Предназначена для инженеров, специализирующихся в области проектирования в эксплуатации средств обработки данных, а также для студентов соответствующих специальностей.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Проблема широкого использования вычислительных средств в различных сферах человеческой деятельности долгое время оставалась нерешенной. Даже разработка и освоение производства больших интегральных схем (БИС) не оказали вначале сколько-нибудь значительного влияния на изменение ситуации. Это объясняется тем, что для практических применений требуется 'большое разнообразие устройств управления и обработки данных, т. е. необходим выпуск широкого ассортимента отдельных типов БИС.
Поиски новых путей решения данной 'Проблемы привели к созданию программируемой БИС, которая сочетает в.себе такие свойства, как дешевизна стандартного изделия серийного производства и гибкость универсального устройства. Первую подобную БИС (модель 4004), получившую название микропроцессора, выпустила фирма Intel (США) в 1971 г. С того времени начался стремительный рост производства микропроцессоров, которые благодаря непрерывному улучшению их технических характеристик и дальнейшему снижению стоимости получают все более широкое распространение.
В настоящее время наметились две основные области использования микропроцессоров и систем на их основе. Одна из них — это традиционная область вычислительной техники, где микропроцессоры выполняют функции калькуляторов и уже начинают использоваться в качестве мини-ЭВМ,и малых ЭВМ. Высокий уровень интеграции схемных элементов вычислительной системы на базе микропроцессоров позволяет заметно улучшить характеристики надежности такой системы, а необходимое быстродействие может быть достигнуто путем распараллеливания процесса вычислений. Невысокая стоимость системы Обеспечивается за счет ее построения из унифицированных наборов микросхем и имеет тенденцию к постоянному снижению по мере развития микроэлектронной технологии.
Другая область использования микропроцессоров связана с заменой специализированных электронных устройств (устройств управления технологическими процессами, цифровых измерительных приборов, контроллеров внешних и терминальных устройств. ЭВМ и т. п.) микропроцессорными системами, т. е. вместо устрой' ства с «жесткой» логикой вводится программируемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой и могут .быть легко изменены путем замены программы, что позволяет организовать-массовое производство унифицированных наборов модулей, пригодных для компоновки самых разнообразных устройств.
ния, открывающиеся при использовании микропроцессоров, а также сочетание дешевизны, надежности, компактности этих устройств обеспечивают быстрый рост производства микропроцессоров и их проникновение во все новые и новые области. Поэтому понятен интерес широкого круга специалистов к литературе, отражающей развитие этого перспективного направления. Однако имеющиеся публикации по данной тематике не в полной мере удовлетворяют все возрастающий спрос на научную литературу подобного рода. В этой связи настоящая книга, в которой последовательно излагаются основы теории микропроцессорных устройств и описываются наиболее распространенные типы микропроцессоров, принесет несомненную пользу советским читателям-
Книга предназначена для специалистов, имеющих отношение к разработке, использованию или эксплуатации систем обработки данных самого широкого назначения, а также для студентов соответствующих специальностей. Однако продуманное построение книги и методическое мастерство авторов делают ее доступной для | всех, кто интересуется развитием новых направлений техники. •;-, Необходимо отметить, что книга не только знакомит читателя
.' с общими вопросами теории и конкретными устройствами, но и позволяет понять те глубокие изменения, которые произошли в самой методологии проектирования устройств обработки данных в связи, с использованием в этой области микропроцессоров. Суть происшедших изменений заключается в принципиально новом по-; нимании. взаимосвязей между техническими средствами и про-1[ граммным обеспечением системы, когда исчезает резкая грань Ц между ними, и проектировщик получает возможность выбора средств (как программных, так и аппаратных) для реализации тех или иных системных функций. В результате классическое правило: «сначала — аппаратная часть» — оказывается нарушенным, ! а разработка технических и программных средств проводится параллельно « рассматривается «ак единый процесс. Примеры подобной методологии проектирования хорошо представлены в настоящей книге, что делает возможным ее использование в качестве пособия при проектировании устройств обработки данных на базе микропроцессоров.
1 При переводе книги основную трудность составили проблемы
[| терминологического характера, поскольку в рассматриваемой об-
:' ласти техники многие понятия еще не являются общепринятыми.
