Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ

1. Введение

Тема курсового проекта «Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ» предложена цикловой комиссией специальности 2201 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» и утверждена директором Краснодарского колледжа электронного приборостроения.

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в про­мышленном производстве, в устройствах и системах управления самы­ми разнообразными объектами и процессами является в настоящее вре­мя одним из основных направлений научно-техни­чес­кого прогресса.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производствен­ного и культурно-бытового назначения не только приводит к повыше­нию технико-экономических показателей изделий (стоимости, надеж­ности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки "мораль­ного старения" изделий, но и придает им принципиально новые потреби­тельские качества (расширенные функциональные возможности, моди­фицируемость, адаптивность и т.д.).

Первое сообщение о создании микропроцессора появилось в 1972 г. Через 13 лет в 1985 г. во всем мире уже работали свыше 30 млн. ОЭВМ. Микропроцессоры и ОЭВМ – это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень широк. Главные достоинства микропроцессорной техники – это компактность, экономичность, универсальность невысокая стоимость, массовость применения. Благодаря своим свойствам микропроцессоры нашли применение как в системе управления космическими полетами, так и в детских игрушках; ОЭВМ используются для управления бытовыми приборами и роботами, станками с числовым программным управлением и т.п.

За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных ОЭВМ, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудова­ния различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполнен­ные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а так­же программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечи­вает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС ОЭВМ), что ОЭВМ, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для по­строения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широ­комасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по суще­ству представляющих собой особый класс вычислительной техники. К этому классу можно отнести: 4-битные ОЭВМ серий 1814, 1820, 1829 и 1013; 8-битные ОЭВМ серии 1816.

2. Обзор однокристальных ЭВМ

С развитием электроники сменилась элементная база ЭВМ – появились машины на транзисторах, а затем на микросхемах. Однако по традиции продолжали разрабатываться большие и мощные ЭВМ. И вот в середине 60-х годов появился новый класс вычислительных машин – однокристальные ЭВМ.

Разработчики ОЭВМ исходили из того, что не везде нужны все (максимальные) возможности больших ЭВМ, не всегда требуется большая точность вычислений, большие объемы памяти или длительное хранение промежуточных результатов. Зато для целого ряда применений, таких, как управление производственным оборудованием или научным экспериментом, необходимо вводить и выводить специальные сигналы, учитывать течение времени, реагировать на случайно происходящие события.

Вместе с этим, есть то минимальное ядро, без которого аппаратура еще не ЭВМ. Эти компоненты уже давно определились: арифметико-логическое устройство (АЛУ), процессор, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), устройства ввода/вывода.

2.1. ОЭВМ МК 48

Простейшая в серии 1816 ОЭВМ МК48, имеет на кристалле следующие аппаратурные средства: процессор разрядностью 1 байт; стираемое программируемое ПЗУ программ ёмкостью 1 Кбайт, ОЗУ данных ёмкостью 64 байта; программируемый 8-битный таймер/счетчик; программируемые схемы ввода/вывода; блок векторного прерывания от двух источников; генератор; систему синхронизации и управления.

Микроконтроллер МК48 конструктивно выполнен в корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы электрически совместимы с элементами ТТЛ, входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагруз­кой.

Структурная схема МК48 показана на рисунке 1. Основу структуры МК образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все устройства БИС: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления, память и порты ввода/вывода информации.

Значительно более сложная и развитая ОЭВМ, построенная на основе однокристального микропроцессора МК51, имеет в своем составе такие аппаратурные средства: процессор, в состав ко­торого входят 1-байтное АЛУ и схемы аппаратурной реализации команд умножения и деления; стираемое ПЗУ программ ёмкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных ёмкостью 128 байт; два 16-битных тайме­ра/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок9 двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор, схему син­хронизации и управления.

Однокристальная ЭВМ выполнена на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в кор­пусе БИС, имеющем 40 внешних выходов. Для работы ОЭВМ требуется один источник электропитания +5В. Четыре программируемых порта ввода-вывода взаимодействуют со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями вы­хода.

Корпус ОЭВМ имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функ­ций обмена информацией со средой.