Разработка микропроцессорной системы на основе процессора MC68000

Задание

микропроцессор память блок шина Разработать микропроцессорную систему на базе процессора MC68000.

Разработать и нарисовать структурную и принципиальную схему МПС. Произвести подключение шины адреса, данных и управления к соответствующим блокам на схеме. Сформировать блок устройства памяти (ОЗУ и ПЗУ) и подключить его к шинам блока центрального процессора на принципиальной схеме. ОЗУ должно обеспечивать выбор байта, слова и двойного слова.

Количество ОЗУ, ПЗУ, таймеров, параллельных и последовательных интерфейсов выбирается согласно варианту из таблицы.

Исходные данные

1. Разработка структурной схемы МПС

Для построения структурной схемы МПС необходимо рассчитать количество микросхем ОЗУ, ПЗУ, а также периферийных микросхем: DUART (Dual Asynchronous Receiver/Transmitter — двойной асинхронный приёмопередатчик) и PI/T — программируемый параллельный интерфейс-таймер.

Так как объем ОЗУ равен 110 Кб, а ПЗУ — 165 Кб, то необходимо использовать два слоя для ОЗУ и три слоя для ПЗУ. Каждый слой состоит из 4-х микросхем памяти ёмкостью 64Кх8 бит каждая, что позволяет производить обработку операндов различной размерности — байт, слово и длинное слово.

Для обеспечения заданного исходными данными 4 последовательных каналов передачи и 4 каналов приема необходимо 2 микросхемы DUART (по два канала передачи и приема в каждой).

Для обеспечения заданного исходными данными 6 параллельных каналов ввода и 6 параллельных каналов вывода необходимо 6 микросхем PI/T, т.к. для передачи или приема могут используются порты, А и В, а порт С может использоваться для управления таймером и прерываниями.

Выбор необходимых слоев ОЗУ, ПЗУ, микросхем последовательного или параллельного интерфейсов, а также микросхем таймеров, производится с помощью дешифраторов.

Структурная схема МПС MC68000 состоит из элементов:

— CPU — микропроцессор MC68000;

— ГТИ — генератор тактовых импульсов;

— RAM — Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

— ROM — Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

— DUART — двойной асинхронный приемопередатчик;

— PI/T — программируемый параллельный интерфейс-таймер.

— FPGA — программируемая логическая схема.

Структурная схема любого МП комплекта сводится к отображению функционально законченных узлов в виде прямоугольников и отображению их соединений между собой только основными сигналами.

2. Разработка принципиальной схемы МПС

2.1 Блок микропроцессора

В качестве центрального процессора в данной курсовой работе используется процессор фирмы Motorola MC68000. Он имеет 16 — разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. На рис. 2.1 приведена схема подключения микропроцессора к шинам проектируемой МПС.

Рис. 2.1 — Схема микропроцессора

Системные сигналы. CLK — тактовый сигнал синхронизации, период которого определяет продолжительность такта машинного цикла. CLK согласовывает во времени функционирование узлов и блоков МП и сопровождает обмен в МПС.

Внешний сигнал системного сброса = 0 вызовет системное прерывание выполнения текущей программы, а содержимое регистров адреса и данных обнуляется. В регистре признаков SR устанавливается значения флажка S = 1 (режим супервизора), а другие флажки приобретают значение 0. Внешний сигнал обычно формируется во время включения питания или при нажатия клавиши сброса. Сигнал = 0 формируется также при выполнении привилегированной команды RESET, которая переводит к начальному состоянию другие устройства МПС. Входной сигнал = 0 останавливает выполнение текущей программы, переводит выводы А₂₃…А₁, D₁₅…D₀ в высокоимпедансное состояние (третье состояние), а выходы управляющих сигналов — к неактивному состоянию. С аналогичной реакцией МП формирует исходный сигнал =0 при двойной ошибки шины (двукратное поступление сигнала = 0), выход из состояния остановки происходит при поступлении внешнего сигнала = 0 или прерывания. Сигнал ошибки обращения к шине = 0 формируется контролером шины.

Сигналы управления обменом. — адресный строб, который своим активным уровнем = 0 в тактах S₀ и S₁ в цикле обмена сопровождает адрес на ША. — сигнал, который определяет направление обмена по ШД: ввод в МП (чтение) — при = 1; вывод из МП (запись), если = 0. (передача старшего байта), (передача младшего байта) — сигналы, которые определяют размер данных на ШД. = 0, = 0 определяют передачу слова. Младший байт передается, если = 1 и = 0, старший — = 0, = 1. Входной сигнал готовности к обмену = 0 поступает, если периферийное устройство или память — объекты обращения — готовы к обмену. Иначе — = 1.

