образуют двунаправленную шину данных для обмена данными между процессором и внешней памятью или внешними устройствами.

ü  Выводы ША0 … ША15 образуют шину адреса, которая используется процессором для вывода адреса ячейки памяти или адреса внешнего устройства, с которой(ым) будет проводиться обмен данными.

ü  Вывод СНХР (СИНХР) используется для синхронизации процессором внешних устройств.

ü  Вывод СБР – это аппаратный сброс микропроцессорной системы.

ü  Вывод ГТ используется процессором для приема сигналов от внешнего устройства или памяти о готовности его (ее) к обмену данными.

ü  Вывод ОЖ используется МП для формирования им сигналов внешнему устройству или памяти об ожидании готовности устройства (памяти) к обмену информацией между ним и процессором.

Рис. 0-2. Назначение выводов корпуса МП БИС КР580.

ü  Выводы ЧТ и ЗП используются процессором для формирования им сигналов чтения и записи для внешней памяти и устройств ввода/вывода.

ü  Выводы ЗПР и РПР – выводы для сигналов запроса и разрешения прерывания.

ü  Выводы ЗПДП и РПДП – выводы для сигналов запроса и разрешения прямого доступа к памяти.

Для нормального функционирования микропроцессорной системы недостаточно управляющих сигналов, генерируемых на выводах МП. МП-система в каждом машинном цикле должна получать более полную информацию о состоянии процессора. Из-за недостаточного количества выводов на корпусе МП процессор на первом такте каждого машинного цикла (МЦ) выдает через шину данных дополнительную информацию о своем состоянии, которая представляет собой 8-разрядное слово состояния процессора (ССП). Т. к. сигнал СИНХР вырабатывается в МП в начале каждого МЦ, то он используется в качестве сигнала, идентифицирующего информацию, представленную в ШД, как слово состояния. По сигналу СИНХР внешний по отношению к процессору регистр (регистр слова состояния РСС) должен читать данные с ШД и сохранять их в виде ССП на своих выходных выводах. Сигналы с выхода РСС используются в качестве сигналов управления периферией МП-системы [1, 2].

При рассмотрении структуры МП можно выделить следующие ее основные части: блок регистров, арифметическо-логическое устройство (АЛУ), буферные схемы, устройство управления (УУ).

Блок регистров.

Микропроцессор КР580 содержит программно-доступные 8-разрядные регистры: регистр-аккумулятор (A или Акк); регистры общего назначения (РОН) B, C, D, E; регистр признаков F; 16-разрядные специализированные регистры: счетчик команд (СК или PC), регистр-указатель стека (УС или SP), сдвоенный регистр косвенной адресации HL (H – регистр старшего полуадреса, L – регистр младшего полуадреса). Кроме этого имеются непосредственно недоступные программе регистры: 8-разрядные регистры временного хранения T, W, Z; 8-разрядный регистр команд (РК); 16-разрядный регистр адреса (РА). Имеется также возможность использовать пары регистров BC и DE для хранения 16-разрядных слов.

РОН используются для хранения операндов, промежуточных и конечных результатов, а также адресов и индексов при косвенной и индексной адресации. Аккумулятор является особым регистром и используется в качестве источника одного из операндов и места, где фиксируется результат операции. В командах аккумулятор в явном виде не адресуется. Из Рис. 0-1 видно, что он имеет двухступенчатую структуру, что объясняется его особым назначением.

В блоке регистров есть также схема инкрементации/декрементации, которая производит над содержимым регистров (без привлечения АЛУ) операцию прибавления/вычитания 1.

Арифметическо-логическое устройство.

АЛУ реализует простейшие арифметические и логические операции над байтами: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ и т. п. Все более сложные операции (умножение, деление, элементарные функции и пр.) выполняются с помощью подпрограмм.

К одному из входов схемы АЛУ всегда подключен аккумулятор, к другому – любой из РОН (через регистр T). АЛУ непосредственно связано с регистром признаков (F), в соответствующих разрядах которого фиксируются особенности выполнения каждой операции. Структура регистра F приведена в Табл. 0-1.