Реферат: Предисловие

БУРЕЕВ ЛЕВ НИКОЛАЕВИЧ

ДУДКО АЛЕКСЕЙ ЛЬВОВИЧ

ЗАХАРОВ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ


Простейшая микро-ЭВМ.

Проектирование.

Наладка.

Использование


© Энергоатомиздат, 1989

ПРЕДИСЛОВИЕ

Появление микропроцессоров сыграло важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах челове­ческой деятельности. Неослабевающий интерес к микропроцес­сорам объясняется такими их особенностями, как низкая стои­мость, высокая надежность, компактность и значительные функциональные и вычислительные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом изда­ется весьма обширная литература по микропроцессорной тех­нике и возможностям ее применения. И все же книг с описанием реально построенных конструкций и устройств на базе микро­процессоров явно недостаточно для удовлетворения постоянно растущего спроса на такие публикации. Именно это побудило авторов взять на себя смелость написать нечто вроде руковод­ства, ориентированного на читателя, пожелавшего ознакомиться с работой простейшей микро-ЭВМ или заняться ее изготовле­нием.

Конечно, эта книга — не инструкция по изготовлению мик­ро-ЭВМ в полном смысле этого слова, хотя в ней довольно по­дробно описываются конструкция вычислительной машины и ее работа. Основная цель книги — помочь разобраться в том, что такое микропроцессор, как он работает, как необходимо его программировать и как на его основе можно создавать разно­образные устройства, применяющиеся в технике, в быту, в по­вседневной практической деятельности.

Современный микропроцессор - довольно сложное устрой­ство, работу которого не удается описать в деталях вне связи с системой, в составе которой он функционирует (в отличие от других более простых электронных приборов, таких напри­мер, как электронная лампа). К сожалению, в специальной ли­тературе микропроцессор в подавляющем большинстве случаев описывается автономно. Из такого описания не всегда понятны детали его работы и особенности применения. Предлагаемая читателям книга в некоторой степени восполняет этот пробел. Авторами описывается схема простейшей микро-ЭВМ как пример простейшей микропроцессорной системы. Будет или не будет читатель строить эту микро-ЭВМ — не так уж и важно. Важно, что на базе этой конкретной микропроцессорной си­стемы он получит необходимые сведения о работе микропро­цессора и сможет построить в дальнейшем аналогичные системы по своему выбору и вкусу.

Выступая в 1970 г. с докладом о перспективах развития и применения вычислительной техники на конференции в Мос­ковском физико-техническом институте, академик В. М. Глуш-ков говорил о том, что недалек тот день, когда вычислительная техника шагнет в повседневную жизнь и буквально каждая семья сможет получить доступ к вычислительным ресурсам. Во времена господства универсальных вычислительных машин-гигантов это высказывание представлялось по меньшей мере весьма смелым прогнозом. Но прошли годы и вот уже микро­электроника стучится в двери наших квартир, появляется на рабочих местах в учреждениях, приближая тот день, когда вы­числительные машины станут для нас столь же привычными в быту, как холодильники, стиральные машины и цветные телевизоры.

Отсюда ясно, как важна популяризация тех знаний, которые раньше были необходимы лишь специалистам. В особенности это касается знаний в следующих трех областях: математиче­ской логике, программировании и электронике. Но даже спе­циалисты, равным образом ориентирующиеся в указанных трех областях, в настоящее время встречаются не так уж часто. Пользователи ЭВМ прошлых поколений практически никогда не сталкивались с аппаратной реализацией своих программ, а специалисты в области электроники, как правило, не занима­лись программированием. Поэтому широкая подготовка спе­циалистов нового типа — насущная проблема сегодняшнего дня.

Данная книга вовсе не претендует на роль учебного пособия с изложением основ математической логики, электроники и программирования. Цель у книги другая — привлечь широкий круг читателей к относительно новому, увлекательному миру конструирования микроэлектронных устройств на базе микро­процессорной техники, сфера применения которых не ограничи­вается традиционными вычислительными задачами. Создание программируемых устройств с широкими функциональными возможностями - микроэлектронных помощников (пусть на первое время совсем простых), повышающих эффективность интеллектуальной деятельности на производстве и дома, - вот, может быть, самая интересная и многообещающая область ис­следований в наш век всеобщей компьютеризации.

