Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Сложилась несколько парадоксальная ситуация — исчезли как класс средние ЭВМ. Большие ЭВМ становятся все мощнее и производительнее (речь идет теперь о сотнях миллионов операций в секунду), для доступа к ним нужны сети связи, а также мини- и микроЭВМ. Но микроЭВМ имеют и огромное самостоятельное значение, решая определенные конкретные задачи на местах. И вот появилось маленькое, но очень важное устройство.

Теперь уже можно смело сказать, что микропроцессор произведет в технике столь же революционные преобразования, как в свое время транзисторы, а затем интегральные схемы. Немного об истории его появления.

К началу 70-х годов стало возможным создавать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), содержащие десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Но проектирование таких микросхем — очень дорогой и трудоемкий процесс. Ведь необходимо расположить на кристалле все транзисторы, все соединения между ними, изготовить фотошаблоны и т. д. Стоимость проектирования огромна. И если изготовить всего несколько СБИС, то стоимость золота не будет идти ни в какое сравнение с их стоимостью. Но при массовом производстве стоимость СБИС в расчете на одну выпущенную единицу резко снижается, т. е. чтобы они стали дешевле, надо их больше производить. Следовательно, надо выпускать только СБИС универсального применения, пригодные для решения самых различных задач. Этого можно добиться, если специализация СБИС будет достигаться не схемными, а программными средствами. СБИС должны быть программируемыми! Вот та радикальная идея, которая привела к появлению микропроцессоров СБИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.

Сфера применения микропроцессоров обширна. На них можно построить микрокалькуляторы, электронные часы, настоящие ЭВМ, системы автоматического регулирования, блоки управления домашним радиокомплексом, стиральной машиной, кухонной плитой — одним словом, чем угодно. Специализация микропроцессора для конкретных функций, выполняемых им в аппаратуре, достигается записью в его память соответствующих программ. Встроенные микропроцессоры придают разнообразным приборам, устройствам и механизмам вполне «разумный» характер. Микропроцессор — неотъемлемая часть станков с числовым программным управлением, манипуляторов и роботов, систем управления транспортными средствами, обучающих систем. Где угодно, вплоть до детских игрушек, может применяться микропроцессор.

Столь многообещающий прибор заслуживает, чтобы мы подробнее познакомились с его устройством. Внешне микропроцессор выглядит как обычная интегральная микросхема в пластмассовом или металлическом корпусе, только он чуть-чуть крупнее, да и выводов имеет больше. Его габаритные размеры измеряются сантиметрами, но большую часть объема занимают корпус и выводы. В середине расположен кристалл, на котором размещены десятки тысяч транзисторов со всеми сопутствующими компонентами и соединениями. Только вдумайтесь в эту цифру: десятки тысяч транзисторов в одном корпусе!

Обратимся к функциональной схеме микроЭВМ, показанной на рисунке. Процессор и ряд вспомогательных устройств образуют процессорный модуль. В него входит также тактовый генератор, определяющий ритм вычислений, и формирователь шин, т. е. наборов соединительных проводников, объединяющих одноименные выводы всех периферийных моделей. По роду передаваемой информации различают пишу данных, шину адресов и шину управления. По шинам данных передается в двоичном коде обрабатываемая информация, причем в обоих направлениях — от периферийных устройств к процессору и обратно. Информация передается в большинстве микропроцессоров восьми- или шестнадцатиразрядными числами, которые называют байтами.

Мини-ЭВМ.

К периферийным устройствам относятся прежде всего устройства памяти. Память разделяется на ячейки, имеющие каждая свой адрес. Ячейки содержат 8 или 16 (в зависимости от числа разрядов процессора) элементов памяти, например триггеров. Все ячейки объединены в одну БИС. По роду вспомогательных операций различают оперативную память — оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянную память — постоянно запоминающее устройство (ПЗУ). В ОЗУ записываются промежуточные данные вычислений. Там же могут храниться и программы в случае, если микроЭВМ имеет универсальное назначение, т. е. может использоваться для различных целей. Информация в ОЗУ может записываться и считываться при работе ЭВМ, а после ее выключения теряется.

В отличие от ОЗУ из ПЗУ можно только считывать информацию. Она записана там раз и навсегда и не теряется при выключении ЭВМ. У специализированных ЭВМ в ПЗУ могут храниться программа, некоторые константы, необходимые при вычислениях. Данные закладываются в ПЗУ либо при изготовлении микросхемы, либо в процессе ввода ЭВМ в эксплуатацию.

К периферийным устройствам относятся также порты ввода и вывода, выполненные в виде 8- или 16-разрядных регистров. Они предназначены для подключения внешних устройств, различных датчиков и других поставщиков информации, клавиатуры ввода данных, устройств визуального отображения информации (дисплеев), исполнительных механизмов.

Все периферийные модули имеют входы для приема управляющего сигнала ВМ (выбор модуля). Он передается по шине адресов через соответствующие дешифраторы. В процессе работы ЭВМ в каждый данный момент этим сигналом включается только один модуль. Между ним и процессором происходит обмен информацией. Все порты имеют номера и активизируются при появлении на шине адресов кода, соответствующего их номеру. Кроме того, для включения в работу любого из периферийных модулей на шине управления должен появиться сигнал (ВМ), определяющий выбор группы модулей [порты или запоминающие устройства (ЗУ)] и направления обмена информацией, например сигнал чтения из модулей запоминающих устройств (ЧТЗУ), сигнал записи в модули запоминающих устройств (ЗПЗУ), сигнал чтения из порта ввода (ЧТВ), сигнал записи в порт вывода (ЗПВ).

Работа микроЭВМ происходит по алгоритму, определяемому программой. Программа состоит из последовательного набора команд. Каждый микропроцессор характеризуется определенной системой команд, т. е. полным перечнем элементарных действий, которые может выполнять данный микропроцессор. К ним относятся элементарные арифметические и логические операции, операции пересылки данных и т. и. Команды могут состоять из одного или двух-трех цифровых слов-байт. Первый байт любой команды содержит код операции. Он определяет число слов команды и те действия, которые должен выполнить микропроцессор. Эти сведения называют операндами.