'.•1 Работа над переводом распределилась следующим образом:
i перевод предисловия и гл. 1,3—6 и 8 выполнен В. А. Балыберди-
•! ным, перевод гл. 2 и разд. 7.1—7.5 — Б. А. Лопусовьш, разд. 7.6—
! 7.12 и приложения переведены В. А. Зинченко. В подготовке мате-
I ] риалов гл. 2 принимал участие М. И. Скобелев.
I1 С.. Д, Пашкеев
ПРЕДИСЛОВИЕ
Наиболее значительным событием последних лет в области цифровой электроники является разработка (Микропроцессоров на больших интегральных схемах. Предполагается, что микропроцессоры окажут преобладающее влияние на принципы построения цифровых систем, используемых в настоящее время в контрольно-измерительной технике и вычислительных сетях, что по значению равноценно замене электронной лампы транзистором. Объединение микропроцессора с памятью и устройствами ввода-вывода позволяет получить микро-ЭВМ, стоимость которой сопоставима со стоимостью устройств с жесткой логикой, а области применения значительно шире. Микро-ЭВМ можно использовать не только в малых системах, где она полностью заменяет мини-ЭВМ, но и в целом ряде новых областей, в которых (применение больших ЭВМ не является экономически целесообразным.
Уже в ближайшие годы минро^ЭВМ найдут применение в автомобилях, бытовой технике, торговых терминалах, обучающих устройствах, медицинском оборудовании и др. По мере расширения сферы использования микропроцессоров возникает необходимость ознакомления с основными принципами работы цифровых устройств большого контингента • лиц — неспециалистов в данной области. Применение микро-ЭВМ требует знания не только их технических средств, но и программного обеспечения.
Настоящая книга предназначена для всех, кто связан с разработкой, использованием или эксплуатацией цифровых систем, включающих микро-ЭВМ. Книга доступна лицам, не имеющим большого опыта работы в данной области, хотя знание технических средств или программного обеспечения ЭВМ было бы весьма полезным. Гл. 1 является кратким введением в микро-ЭВМ; здесь определено их значение в развитии области цифровой электроники. В гл. 2 описываются цифровые логические схемы, понимание работы которых необходимо для правильного использования средств обработки данных (например, сетей интерфейса). Особый интерес эта глава представляет для лиц, специализирующихся в области программного обеспечения ЭВМ. В гл. 3 рассматриваются системы счисления, арифметические операции и коды, используемые в микро-ЭВМ. Данная глава предназначена для специалистов по аппаратным средствам ЭВМ.
м гл- 4 дается общее представление об архитектуре микроэвм. Здесь рассматриваются запоминающие устройства и микропроцессор типичной вычислительной машины. Программному обеспечению микро-ЭВМ посвящена гл. 5, в которой обсуждаются машинные и символические языки, а также языки программирования нь1С0^тмУрОВНЯ (PL/M)> применяемые в большинстве современных ^ИМ. В гл. 6 рассматриваются вопросы организации ввода-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию........... 5
• Предисловие................. 7
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ .............. . 9
Литература................... 14
Глава 2. ЦИФРОВАЯ ЛОГИКА............ 15
2.1. Основные логические схемы........... 15
Схема И................ 16
Схема ИЛИ.............. . 18
Инвертор (схема НЕ)............ 20
Схема И-НЕ............... 21
Схема ИЛИ-НЕ.............. 22
2.2. Булева алгебра............. 23
Основные теоремы.............. 23
Комбинационные логические схемы......... 26
Положительная я отрицательная логики....... 28
,8.3. Цифровые интегральные схемы.......... 31
Транзисторы как элементы цифровой логики .."..... 33
Диодно-транзисторная логика.......... 36
Транзисторно-транзисторная логика......... 37
Логические схемы с эмиттераыми связями....... 39
Комплементарная логика............ 40
2.4. Триггеры................ 42
Синхронный /?5-трштер........... . 43
/АГ-трштер................ 45
ZJ-триггер................ 49
8.5. Сдвиговые регистры............. 50
Сдвиговый регистр с последовательным входом..... 50
Сдвиговый регистр с параллельным входом...... 52
2.6. Выходные буферные схемы........... 53
' Схемы со свободным коллектором .'........ 53
Тристабильные схемы............. 54
Литература................. 56
Упражнения................. 56
Глава 3. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ........ 59
3.1. Десятичная система! счисления........., 59
3.2. Двоичная система счисления........... 60
; Перевод чисел из десятичной системы счисления в двоичную . . 60
Двоичный счет............... 61
Двоичное сложение............. 63
/JJDUlllHUC 'ВЫ'ЧИ 1 а'ППС ........ ....к У
