Книга рассчитана на специалистов, занятых проектированием и использованием средств обработки данных. Она может служить также ценным пособием для студентов при изучении соответствующих разделов вычислительной техники.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Интенсивное развитие и распространение систем на базе микропроцессоров вызвали возросший интерес к микропроцессорной тематике со стороны широкого читателя, которого в первую очередь интересовал ответ на вопрос: «Что такое микропроцессоры и что может дать их использование в той или иной области техники»? Ответ на этот вопрос можно получить, ознакомившись, например, с книгой Дж. Хилбурна и П. ДжуличаЧ
По мере углубления представлений о предмете возникает следующий вполне естественный вопрос: «Как, каким образом построить систему обработки данных на микропроцессорной основе»? Именно такую направленность имеет настоящая книга. В этом смысле она является как бы логическим продолжением вышеупомянутой книги Дж. Хилбурна и П. Джулича.
Среди большого количества монографий, посвященных микропроцессорам, которые были изданы в последние годы за рубежом, книга занимает особое место благодаря глубине изложения материала и широте охвата тематики. Здесь детально обсуждаются все основные аспекты процесса проектирования микропроцессорной системы, причем особое внимание уделяется таким важным в прикладном плане вопросам, как организация подсистем ввода-вывода, прерываний, прямого доступа к памяти. Характерной особенностью книги является то, что автор в большинстве случаев не ограничивается изложением соответствующих алгоритмов и схем, а стремится проанализировать альтернативные архитектурно-структурные решения, выявить их возможности и перспективность для тех или иных применений. Такой подход способствует выработке правильной стратегии проектирования и построению в некотором смысле оптимальной системы.
Другая особенность книги заключается в привлечении автором обширного фактического материала, используемого для иллю-
страции основных проектных решений. Этот материал имеет отношение к промышленным образцам, выпускаемым ведущими фирмами—изготовителями микропроцессорных устройств в США, и включает информацию по микропроцессорам как первого и второго, так и третьего поколений. Поэтому настоящая книга может служить не только пособием по проектированию микропроцессорных систем, но в известной мере и справочным руководством.
Книга предназначена для специалистов, связанных с проектированием и использованием микропроцессорных систем. Она может быть полезна студентам старших курсов и аспирантам, специализирующимся в области устройств обработки данных.
Перевод предисловия, гл. 1,4,5 и 8—11, а также приложений А, Б и В выполнен В. А. Балыбердиным, гл. 2, 3, 6, 7, 12—14 и приложение Г переведены В. А. Зинченко.
С. Д. Пашкеев
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей книге не содержится сведений о построении игровых автоматов или простых обучающих моделей. Она посвящена проектированию мощных вычислительных систем, которые по своим возможностям на несколько порядков превосходят лучшие системы, установленные в университетах всего лишь десять лет назад. За минувшее десятилетие произошли большие изменения. Так, до недавнего времени даже не предполагалось, что для студента окажется возможным понять структуру и особенности использования упомянутых систем, а затем разработать и свою подобную систему.
Книга представляет собой введение в проектирование вычислительных систем, в частности систем на базе микропроцессоров. В ней содержатся все сведения, необходимые для изучения данного предмета. Рассматриваются соответствующие' технические средства и определяется сфера их применения. Равноценное внимание уделяется как изложению основных понятий теории, так и описанию реальных устройств, на основе которых строятся ЭВМ. Основные концепции, необходимые для понимания всего спектра вопросов, связанных с микропроцессорной тематикой, столь актуальной в настоящий момент, поясняются на примере структуры ЭВМ общего назначения. При выборе микропроцессоров автор исходил из следующих критериев: 1) наличия простого основного набора команд и 2) наличия структуры управления, включающей основные средства, которыми обладают процессоры. Второму критерию не вполне удовлетворяют семейства устройств с высокой степенью интеграции элементов, относящиеся ко второму и третьему поколениям, которые совместимы на уровне временных соотношений операций. Поскольку выпуск наборов устройств на интегральных схемах (ИС) будет продолжаться, совершенно необходимо, чтобы проектировщик цифровых систем имел возможность осуществить сопряжение любых из нескольких тысяч имеющихся в его распоряжении устройств, что требует понимания особенностей синхронизации и структуры управления этих устройств.
В книге рассматриваются микропроцессоры 8008 (Intel), СО-SMAC (RCA), CP-1600 (General Instruments), IM6100 (Intersil),
Оглавление
Предисловие редактора перевода.............