Необходимо заметить, что авторы вовсе не хотели бы скло­нить будущих конструкторов к попытке воспроизвести копию промышленной микро-ЭВМ. Любительским конструкциям труд­но тягаться с изделием, выпускаемым промышленностью. Тем не менее широкое привлечение любителей к микроэлек­тронному конструированию позволит в ряде случаев найти те оригинальные технические решения, которые в дальнейшем могут быть использованы целиком в конструкциях соответст­вующих промышленных изделий или положены в их основу. Для чтения книги не требуется специальных знании в области микропроцессорной техники. Тем не менее предполагается, что читатель сможет, пользуясь приведенными в книге рекоменда­циями самостоятельно собрать простую ЭВМ из малодефицит­ных деталей, отладить ее, проделать на ней ряд упражнении по программированию решения различных задач, а также изучить способы подсоединения дополнительных внешних устройств, значительно расширяющих возможности построенной машины. Хотя описываемая микро-ЭВМ построена по универсальной схеме, допускающей наращивание аппаратуры до широких пре­делов (скажем, до масштабов персональной ЭВМ), основное назначение ее - учебное, т. е. позволяющее в максимально ко­роткое время получить навыки основ программирования и проектирования микропроцессорных систем. С этой целью читателю дается весь необходимый материал, приводятся реаль­ные схемы с реальными характеристиками. В отличие от боль­шинства подобных изданий в книге описываются не только отдельные узлы машины, но и целиком вся ее схема. Выводы всех микросхем промаркированы, и каждая микросхема опи­сана в деталях. Поэтому читателю нет необходимости обра­щаться к зачастую труднодоступным справочным источникам. Главы 1-4, а также приложение 1 (система команд микро-процессора КР580ВМ80А) написаны В.Н. Захаровым, гл. 5-7 написаны А. Л. Дудко, а гл. 8-10 - Л. Н. Буреевым. Принци­пиальная электрическая схема описываемой микро-ЭВМ (при­ложение 2) разработана А. Л. Дудко, а описываемые схемы сопряжения микро-ЭВМ с дополнительными внешними устрой­ствами (в том числе с бытовыми телевизором и магнитофо­ном) , а также схема статического аппаратного эмулятора разра­ботаны Л. Н- Буреевым. Предисловие к книге написано автора­ми совместно.

Авторы позволяют себе надеяться, что книга окажется полез­ной не только будущим конструкторам микро-ЭВМ, но и всем тем, кто стремится расширить свои знания в области примене­ния микропроцессорной техники.

Авторы выражают признательность рецензенту канд. техн. наук В. Ф. Корнюшко и редактору проф. Д. А. Поспелову за доброжелательную критику и замечания, которые способство­вали улучшению содержания и стиля книги.

Все замечания по содержанию книги, методике изложения, а также все предложения по усовершенствованию схемы и конструкции описываемой машины авторы примут с благо­дарностью. Пожелания и замечания просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.


Авторы


1


ЧТО

ТАКОЕ

МИКРО-ЭВМ?


^ 1.1. ТИПЫ МИКРО-ЭВМ

И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ


Понятие микро-ЭВМ отнюдь не означает, что пользователь имеет дело с упрощенным вариантом обычной ЭВМ, обладающим весьма ограниченными возможно­стями В истории создания вычислительных машин десятилетие с 70-х по 80-е годы сыграло важную роль. Благодаря успехам микроэлектронной технологии появилась возможность конст­руировать вычислительные машины небольших габаритов, с ма­лым потреблением электроэнергии и в достаточной мере "про­изводительные". Вычислительные возможности современных микро-ЭВМ не уступают возможностям средних ЭВМ начала 70-х годов. Если понятие ЭВМ неразрывно связано с понятием вычислительного центра, крупного предприятия или сложной технической системы, то микро-ЭВМ - это массовое изделие, доступное не только небольшим производственным коллекти­вам но и отдельным лицам вследствие невысокой стоимости, малой материалоемкости, низкого энергопотребления, высокой надежности. Микро-ЭВМ может быть использована для управле­ния производством, а также отдельной, в ряде случаев сложной технической системы, как элемент оборудования рабочего места конструктора-исследователя или научного работника, в быту и во многих других сферах.