3.3. Восьмеричная система счисления......... 6
Перевод чисел из десятичной системы счисления в (восьмеричную 6
Перевод из дооичной системы счисления <в восьмеричную „ в
Восьмеричное сложение............ • - ®
Восьмеричное вычитание............. 7
3.4. Шестнадцатеричная система счисления.....„ 7
Перевод чисел из десятичной системы счисления в шеетнадцате-
ричную................. 7
Перевод чисел из двоичной системы счисления в шестнад-
цатеричную............... 7
Шестяацщатеричное сложение.......... 7
Шестнадцатеричное вычитание.......... 7
3.5. Числа со знаком и (Операции в дополнительном и обратном кодах 7
Прямой код числа............- 7i
Обратный код числа............... 71
Дополнительный код числа........... 7
3.6. Двоично-десятичные системы кодирования....... о
3.7. Арифметические операции над десятичными числами со знаком в дополнительном коде......•....... «
3.8. Стандартный американский код для обмена информацией . . 8
Литература................. 8
Упражнения................. ®
Глава 4. АРХИТЕКТУРА МИКРО-ЭВМ.......... 9
4.1. Введение................ *
Поток командных слов............ 9
Поток информационных слов.......... 9
Память................. 9
4.2. Постоянные запоминающие устройства........ 9
Адресация по принципу линейной выборки....... 9
Адресация то принципу -^совпадения токов....... W
Полупроводниковые ПЗУ..........•' '• '12
4.3. Оперативные запоминающие устройства....... 10
Статические ОЗУ.............. {О
Статическая ячейка ОЗУ . . .......... 10
Динамические ОЗУ............. J'
МОП-ячейка динамического ОЗУ......... 11
Регенерация динамического ОЗУ......... |1
4.4. Микропроцессор............... }1
Команды...............* - Jo
Шифрирование команд . . .......... J2
Способы адресации............. 12
Выполнение команд.............. |Э
Прямой доступ к памяти........... |3
Параллельная работа микропроцессоров....... |3
Литература................. }|
Упражнения................ 13
Глава 5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ .......... 13
6.1. Введение................ }3
52. Составление алгоритма программы......... 1*
Пример 5.1..............• *
6.3. Блок-схемы............... *
6.4. Машинный язык.............. *
55. Символический язык............. *
Псевдокоманды ... . ........... *
Литералы................ 151
Макрокоманды............... 151
5.6. Основы программирования на языке ассемблера..... 153
Циклы................. 154
Пример 6.2................ 154
Пример 5.3................ 156
Пример 5.4................ 158
Операторы условного перехода.......... 159
/Пример 5.5.............. 160
Подпрограммы............... 160
Пример 5.6................ 163
Ввод-вывод............... 165
Пример 5.7................ 167
5.7. Редакторы................ 170
/Работа ассемблера............ 171
Загрузка и отладка............. 173
5j8. Языки программирования высокого уровня...... 173
Пример 5.8.............- . . 174
Пример 5.9...............175
Литераоура ................„ 177
Упражнения................. 177
Глава 6. ИНТЕРФЕЙС И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА . . . . 180
6.1. Введение................ 180
6.2. Программно управляемая передача данных...... 184
Синхронная передача............. 184
Асинхронная передача............ 187
Передача данных с прерыванием программы...... 191
6.3. Передача данных при прямом доступе к памяти..... 199
6.4. Синхронизация............... 202
8.5. Элементы интерфейса на ИС.......... 205
Мультиплексоры и демультнплексоры........ 205
Линейные передатчики и приемники.......t 206
Преобразователи уровня и буферы......... 209
Мультивибраторы............., 210
6j6. Программируемый интерфейс .......... 213
' 6.7. Периферийные устройства.........., 217
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи . . t 217 Устройства считывания с бумажной ленты и ленточные перфораторы................ 221
Телетайпы : ..........t 223
Кассетные накопители на магнитной ленте ....... 224
Модемы...............д 225
Дисковые устройства............. 227
Литература................. 229
Упражнения..............., 230
Глава 7. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРО-ЭВМ......,232
7.1. Выбор микропроцессора . . ......... 232
Справочные данные по микропроцессорам....... 234
7.2. Микропроцессор 4004 фирмы Intel........ 236
*. Архитектура........... . ...!]• 236
Цикл команды.....t......... 241
Набор команд........ . . . . . . . , 244
Прототилный комплект ....... • .".!.. 244
Замечания................ 246
7.3. Микропроцессор 4040 фирмы Intel........,
Архитектура........ч......- - ,
Цикл команды..............
