Основы микропроцессорной техники

 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ 
МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ 
ТЕХНИКИ 
 
 
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов РФ 
по образованию в области радиотехники, электроники,  
биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного 
 пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» 
по профилю подготовки бакалавров «Промышленная электроника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
 2022 
ϭ


УДК 681.325.5(075) 
ББК 32.971.32-04 
О-75 
Авторы: 
С. И. Лукьянов, Д. В. Швидченко, Е. С. Суспицын, 
Р. С. Пишнограев, Н. В. Швидченко, С. С. Красильников 
Рецензенты:  
старший менеджер управления главного энергетика ОАО «ММК»  
кандидат технических наук И. Л. Погорелов;  
инженер сервисного центра ООО «Техноап Инжиниринг»  
в г. Магнитогорске кандидат технических наук М. В. Коновалов 
О-75 
 Основы микропроцессорной техники : учебное пособие / 
[Лукьянов С. И. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. - 172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0835-6 
Излагаются основные принципы организации и функционирования центрального ядра компьютера, построенного на базе микропроцессора КР580ВМ80А. Приводится описание архитектуры микропроцессорной БИС. Рассматриваются особенности блоков управления, 
используемые способы адресации, системы команд и некоторые вопросы взаимодействия микропроцессоров с памятью и внешними 
устройствами.  
Для студентов, обучающихся по специальности «Промышленная электроника». 
УДК 681.325.5(075) 
ББК 32.971.32-04 
ISBN 978-5-9729-0835-6   ” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
 ” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
Ϯ

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................ 4 
 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
................................ 5 
 
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ 
............................ 7 
 
3. СТРУКТУРА ТИПИЧНОЙ МИКРОЭВМ ..................................... 19 
3.1. Система шин микроЭВМ............................................................. 19 
3.2. Микропроцессор .......................................................................... 20 
3.3. Память ........................................................................................... 21 
3.4. Порты ............................................................................................ 21 
3.5. Работа микроЭВМ 
........................................................................ 22 
 
4. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ .................................. 25 
4.1. Типовая структура микропроцессора 
......................................... 28 
4.2. Система команд 
............................................................................ 42 
4.3. Структура команд ........................................................................ 45 
4.4. Способы адресации операндов и команд 
................................... 47 
 
5. ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ  
С ФИКСИРОВАННЫМИ РАЗРЯДНОСТЬЮ  
И СПИСКОМ КОМАНД ....................................................................... 58 
5.1. Структура микропроцессора КР580ВМ80А .............................. 58 
5.2. Синхронизация работы микропроцессорной 
системы на базе МП КР580ВМ80А 
................................................... 69 
5.3. Программная модель микропроцессорной 
системы на базе МП КР580ВМ80А 
................................................... 73 
5.4. Выполнение команд в МП КР580ВМ80А 
.................................. 97 
5.5. Управление микропроцессором и микропроцессорной 
системой 
............................................................................................. 101 
5.6. Управление режимами работы МП КР580ВМ80А ................. 119 
 
6. МП КР580ВМ80А В СТРУКТУРЕ 
МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ............................................ 145 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................... 153 
  
ПРИЛОЖЕНИЕ. СИСТЕМА КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА 
КР580ВМ80А ............................................................................................... 154
ϯ


ВВЕДЕНИЕ 
 
Современные микропроцессоры представляют собой весьма 
сложные по устройству изделия микроэлектроники. Многочисленные 
типы микропроцессоров характеризуются различными архитектурными решениями и функциональными возможностями. Микропроцессорная техника стремительно и многонаправленно развивается и совершенствуется, интегрируя новейшие достижения микроэлектроники 
и схемотехники. 
Одним из важнейших направлений развития микропроцессорной техники является создание универсальных микропроцессоров, 
предназначенных для применения в вычислительных системах: персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах, параллельных супер ЭВМ. 
Создание микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров является также важнейшим направлением развития микропроцессорной техники. 
Однокристальные микроконтроллеры выпускаются различных 
типов, отличаются назначением, сложностью, архитектурными решениями и т. д. 
Изучение микропроцессорных средств, являясь достаточно 
сложной задачей, требует оптимального выбора тематики и временных 
затрат на их освоение. Значительный интерес для изучения представляют первые семейства 8-разрядных микропроцессорных БИС: 8080, 
8085 (Intel), Z80 (Zilog), МС6800, МС6809 (Motorola), MCS6500 (MOS 
Technology). Эти микросхемы стали доступными и классическими 
примерами построения на их основе микропроцессорных систем. Особенно подробно описаны в учебно-методической и инженернотехнической литературе микропроцессорные БИС семейства 8080 и 
8085 и их отечественные аналоги серии К580 и К1821. Поэтому 
начальные знания о микропроцессорах и микропроцессорных системах 
целесообразно получить, используя в качестве примеров семейства 
БИС серии К580, 8080. Это позволит эффективно освоить простейшие 
средства и далее двигаться к более сложным микропроцессорам и МПсистемам. 
ϰ