Переворот в технике конструирования ЭВМ произошел вследствие перехода к изготовлению основных узлов вычисли­тельной машины (и в частности, ее главного узла - центрального процессорного элемента) в габаритах одной микросхемы или нескольких микросхем с площадью размещения активных элементов в каждой микросхеме порядка 100 мм2 и менее. При разработке такого процессора, получившего название "микро­процессор" (МП), было учтено требование максимального ис­пользования аппаратурных возможностей выполнения им вы­числительных или логических функций.

В конструктивном отношении микропроцессоры могут быть однокристальными (выполненными в виде одной микросхемы), многокристальными (выполненными в виде нескольких разно­типных микросхем, каждая из которых представляет собой функционально законченную часть логической схемы процессо­ра) и секционными многокристальными (выполненными в виде нескольких однотипных микросхем, представляющих собой отдельные секции, позволяющие построить процессор с числом разрядов, пропорциональным числу используемых секций).

Кроме МП, предназначенных для обработки дискретной ин­формации, существуют аналоговые микропроцессоры (АМП), предназначенные для обработки аналоговой информации. В их структуру включены аналого-цифровые (аналого-дискретные) и цифро-аналоговые (дискретно-аналоговые) преобразователи, т. е. устройства, преобразующие аналоговый сигнал (например, непрерывно меняющееся входное напряжение) в цифровой (набор напряжений двух фиксированных уровней, представляю­щих двоичный код) и обратно. Обработка аналоговой информа­ции, преобразованной в дискретную, производится в АМП, как и в обычном микропроцессоре. Кроме однокристальных микропроцессоров существуют однокристальные микро-ЭВМ (ОМ-ЭВМ), представляющие собой микросхему, объединяю­щую в своем составе все основные устройства, необходимые для ее функционирования.

При использовании ОМ-ЭВМ необходимо добавить источник питания, внешние устройства и в ряде случаев дополнительное внешнее запоминающее устройство. На базе МП или ОМ-ЭВМ может быть построена одноплатная микро-ЭВМ, представляю­щая собой законченный конструктивный элемент. Одноплат­ная микро-ЭВМ может входить в состав многоплатной микро-ЭВМ, включающей, кроме того, платы сопряжения с внешними устройствами, а также источник питания, пульт управления, аппаратуру индикации ("голая микро-ЭВМ"). Если "голую микро-ЭВМ" "одеть" внешними устройствами (алфавитно-цифровой клавиатурой, дисплеем, накопителем на гибком магнитном диске и т. п.), то получится вычислительный ком­плекс.

Одноплатная микро-ЭВМ, ОМ-ЭВМ и "голая микро-ЭВМ" могут быть использованы в составе управляющих систем или измерительных комплексов. Примерами ОМ-ЭВМ являются однокристальные восьмиразрядные микро-ЭВМ серии К 1816, однокристальные четырехразрядные микро-ЭВМ серий К 1820 и К 1814. К одноплатным машинам относится, например, мик­ро-ЭВМ "Истра", а к многоплатным — микро-ЭВМ "Электрони­ка 60", ЕС-1840, "Квант" и др.

По способу реализации системы команд микро-ЭВМ раз­деляются на два типа. В микро-ЭВМ первого типа система команд является постоянной (фиксированной), а в микро-ЭВМ второго типа - изменяемой (программируемой на уровне мик­рокоманд). Более простыми, дешевыми и распространенными являются машины первого типа.

К наиболее распространенным микро-ЭВМ, выпускаемым оте­чественной промышленностью, относятся персональные (ПЭВМ) и профессиональные персональные (ППЭВМ) машины семей­ства "Электроника", а также машины: ЕС 1840, "Искра 1030", "Нейрон И9.66", "Агат", "Корвет", СМ-1810 и др.

Семейство микро-ЭВМ "Электроника" - это ряд универ­сальных программно-совместимых машин различной произво­дительности. Наиболее производительные машины этого ряда сравнимы по параметрам с развитыми мини-ЭВМ. Семейство микро-ЭВМ "Электроника" - это ряд машин, ориентиро­ванных на использование в управлении технологическими про­цессами, для сбора и обработки данных, для обработки сообще­ний и управляющей информации в системах связи и контрольно-измерительных системах. Отдельные модели ряда могут быть встроены в соответствующие подсистемы управления и кон­троля Модели "Электроника" - это микро-ЭВМ универсально­го применения, которые с успехом могут быть использованы в системах автоматизированного управления. Одним из важней­ших достоинств этой серии является программная совмести­мость с отечественными мини-ЭВМ СМ-3, СМ-4, а также с зару­бежными мини-машинами семейства PDP-11, что позволяет ис­пользовать разработанное ранее программное обеспечение. Машины "Электроника 85" и "Электроника БК-0010" относят­ся к классу персональных компьютеров.