Набор команд...............
Прототипвый комплект............
Замечания................
7.4. Микропроцессор IMP-4 фирмы National......
Архитектура...............
Синхронизация......•........
Набор команд...............
Прототипный комплект............
Другие системы..............
Замечания................
7.5. Микропроцессор PPS-4 фирмы Rockwell.......
Архитектура...............
Организация памяти.......>.....
Набор команд ...............
Дополнительные технические средства.......
Прототипный комплект . . . . . . . .
Замечания............... .
7.6. Микропроцессоры 8008/8008-1 фирмы Intel......
Архитектура...............
Малинный цикл.........'.....
Набор команд ...............
Дополнительные технические средства........
Црототшъный комплект............
Замечания................
7.7. Микропроцессор 8080 фирмы Intel.........
Архитектура '...............
Цикл команды...............
Набор команд...............
Дополнительные технические средства........
Прототипяый комплект............
Замечания ... .............
7.6. Микропроцессор 6800 фирмы Motorola........
Архитектура . . . . . . . . . . . . v' .
Тактирование ...............
Набор команд............. . .
Дополнительные технические средства...... . .
Прототипный комплект......... . . .
Замечания................
7.9. Микропроцессор COSMAG фирмы RCA .......
Архитектура...............
Набор команд.......... . ...
Прототипный комплект ...........
Замечания................
7.10. Микропроцессор PPS-8 фирмы Rockwell .......
Архитектура................
Организация памяти.............
Прерывания..............
Набор команд.......,.....
Дополнительные технические средства ,......
Замечания . . ......... . . . • •. ,
7.11. Микропроцессор РАСЕ фирмы National .......
Архитектура...............
Синхронизация............»,
Набор команд.............. 329»
>. - • Дополнительные технические средства........ 332!
** Замечания................ 333
7.12. Выводы................ 33&
Литература............... 336»
Упражнения............... 33/.
Глава 8. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ......... 33»
8.1. Методология проектирования........... 339"
Формулирование проблемы........... 340»
Оценка................. 342?
Эталонная программа для MCS-40 (пример 8.1)..... 345
Проектирование.............. 350»
Макетирование............... 358-
Испытания............• . . . . 359
Окончательное усовершенствование системы...... 359»
8:2. Примеры применения микро-ЭВМ.....; . . . 360
Система сбора данных (пример 8.2) ~....... . 360*
Концентратор данных (пример 8.3)......... 363
Емкостной мост (пример 8.4)...... . . . . 370»
Электронный замок (пример 8.5)......- . . . 374
Терминал с ЗЛТ (пример 8.6).......... 374
Заключение................ 379'
Литература................. 379«
Упражнения.............. 380*
Приложение А. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРОВ 4004 и 4040 381;
Приложение Б. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА IMP-4 . . . 386
Приложение В. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА PPS-4 ... 39&
Приложение Г. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА 8008 ... 406.
Приложение Д. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА 8080 . . . 412*
Приложение Е. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА 6800 ... 421
Приложение Ж. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА COSMAG . . 433:
Приложение 3. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА PPS-8 . . , 43»
Приложение И. НАБОР КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА РАСЕ ... 452?
Предметный указатель...............
Цена: 150руб.