Предисловие........................ ^
Глава 1. Проектирование микропроцессорных систем ... is
Краткий обзор...................... 15
Достоинства микропроцессоров ................ 15
Основные функции процессоров.......... . . . . . 16
Новый дуализм..................... 18
Характеристики..................... 21
Взаимосвязь между аналоговыми и цифровыми стандартными блоками ......................... 23
Выводы........................ 29
Глава 2. Информационные устройства......... . 31
Введение........................ 31
Двоичные устройства на аналоговых элементах........ 31
Цифровые стандартные блоки............... 53
Блоки сопряжения.................... 54
Аналого-цифровые стандартные блоки............ 54
Линейные стандартные блоки............... 56
Выводы........................ 56
Глава 3. Запоминающие элементы............ 57
Запоминающие схемы................... 67
Счетчики........................ 70
Сдвиговые регистры................... 73
Выводы........................ 85
Глава 4. Кодирование и стандартные СИС-блоки .... 87
Схемы со средним уровнем интеграции........... 93
Практический пример................... 99
Запоминающие устройства................. 110
Арифметическо-логическое устройство............ 118
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые устройства....... 120
Сопряжение схем ТТЛ с МОП-схемами........... 120
Устройства с тремя устойчивыми состояниями........ 124
Устройства на КМОП-схемах............... 127
Выводы........................ 130
Глава 5. Набор команд центрального процессора .... 132
Происхождение термина «программное обеспечение» (software) ... 132
Машины с хранимой программой............. 133
Основной машинный цикл................ 133
Команды с непосредственными данными........... 142
Счетчик команд ..................... 142
Команды работы с аккумулятором............. 145
Команды передачи управления............... 151
Вызываемые подпрограммы................ 158
Команда ОСТАНОВ.................... 167
Передача параметров................... 167
Выводы........................ 169
Упражнения...................... 171
Глава 6. ЦП на БИС............ 173
Монолитный ЦП 8008 фирмы Intel........,;..... 173
Выводы................... 'jpk.... 182
Глава 7. Подсистема памяти .............. 186
Разделение вычислительной системы на подсистемы...... 187
Основные модули..................• • 188
Выводы........................ 225
Глава 8. Подсистема ввода-вывода........... 227
Структура порта ввода .................. 231
Синхронизация ввода................... 233
Схемы выбора ввода-вывода................ 236
Принудительная передача данных центральному процессору .... 240
Команда RESTART................... 249
Система ЦП/ЦП............'......... 251
Выводы........................ 251
Упражнения...................... 252
Глава 9. Языки и трансляция............. 253
Введение: происхождение «символов»............ 253
Физические элементы: устройства.............. 253
«Воображаемые элементы»: символы............. 254
Ассемблер....................... 257
Машины и метамашины................. 259
Условная трансляция................... 261
Макрокоманды..................... 267
Передача параметров................... 269
Ассемблеры и интерпретаторы............... 270
Выводы........................ 286
Упражнения...................... 288
Глава 10. Структуры адресации . . ........... 290
Подсистемы представления адреса............. 290
Страничные структуры адресации.............. 294
Прямая адресация.................... 299
Выбор подсистемы.................... 301
Протокол состояний шин.............-. . . . 307
Способы адресации...........• •........ 313
Многополевое индексирование............... 318
• Самонастраивающиеся индексные регистры.......... 320
Адресация с вычислением адреса: пример........... 320
Эквивалентность методов структуры данных и процедуры .... 323
• . V: •
Метод структуры данных: косвенная и модифицированная косвенная
адресации . .*.....\' ^.............. 324
Выводы . . .*. ".................... 329
•!»*
Глава'11. Структуры ^ввода-вывода........... 330
АЬинхроннал^дослвдовательная передача........... 331
Структура JiofpaMiJiHoro обе^Ыёяйя "-...'......' 334
ПроектарйВрие аппаратных средств: УАПП ." "........ 337
«Фильтр» ДЁбтояния: маскирование '.'............ 339
ОртогоналИрв^ыходы: отображения............. 341
Структура; ввода-вывода микропроцессора 8080......... 342
Реализация последовательного ввода-вывода в процессоре 2650 фирмы Signetics...................... 348
Структура ввода-вывода процессора IM 6100 фирмы Intersil .... 353
Команда передачи данных при вводе-выводе......... 356
Пример ввода-вывода в системе IM 6100.......... 357