Предназначенная в основном для тех же целей микро-ЭВМ СМ-1810 является машиной, программно-совместимой с мик­ро-ЭВМ, построенными на базе микропроцессора 8080 фирмы Intel.

Кроме перечисленных микро-ЭВМ отечественной промыш­ленностью выпускается большой ассортимент диалоговых вы­числительных комплексов, например ДВК-1 - ДВК-3, с высо­кой производительностью, что позволяет использовать программное обеспечение этой машины, а также программное обеспечение мини-ЭВМ "Электроника 100/25". Операцион­ная система вычислительного комплекса ДВК допускает использование языков БЕЙСИК, ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, КО­БОЛ, ПЛ/1, что предоставляет большие возможности для программирования.

Современные микро-ЭВМ обладают несравненно большими возможностями, чем многие вычислительные машины прош­лых поколений. Дешевизна, надежность и доступность микро-ЭВМ позволяют использовать их для решения таких задач, для которых применение средств вычислительной техники ранее было неоправданным.

В сфере промышленного производства микро-ЭВМ могут использоваться в составе информационно-управляющих вычис­лительных систем (ИУВС), в системах технического управления объектами и технологическими процессами и в системах орга­низационно-технического управления цехами, предприятиями, отраслями и т. п. В таких системах микро-ЭВМ используются для сбора и обработки данных, выполнения сложных экономи­ческих и технических расчетов, планирования, управления и контроля. В управлении сложными техническими системами микро-ЭВМ чаще всего используются в составе встроенных средств управления и контроля. Замена высокопроизводитель­ной и дорогостоящей ЭВМ, используемой в качестве централь­ного управляющего органа, сетью микро-ЭВМ повышает надеж­ность, эффективность и гибкость управления сложной техниче­ской системой, позволяет организовать управление в реальном времени и снижает стоимость общих затрат на управление.

Применение микро-ЭВМ в машиностроении позволяет перей­ти от существующих конструкций станков с числовым про­граммным управлением к более совершенным высокопроизво­дительным робототехническим конвейерным системам и к орга­низации на их основе гибких автоматизированных производств.

Расширению сферы использования ЭВМ (особенно в послед­ние годы) способствовало появление нового класса микро-ЭВМ — персональных ЭВМ (ПЭВМ). Под ПЭВМ подразумевается микро-ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования (подобно пишущей машинке, телевизору, магнитофону), но со значительно более широкими функциональными возможностя­ми, позволяющими использовать ее для решения самых разно­образных задач — от сложнейших профессиональных расчетов до самых мелких бытовых. Обычно ПЭВМ так и классифици­руются: профессиональные и бытовые. Профессиональные ПЭВМ используются профессионалами-конструкторами, технологами, инженерами, научными работниками, журналистами, редакторами и т. п. Они оказываются полезными при индиви­дуальной обработке технической, экономической, медицинской и другой информации, в преподавательской деятельности; по­зволяют обеспечить оперативный доступ к отраслевым, регио­нальным информационным источникам через локальные сети ЭВМ. Бытовые ПЭВМ могут быть использованы в качестве до­машнего информационного центра. С их помощью можно прово­дить развлекательные и познавательные игры, организовывать учебные курсы (например, по изучению иностранных языков или курсов по школьной программе), обеспечивать доступ к справочной информации: адресам, телефонам, рецептам и т. п. Микро-ЭВМ, выпускаемые промышленностью, являются слишком сложными, чтобы брать их за образец при попытке самостоятельного построения. Возникает вопрос, можно ли вообще самому построить хоть какой-нибудь простейший ва­риант вычислительной машины?


^ 1.2. МОЖНО ЛИ САМОМУ ПОСТРОИТЬ ЭВМ?