Сигналы управления захватом шины. Эти сигналы определяют порядок использования системной шины устройствами системы. В режиме захвата шины МП отсоединяется от шины, а управление обменом осуществляет другое устройство. Чаще всего — это режим прямого доступа к памяти (ПДП), когда осуществляется обмен между основной памятью (ОП) и каким-нибудь внешним устройством без участия МП. — входной сигнал запроса от внешнего устройства на захватывание шины. Если = 0, МП завершает текущий цикл обмена, приостанавливает выполнения команды и переводит выводы А_23…А₁, D_15…D₀ в высокоимпедансное состояние, а выходы управляющих сигналов — к неактивному состоянию. — исходный сигнал разрешения захватывания шины, который приобретает значение = 0 после разъединения МП с шиной. — входной сигнал подтверждения захватывания шины. После получения = 0 устройство, которое требовало разрешения на захватывание шины, присылает к МП сигналы = 0, отменяет запрос на захватывание (= 1) и переходит к управлению шиной. После завершения обмена указанное устройство присылает сигнал = 1. Затем МП переходит к выполнению прерванной команды.

Сигналы FC₂…FC₀. Трехразрядный код FC₂…FC₀ определяет тип выполняемого цикла. Соответствующие комбинации битов указанного кода используются для распределения банков данных между супервизором и пользователем, формирования сигнала подтверждения прерывания .

Поскольку выводы шины данных процессора обладают низкой нагрузочной способностью, то при большом количестве периферийных внешних устройств возможны сбои в работе процессора и возможен перегрев с последующим выходом из строя. Для исключения этой ситуации шину необходимо буферизировать (усиливать). В качестве буферных устройств можно использовать микросхемы 74F245. На рисунке 2.2 приведена схема буферизации шины данных.

Рисунок 2.2 — Схема буферизации шины данных

2.2 Блок памяти

В качестве микросхемы для ОЗУ в курсовой работе используется микросхема статического ОЗУ AMC21С512. Она представляет собой маломощное запоминающее устройство емкостью 64Кх8, выполненное по CMOS технологии и полностью совместима с уровнями ТТЛ. Принципиальное обозначение показано на рис. 2.3. Она имеет вход выборки микросхемы СЕ и вход разрешения выдачи данных ОЕ. Также имеется вход запись / чтение R/W. Работу микросхемы поясняет таблица 2.1.

Рисунок 2.3 — Банк ОЗУ на микросхеме AMC21С512

Таблица 2.1 — Таблица работы микросхемы ОЗУ AMC21С512

X — любой сигнал (0 или 1)

В качестве микросхемы для ПЗУ в курсовой работе используется микросхема AMC27C512. Она представляет собой маломощное запоминающее устройство емкостью 64Кх8 и полностью совместима с уровнями ТТЛ. Условное графическое обозначение показано на рис. 2.4. Она имеет вход выборки микросхемы CS и один вход разрешения выдачи данных ОЕ. Работу микросхемы поясняет таблица 2.2.

Рисунок 2.4 — Блок ПЗУ AMC27C512

Таблица 2.2 — Таблица работы микросхемы ПЗУ AMC27C512

Поскольку шина данных микропроцессора 16-ти разрядная, то запись длинного слова производится за два цикла шины. Выбор нужного числа разрядов осуществляется соответствующей обработкой сигналов UDS# и LDS#. Управляющий сигнал R/W подаётся на блок ОЗУ, и определяет производится запись или чтение.

2.3 Блок параллельного интерфейса / таймера

Согласно исходным данным к разработанной микропроцессорной системе необходимо подключить периферийные устройства — последовательные порты ввода-вывода (DUART) и параллельные порты ввода-вывода (PI). Для этого используются имеющиеся в микропроцессорном комплекте микросхемы сдвоенного универсального асинхронного последовательного приёмопередатчика МС68 681 и параллельный интерфейс / таймер МС68 230. Микросхема МС 68 230 включает в себя:

— 3 многофункциональных восьмиразрядных порта;

— многофункциональный 24-разрядный таймер с возможностью использования пяти разрядного предделителя;

— устройство управления режимами работы;

— логику прямого доступа к памяти;

— логику управления прерываниями.

Функциональное обозначение МС68 230 представлено на рис. 2.5, назначение выводов в табл. 2.3.

Таблица 2.3 — Назначение выводов микросхемы МС 68 230

Рисунок 2.5 — Функционально-принципиальная схема PI/T

Структура микросхемы PI/T типа МС68 230 включает блоки, обеспечивающие связь с микропроцессором и блоки, обслуживающие внешние устройства. Выводы РС7−2 порта С могут программироваться для передачи сигналов таймера, прерывания, запроса прямого доступа.