1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов. 
Для организации законченных вычислительных, контрольноизмерительных или управляющих функций он должен объединяться в 
систему с другими элементами (память, каналы ввода-вывода, внешние устройства). 
Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по 
конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для 
совместного применения при построении МП, микроЭВМ и других 
средств вычислительной техники. 
Микропроцессорная система (МП система) - информационная или управляющая система, построенная с применением микропроцессорных средств. 
Архитектура МП системы - объединяет аппаратные средства 
и программное обеспечение, включает потребительские свойства системы. Архитектура отображает те аспекты системы, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, 
форматы и длину данных, набор регистров. 
Физически реализованные в виде соответствующей аппаратуры 
функциональные блоки МП системы называются аппаратными средствами. 
МикроЭВМ или микрокомпьютер - устройство обработки 
данных, содержащее: МП, постоянное и оперативное запоминающее 
устройства (ПЗУ и ОЗУ), устройства ввода-вывода информации 
(УВВ), периферийные устройства (ПУ) и некоторые другие схемы. 
Микроконтроллер (МК) - микрокомпьютер, в основном, с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированный не на производство вычислений, а на выполнение логического управления оборудованием, технологическими 
процессами. 
ϱ


Интерфейс - полная совокупность физических и логических 
соглашений о входных и выходных сигналах устройств с целью их 
сопряжения.  
Совокупность аппаратных, программных и конструктивных 
средств, обеспечивающих взаимодействие функциональных устройств 
ЭВМ, называется внутренним системным интерфейсом (ШУ, ШД, 
ША). 
Микропроцессорное устройство (МПУ) - совокупность МП 
средств, элементов и деталей, обладающих конструктивным и функциональным единством - ЭВМ, ПЭВМ, микроЭВМ, МК. 
Контроллер - устройства ввода-вывода информации на периферийное (внешнее) устройство. 
Адаптер - устройство для согласования физических параметров 
(входных выходных сигналов) устройств с целью их сопряжения. 
Логическая организация (архитектура) микропроцессоров (микропроцессорных средств) ориентирована на достижение универсальности применения, высокой производительности и технологичности. 
Универсальность МП (микропроцессорных средств) определяется возможностью их разнообразного применения и обеспечивается 
программным управлением МП, позволяющим производить программную настройку МП на выполнение определенных функций, магистрально-модульным принципом построения, а также специальными 
аппаратурно-логическими средствами: сверхоперативной регистровой 
памятью, многоуровневой системой прерывания, прямым доступом к 
памяти, 
программно-настраиваемыми 
схемами 
управления 
вводом/выводом и т. п.  
Относительно высокая производительность МП достигается использованием для их построения быстродействующих больших и 
сверхбольших интегральных электронных схем и специальных архитектурных решений, таких как стековая память, разнообразные способы адресации, гибкая система команд (или микрокоманд) и др. 
Технологичность микропроцессорных средств обеспечивается 
модульным принципом конструирования, который предполагает реализацию этих средств в виде набора функционально законченных 
БИС, просто объединяемых в соответствующие вычислительные 
устройства, машины и комплексы. 
ϲ


2. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ 
 
На рис. 1 приведена классификация микропроцессоров по важнейшим признакам. 
1. По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные микропроцессоры. 
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных 
элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру 
процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или 
ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю 
магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные 
блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.). 
Для обоснования классификации микропроцессоров по числу 
БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и 
требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части 
разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ 
(памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов 
и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ϳ


 
Рис. 1. Классификация микропроцессоров
ϴ


Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС 
(сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени 
интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными 
ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального 
микропроцессора необходимо провести разбиение его логической 
структуры на функционально законченные части и реализовать их в 
виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.  
На рис. 2, а показано функциональное разбиение структуры 
процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров. 
Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и 
вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие 
УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем 
скорость их исполнения ОП. При этом в УП образуется очередь еще 
не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, 
которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, 
необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для 
устройств ввода/вывода информации. Интерфейсный процессор выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. 
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются 
каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть 
обеспечен режим одновременной работы всех интегральных схем МП, 
т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности 
команд программы (выполнение последовательности с небольшим 
ϵ


временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает 
производительность микропроцессора.  
 
 
а) 
 
 
 
б) 
 
Рис. 2. Функциональная структура процессора (а) и её разбиение для 
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС (б) 
 
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в 
том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической 
структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 2, б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства «стыковки».  
Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в 
функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального 
разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой 
из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных интегральных схем МП. 
Таким образом, микропроцессорная секция - это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения 
определенных управляющих операций. Секционность интегральных 
ϭϬ