Еще 15 лет назад человека, задавшего такой вопрос, посчитали бы не совсем нормальным. Действительно, до появления микросхем большой и сверхболь­шой степени интеграции это было абсолютно бессмысленной затеей. Благодаря достижениям в области микроэлектроники последних лет стало возможным массовое производство в виде микросхем сложнейших устройств, таких как центральный процессор вычислительной машины, оперативное и постоянное запоминающие устройства и т. д. Поскольку в большинстве слу­чаев электрические параметры и функциональное назначение выходов и входов этих устройств (блоков) стандартизованы, их довольно легко соединять друг с другом. К тому же при разработке этих блоков, как правило, предусматривается стан­дартный вариант их применения, использование которого значи­тельно упрощает проектирование устройств на их основе. Проек­тирование и построение микро-ЭВМ напоминает игру в детский конструктор, где все детали подходят друг к другу и можно воспользоваться руководством, в котором предложены некото­рые типовые варианты узлов и изделий из его элементов. Для построения простейшей машины потребуется всего несколько узлов, создать которые не так уж трудно.

Итак, построение простейшей микро-ЭВМ оказывается сейчас возможным и не очень сложным делом. По крайней мере оно не сложнее постройки любительских конструкций в области радио, телевидения или звукозаписи.

"А можно ли построить самому не простейшую, а более слож­ную микро-ЭВМ?" — спросит заинтересованный читатель.

Простейший вариант микро-ЭВМ допускает возможность усложнения и усовершенствования конструкции путем замены или установки дополнительных микросхем или новых допол­нительных плат с микросхемами. Можно повысить быстродейст­вие микро-ЭВМ, увеличить объем памяти или заставить ее вы­полнять новые, не предусмотренные первоначальной конструк­цией функции. К существенному расширению возможностей простейшей микро-ЭВМ приведет, например, включение в ее состав перепрограммируемой памяти, т. е. постоянной памяти, сохраняющей информацию при выключении питания и про­граммируемой пользователем, с возможностью стирания инфор­мации и повторного программирования. Поскольку более слож­ная микро-ЭВМ, как мы увидим из дальнейшего изложения (см. § 2.3), отличается от простейшей, кроме всего прочего, развитой периферией, можно заняться совершенствованием ее внешних устройств. Однако внешние устройства самому по­строить довольно сложно. Вряд ли, например, кто-нибудь захо­чет взяться за конструирование хорошего печатающего устрой­ства. Изготовление подобного устройства под силу лишь про­мышленности. Вот подсоединить к простейшей микро-ЭВМ имеющиеся внешние устройства можно, в том числе некоторые бытовые приборы, такие как домашний телевизор или кассет­ный магнитофон. О том, как это сделать, вы узнаете в гл. 10.


^ КАКУЮ МИКРО-ЭВМ МЫ БУДЕМ СТРОИТЬ?


2.1. ОСНОВНЫЕ БЛОКИ МИКРО-ЭВМ


Будем представлять описывае­мую далее микро-ЭВМ системой вложенных друг в друга бло­ков наподобие матрешек и открывать каждый раз лишь тот из них, который будет нужен в момент изложения соответствую­щего материала. Так, например, сейчас нас будет интересовать только внешний блок (собственно микро-ЭВМ), имеющий впол­не определенное число входов и выходов. Следующий, располо­женный внутри него блок назовем пока центральным блоком. О содержимом центрального блока и о том, как он связан с внешним блоком, будет показано чуть позже.

Основным назначением внешнего блока является преобразо­вание дискретной информации. Общий вид простейшего пре­образователя информации представлен на рис. 2.1,д. На его входы поступает исходная информация, а на выходах появля­ется информация, преобразованная в соответствии с законом, реализуемом в преобразователе.

В простейших преобразователях закон преобразования ин­формации остается неизменным и применяется к любому кон­кретному виду информации, на работу с которой рассчитан преобразователь данного вида. Более широкими функциональ­ными возможностями обладают преобразователи с законом преобразования, изменяемым путем подачи специальных управ­ляющих воздействий. На рис. 2.1,6 представлен общий вид та­кого преобразователя, отличающегося от простейшего наличием специальных управляющих входов.