Структура ввода-вывода процессора МК 5065Р фирмы MOSTEK ... 361 Структура ввода-вывода процессора РАСЕ фирмы National Semiconductor ....................... 366
Структура ввода-вывода процессоров 6800 фирмы Motorola и 650Х
фирмы MOS Technology .'................ 372
Структура ввода-вывода процессора COSMAC......... 373
Структура ввода-вывода процессора СР-1600 фирмы General Instrument......................... 376
Структура ввода-вывода системы F-8 фирмы Fairchild..... 378
Ввод-вывод в процессоре SC/MP фирмы National Semiconductor . . . 382
Ввод-вывод процессора PPS-8 фирмы Rockwell....... 384
t Структура ввода-вывода 8048/8748 фирмы Intel........ 386
Заключительные замечания по вводу-выводу . . . :...... 389
Упражнения . ,...................' . 392
Глава 12. Структуры прерываний............. 394
Структура приоритетов ................. 394
Переход к подпрограмме обработки прерывания (с запоминанием состояния) и возврат на продолжение выполнения прерванной программы (с восстановлением состояния ЦП)............ 397
Одноуровневое прерывание от нескольких устройств...... 403
Программное управление одноуровневым прерыванием от нескольких устройств . . . .'.................. 405
Управление прерыванием с приоритетом по вектору...... 406
Программная обработка прерываний............. 411
Структура прерываний микропроцессора 6800 фирмы Motorola . . . 415
Специальные команды.................. 416
Структура прерываний по вектору............. 417
Специальные прерывания................." 419
Структура прерываний микропроцессоров серии 650Х...... 420
Структура прерываний микропроцессора 2650 фирмы Signetics . . . 421 Структура прерываний микропроцессора СР-1600 фирмы GeneraF
Instrument....................... 425
Структура прерываний микропроцессора РАСЕ фирмы National Semiconductor....................... 425 »
Структура прерываний микропроцессора COSMAC фирмы RCA . . . .428
Структура прерываний микропроцессора IM 6100 фирмы Intersil . . . 431
v
Структура прерываний микропроцессора SC/MP фирмы National Semiconductor ..........л............ 436
Структура прерываний микропроцессора PPS-8 фирмы Rockwell . . . 437
Структура прерываний микропроцессора F-8 фирмы"'Раи'сЫШ .... 440
Структура прерываний микропроцессора 5065Р фирмы MOSTEK. . . 442
Микропроцессор 9900 фирмы Texas Instruments . . ... ..,.-, . ,445
Структура прерываний микропроцессора z4Httpi|i
rj jf .f r г .г-т-^ 9Г . v^f^^BR : HjW» AM лло
ВЫВОДЫ.......... t :...,•". ''ЩК- •';'ж**ШГ '
Упражнения.............' . .' >:У'&>(,»*<|е Л& ^'
Глава 13. Структуры прямого доступа к памяти' . т . ™*5- 453 ч
Структура ПДП микропроцессора 8080 фирмы Intel . . . . . . 455
Дополнительный кристалл ПДП фирмы Intel......... 464
Структура ПДП микропроцессора PPS-8 фирмы Rockwell . .' . . 473
Структура ПДП микропроцессора COSMAC фирмы RCA .... 474
Структура ПДП микропроцессора IM 6100 фирмы Intersil...... 477
Структура ПДП микропроцессора МК 5065Р фирмы MOSTEK ... 478
Структура ПДП микропроцессора 2650 фирмы Signetics..... 478
Структура ПДП микропроцессора М6800 фирмы Motorola .... 478
Структура ПДП системы F-8 фирмы Fairchild ........ 481
Структура ПДП SC/MP фирмы National Semiconductor..... 483
Выводы........................ 483
Глава 14. Направления развития архитектуры микропроцессоров ........................ 485
Многоуровневая архитектура.........'....... 485
Ортогональные «рабочие файлы» . . .'........... 487
ЦП COSMAC с меняющейся конфигурацией......... * 490
Связанные и ортогональные архитектуры............ 491
Ортогональное расширение аппаратных средств и программного
обеспечения.................. 493
Проблемы проектирования систем на базе микропроцессоров . • . 495
Задачи и режимы райвЯгь! специализированных процессоров . . . 496
Программируемый интффейс внешних устройств 8255 фирмы Intel. . , 498
Выводы........................ 503
Специализированные процессоры 8251 фирмы Intel для последовательного ввода-вывода ..'.................. 503
Общее управление режимами работы специализированного процессора......................... 505
Выводы...................»..... 506
Структура управления многопроцессорной системы...... 508
Еще раз о связанной системе................ 511
Первые три поколения микропроцессоров . . . .'...... 512
Четвертое и последующие поколения микропроцессоров . . . . 513
Выводы........................ 513
Приложение А. Процесс ассемблирования............ 515
Приложение Б. Условное ассемблирование............ 516
Приложение В. Локальные и глобальные переменные....... 522
Приложение Г. Сведения о некоторых микро-ЭВМ и микропроцессорах
(с разрешения фирм-изготовителей)......... 523
Литература........................ ^68
Цена: 300руб.