Связь PI/T с микропроцессором MC68000 реализуется путём обмена данными по линиям D7−0 в цикле чтения или записи. При этом от микропроцессора поступает соответствующий сигнал R/W#, a PI/T выдаёт сигнал подтверждения готовности DTACK#. Данные считываются или записываются в один из регистров таймера, порта А, В, С или блока управления обменом. Выбор регистра определяется адресным кодом, поступающим на входы RS5−1. Все регистры, кроме CNT, СРТ, имеют 8 разрядов, поэтому адресуются как байт. Регистры таймера CNT, СРТ, имеющие 24 разряда, адресуются как три отдельные 8-ми разрядные регистры. В адресном пространстве PI/T занимает 32 байтовых ячейки, из которых 23 ячейки заняты регистрами, остальные остаются неиспользуемыми. При обращении к PI/T на входы RS5−1 поступают соответствующие разряды формируемого микропроцессором адреса. На вход CLK поступают тактовые сигналы от генератора тактовых импульсов. На вход RESET# подаётся общий для всей системы сигнал сброса.

Программирование портов А, В, С и таймера на выполнение различных режимов обслуживания внешних устройств производится путём записи управляющих кодов в регистры управления соответствующих блоков PI/T.

Порты, А и В обеспечивают параллельный обмен данными между микропроцессором и внешними устройствами.

Таймер реализован на базе 24-х разрядного вычитающего счётчика (CNT), начальное состояние которого устанавливается при инициализации, путём записи содержимого в регистр предварительной установки CPR. Запуск таймера происходит при записи в регистр управления TCR соответствующего управляющего кода, который определяет также режим его функционирования. При этом уменьшение содержимого CNT может производиться при поступлении тактовых импульсов CLK или внешних сигналов на вход TIN#. В режиме генерации (счёт импульсов CLK) таймер через интервалы времени, определяемые содержимым CPR, формирует сигналы на выходе TOUT#. В режиме счёта событий текущее содержимое CNT указывает число поступивших сигналов. Можно запрограммировать деление частоты считаемых импульсов на 32. При работе таймера на выходе TOUT# формируются прямоугольные импульсы, которые могут служить для управления внешними устройствами (периодическое включение-выключение, синхронизация и т. п.). Сигнал TOUT# может подаваться также на вход приоритетного шифратора в качестве запроса прерывания для микропроцессора. При этом сигнал подтверждения прерывания должен поступать на вход ТIАСК#. Для считывания вектора прерывания микропроцессор должен обратиться к регистру TIVR, в который значение этого вектора вводится в процессе инициализации таймера. Таким образом, использование таймера позволяет запускать требуемую программу в заданные моменты.

2.4 Последовательный приемопередатчик (DUART)

DUART — асинхронный приемопередатчик, который позволяет взаимодействовать (обмениваться данными) с внешними устройствами в последовательном формате, т. е. за один такт передается один бит и так последовательно. Доступ к DUART осуществляется при помощи адреса и соответствующих сигналов.

Микросхема МС 68 681 (Dual Universal Asynchronous Receiver/Transmitter — DUART) включает в себя:

— сдвоенный асинхронный последовательный приёмопередатчик;

— многофункциональный 6 — разрядный входной порт;

— многофункциональный 8 — разрядный выходной порт;

— многофункциональный 16 — разрядный программируемый таймер / счётчик;

— устройство управления режимами работы;

— логику управления прерываниями.

Блок DUART, в соответствии с рассматриваемым примером, состоит из двух МС68 681. Ниже описаны назначения выводов МС68 681 и их соединения с выводами МП и ША и ШД. Через выводы D₇…D₀ осуществляется двунапрвленный обмен данными с МП в параллельном формате одноименными линиями ШД. На входы RS4… RS1, которые соединяются соответственно с линиями A4… A1 ША, поступает от МП код выбора регистра, задействованого при программировании МС68 681 или при обмене данными между МП и DUART. Входы управляющих сигналов, соединяются с соответствующими выводами МП.

Рисунок 2.6 — Схема DUART

Вход соединяется с соответствующим выходом BACK. Через вывод TXDA или TXDB осуществляется передача данных к ВУ в последовательном формате, а через вывод RХDA или RХDB — соответственно прием данных.

Таблица 2.4 — Назначение выводов микросхемы МС 68 681

Заключение

В данной работе, согласно индивидуальному варианту, была разработана структурная схема микропроцессорной системы, а также принципиальная схема МПС.

При создании принципиальной схемы, в целом ориентировались преимущественно на МП MC68000 фирмы MOTOROLA. Так как одной из основных составляющих МП системы является блок основной памяти, который состоит из оперативного и постоянного запоминающих устройств, то был произведён расчёт количества сегментов ОЗУ и ПЗУ. На основании этого расчёта были внесены коррективы в функциональную схему модуля, в частности в блок основной памяти, а также был произведен расчет количества последовательных и параллельных интерфейсов.

1. Методические указания к работе «Микропроцессорная система МС68 000».

2. Конспект лекций по курсу ВТ и МП.

3. Метод пособие для лабораторных работ по курсу «Процессоры MOTOROLA».