Рис. 2.1. Преобразователи информации: а - простейший; б – управляемый


Различают два типа управляемых преобразователей. В преоб­разователях первого типа управляющие воздействия неизменны в течение всего времени преобразования поступившей информа­ции. В преобразователях второго типа в процессе преобразова­ния управляющие сигналы могут изменяться, настраивая каж­дый раз преобразователь на выполнение какой-то одной функ­ции. Для преобразования дискретной информации, особенно в том случае, когда сложный процесс преобразования может быть разбит на ряд этапов, каждый из которых характеризует­ся вполне определенной функцией преобразования, как правило, используются преобразователи второго типа.

Любую вычислительную машину можно рассматривать как управляемый преобразователь входной информации в выход­ную со следующей оговоркой. В процессе многоэтапного пре­образования информации настройка преобразователя выполня­ется автоматически по заранее составленной пользователем схе­ме (детальной последовательности преобразований) с учетом результатов преобразований на каждом из этапов. Отсюда сле­дуют два важных факта.

1. Пользователь, решающий на вычислительной машине свою задачу, должен заранее составить эту детальную последователь­ность преобразований исходных данных, называемую програм­мой решения задачи.




Рис. 2.2. Микро-ЭВМ как преобразователь


2 Чтобы преобразование выполнялось по мере решения зада­чи автоматически, программа решения задачи должна быть вве­дена в машину до начала ее работы над задачей и должна хра­ниться там в течение всего времени вычислений. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность хранения тех проме­жуточных результатов вычислений, от которых зависит на­стройка преобразователя (работа машины). С учетом этих заме­чаний схема преобразования информации с помощью машины приобретает вид, указанный на рис. 2.2,д. А наш внешний блок кроме отмеченного раньше центрального блока (ЦБ) должен содержать устройство ввода (УВ) для ввода данных и програм­мы и устройство вывода (УБЫВ) для выдачи результатов вычис­лений (рис. 2.2,6). В чем же состоит работа центрального блока и какие устройства в него входят?


^ 2.2. СОДЕРЖИМОЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО БЛОКА


Все уже привыкли к тому, что ЭВМ предназначена для вычислений. Об этом говорит ее назва­ние Тем не менее это справедливо лишь отчасти. С расшире­нием области применения микро-ЭВМ собственно вычислитель­ные функции в ее работе занимают довольно скромную долю среди всех остальных функций. Действительно, такие задачи, как анализ текстовых и речевых сообщений, поиск требуемых данных в массиве, преобразования массивов данных, распозна­вание образов и обработка изображений, строго говоря, отнести к вычислительным нельзя, хотя сам процесс преобразований информации можно рассматривать как вычислительный, по­скольку в нем реализуются операции над двоичными кодами или числами. По существу микро-ЭВМ является универсальным преобразователем дискретной информации, причем преобразо­вателем особого вида — программируемым.

Процесс преобразования информации начинается в устройстве ввода. Устройство ввода предназначено для преобразований входной информации к виду, удобному для вьиислений. Устрой­ство вывода, напротив, преобразует результаты вычислений к виду, удобному для пользователя. В отличие от устройств ввода и вывода, реализующих неизменные функции преобразо­вания, центральный блок микро-ЭВМ реализует самые разно­образные функции и является поэтому универсальным преобра­зователем, осуществляющим программный принцип обработки информации.

Любой достаточно сложный процесс преобразования дискрет­ной информации можно разбить на отдельные этапы или акты. Элементарный неделимый акт обработки информации называют операцией, а управляющее слово, вызывающее выполнение этой операции, — командой. Последовательность команд, реализую­щих требуемый процесс преобразования информации, состав­ляет программу обработки исходных данных. Программный принцип обработки информации позволяет использовать одно и то же устройство — универсальный преобразователь — для ре­шения самых разнообразных задач при помощи составленных пользователем последовательностей команд или программ преобразования. Как уже отмечалось, программа должна быть введена в машину до начала вычислений. В связи с этим следую­щий блок микро-ЭВМ (центральный) должен содержать по крайней мере следующие два функциональных блока: процес­сор, реализующий операции преобразования, и память, храня­щую программу и результаты вычислений (рис. 2.3).

Благодаря тому что все осуществляющие управление преоб­разованием команды записываются в память, программный способ преобразования информации является очень гибким. Процессор, извлекая из памяти команды (рис. 2.3), может оперировать с ними как с числами и, изменив, возвращать их обратно в память. Это позволяет реализовать сложные схемы вычислений путем использования команд, которые в процессе вычислений "сами себя меняют", вследствие чего меняется весь ход вычислительного процесса.




Рис. 2.3. Схема процесса решения задачи:

а — программа и данные на входе микро-ЭВМ; б — программа и дан­ные в памяти машины; в - результат вычислений занесен в память; г -результат на выходе микро-ЭВМ


Память, содержимое которой изменяется процессором и в которую записываются команды и данные, а также заносят­ся промежуточные и окончательные результаты вьиислений, называется оперативной памятью или оперативным запоминаю­щим устройством. Кроме нее в составе центрального блока микро-ЭВМ должна быть память с неизменным содержанием. Эта память, используемая только для считывания хранимой в ней информации, называется постоянной памятью или по­стоянным запоминающим устройством. Ее содержимое не про­падает при выключении питания, и изменить его с помощью каких-либо команд пользователь не может. Чтобы это сделать, необходимо воспользоваться специальным устройством, назы­ваемым программатором.




Рис. 2.4. Простейшая микро-ЭВМ и некоторые возможности ее расши­рения


Непосредственное управление процессом обработки инфор­мации в соответствии с командами программы пользователя осуществляется специальной схемой, входящей в состав про­цессора. Кроме того, в процессе управления микро-ЭВМ при­нимают участие следующие специальные устройства: синхро-генератор, синхронизирующий работу всех блоков вычислитель­ной машины, системный контроллер (устройство, формирую­щее сигналы управления из сигналов процессора) и схема по­шагового исполнения программы.

Итак, следующий рассматриваемый нами блок (рис. 2.4), называемый центральным блоком микро-ЭВМ, состоит из микропроцессорного блока (МБ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устрой­ства (ПЗУ) и вводных и выводных согласующих устройств связи, называемых портами. Порт — это устройство сопряже­ния, с которым микропроцессорный блок обменивается ин­формацией аналогично обмену с устройствами памяти. В свою очередь МБ содержит: микропроцессор (МП), синхрогенера-тор (СГ), схему пошагового исполнения программы (СПИП), системный контроллер (СК) и специальные устройства, назы­ваемые буферами тин адреса (БША) и данных (БШД) и опи­сываемые ниже.


^ 2.3. КАКУЮ МИКРО-ЭВМ МЫ БУДЕМ НАЗЫВАТЬ "ПРОСТЕЙШЕЙ"?


Даже простое перечисление основных узлов микро-ЭВМ говорит о том, что современный дискретный универсальный вычислитель — это довольно слож­ное устройство. Ниже опишем простейший вариант такого вычислителя, который будем именовать простейшей микро-ЭВМ и возможность построения которого конструктором-любите­лем из доступных деталей, выпускаемых промышленностью, была оговорена ранее.

Под простейшей микро-ЭВМ (далее ПМ-ЭВМ) будем подра­зумевать микро-ЭВМ на одной или нескольких платах, построен­ную на базе микропроцессора КР580ИК80А (КР580ВМ80А), с минимальным (определяемым ниже) объемом ОЗУ и ПЗУ и с простейшими устройствами ввода/вывода в виде клавиатуры (К), включающей 16 клавиш и 24 светоизлучающих диода (светодиода СД). На рис. 2.4 ПМ-ЭВМ обведена красной штри­ховой линией. На этом же рисунке указаны некоторые возмож­ности функционального расширения ПМ-ЭВМ.

Микро-ЭВМ может быть оснащена алфавитно-цифровой кла­виатурой (АЦК), семисегментными светоизлучающими индика­торами (ССИ), специальным цветным дисплеем (ЦД) или дисплеем на базе бытового телевизора (БТ), внешними запоми­нающими устройствами — кассетным магнитофоном (кассетным-накопителем на магнитной ленте КНМЛ или накопителем на гиб­ких магнитных дисках НГМД), печатающим устройством — принтером (ПР) и некоторыми другими устройствами. Подклю­чение перечисленных дополнительных внешних устройств потре­бует разработки специальных согласующих схем, не показанных на схеме ПМ-ЭВМ (см. гл. 10).

Описываемая простейшая микро-ЭВМ может быть использо­вана для приобретений навыков программирования на языке Ассемблер в мнемонических кодах. Она может также оказаться полезной при отладке небольших программ, для макетирования простейших управляющих устройств и, как уже отмечалось, для несложных расчетов в качестве программируемого калькулято­ра. Такая несложная машина может найти применение в школе, профессиональном техническом училище, на факультетах пере­квалификации специалистов с высшим образованием.

Однако следует заметить, что изготовление этой простейшей вычислительной машины все же потребует известного напряже­ния ума и сил. Поэтому, если читателю необходимо лишь сред­ство для выполнения простейших расчетов, овчинка выделки не стоит. В таком случае лучше закрыть эту книгу и приобрести один из калькуляторов, имеющихся в продаже. Если же вы хотите приобщиться к увлекательному миру микроэлектроники и построить себе электронного помощника, функции которого можно будет в дальнейшем расширять путем постепенного со­вершенствования вашей конструкции, приступайте к чтению следующей главы.


3


^ НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ МИКРО-ЭВМ


3.1. ДАННЫЕ И ПРОГРАММЫ


Содержание этой главы носит в основном справочный характер. В ней приведены лишь основ­ные понятия и самые общие сведения о работе микро-ЭВМ, без которых неподготовленному читателю будет трудно проследить работу основных ее узлов, описанию которых посвящены после­дующие главы книги. Читатель, знакомый с основами построе­ния ЭВМ и программирования, может сразу перейти к следую­щей главе.

Как уже говорилось в предыдущей главе, чтобы решить зада­чу на машине, нужно ее запрограммировать; т. е. составить опре­деленную последовательность команд (программу), которая, вместе с данными должна быть введена в память машины. В процессе решения задачи центральный процессор обращается к памяти машины, выполняет команды, извлеченные из памя­ти, обрабатывает в соответствии с этими командами данные, извлеченные из той же памяти и полученные от внешних устройств, и в зависимости от результатов обработки перехо­дит к выполнению одной или нескольких других команд. По­следовательность команд, приводящая к решению задачи, назы­вается программой решения задачи. Каждая машина характери­зуется определенным набором операций (системой команд), или машинным языком, которые должны быть известны поль­зователю, решающему свою задачу на данной машине.

Чтобы машина могла воспринимать передаваемые ей коман­ды и данные, они должны быть представлены в двоичной форме. С этой целью каждой команде ставится в соответствие двоичный код, а все числовые значения выражаются в двоичной системе счисления.

Под двоичной системой счисления подразумевается позицион­ная весомозначная система с основанием 2 и с цифрами 0,1. Термин "позиционная весомозначная" означает, что в зависи­мости от положения цифры в числе ей приписываются разные значения, или вес. В наиболее распространенных системах счис­ления этот вес равен степени основания, показатель которой ра-вен n — 1, где п — номер разряда, отсчитываемый справа налево. Системы счисления получают наименование в зависимости от основания. Так, в десятичной системе счисления основанием является 10, в двоичной — 2, в восьмеричной — 8, в шестнадца-теричной — 16 и т. п. При этом количество используемых цифр для представления чисел равно основанию системы счисления. В двоичной системе используются всего две цифры: 0 и 1. В де­сятичной системе используются 10 цифр от 0 до 9, в восьмерич­ной — восемь цифр, т. е. первые восемь цифр десятичной систе­мы (от 0 до 7). В шестнадцатеричной системе счисления исполь­зуются все цифры десятичной системы, а в качестве недостаю­щих шести цифр используются первые шесть букв латинского алфавита: А, В, С, D, Е, F. Примеры записи десятичных чисел от 0 до 16 и от 248 до 255 в двоичной, восьмеричной и шестнад­цатеричной системах счислений приведены в табл. 3.1. Десятич­ное число 255 является наибольшим представимым в двоичной системе счисления при условии использования всего восьми разрядов для записи чисел. Для представления чисел, больших 255, необходимо в двоичной системе счисления использовать большее число разрядов.

ЧтоТаблица 3.3
^ Значения аргументов

Значения функций

X1

Х2

f5

f6

f7

f8

f9

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

0

0


Значения функции f7 противоположны значениям функции f на одних и тех же наборах входных сигналов. Поэтому функ­ция f7 называется функцией И-НЕ. Графическое обозначение соответствующего элемента дано на рис. 3.2,в. Его название - элемент И-НЕ.

Значения функции f8 противоположны значениям функ­ции f6 на одних и тех же наборах. Поэтому функция f8 носит название функции ИЛИ-НЕ. Она реализуется элементом с тем же названием, пре