Можно ли самому построить ЭВМ?

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Появление микропроцессоров сыграло важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах челове­ческой деятельности. Неослабевающий интерес к микропроцес­сорам объясняется такими их особенностями, как низкая стои­мость, высокая надежность, компактность и значительные функциональные и вычислительные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом изда­ется весьма обширная литература по микропроцессорной тех­нике и возможностям ее применения. И все же книг с описанием реально построенных конструкций и устройств на базе микро­процессоров явно недостаточно для удовлетворения постоянно растущего спроса на такие публикации. Именно это побудило авторов взять на себя смелость написать нечто вроде руковод­ства, ориентированного на читателя, пожелавшего ознакомиться с работой простейшей микро-ЭВМ или заняться ее изготовле­нием.

Конечно, эта книга — не инструкция по изготовлению мик­ро-ЭВМ в полном смысле этого слова, хотя в ней довольно по­дробно описываются конструкция вычислительной машины и ее работа. Основная цель книги — помочь разобраться в том, что такое микропроцессор, как он работает, как необходимо его программировать и как на его основе можно создавать разно­образные устройства, применяющиеся в технике, в быту, в по­вседневной практической деятельности.

Современный микропроцессор - довольно сложное устрой­ство, работу которого не удается описать в деталях вне связи с системой, в составе которой он функционирует (в отличие от других более простых электронных приборов, таких напри­мер, как электронная лампа). К сожалению, в специальной ли­тературе микропроцессор в подавляющем большинстве случаев описывается автономно. Из такого описания не всегда понятны детали его работы и особенности применения. Предлагаемая читателям книга в некоторой степени восполняет этот пробел. Авторами описывается схема простейшей микро-ЭВМ как пример простейшей микропроцессорной системы. Будет или не будет читатель строить эту микро-ЭВМ — не так уж и важно. Важно, что на базе этой конкретной микропроцессорной си­стемы он получит необходимые сведения о работе микропро­цессора и сможет построить в дальнейшем аналогичные системы по своему выбору и вкусу.

Выступая в 1970 г. с докладом о перспективах развития и применения вычислительной техники на конференции в Мос­ковском физико-техническом институте, академик В. М. Глуш-ков говорил о том, что недалек тот день, когда вычислительная техника шагнет в повседневную жизнь и буквально каждая семья сможет получить доступ к вычислительным ресурсам. Во времена господства универсальных вычислительных машин-гигантов это высказывание представлялось по меньшей мере весьма смелым прогнозом. Но прошли годы и вот уже микро­электроника стучится в двери наших квартир, появляется на рабочих местах в учреждениях, приближая тот день, когда вы­числительные машины станут для нас столь же привычными в быту, как холодильники, стиральные машины и цветные телевизоры.

Отсюда ясно, как важна популяризация тех знаний, которые раньше были необходимы лишь специалистам. В особенности это касается знаний в следующих трех областях: математиче­ской логике, программировании и электронике. Но даже спе­циалисты, равным образом ориентирующиеся в указанных трех областях, в настоящее время встречаются не так уж часто. Пользователи ЭВМ прошлых поколений практически никогда не сталкивались с аппаратной реализацией своих программ, а специалисты в области электроники, как правило, не занима­лись программированием. Поэтому широкая подготовка спе­циалистов нового типа — насущная проблема сегодняшнего дня.

Данная книга вовсе не претендует на роль учебного пособия с изложением основ математической логики, электроники и программирования. Цель у книги другая — привлечь широкий круг читателей к относительно новому, увлекательному миру конструирования микроэлектронных устройств на базе микро­процессорной техники, сфера применения которых не ограничи­вается традиционными вычислительными задачами. Создание программируемых устройств с широкими функциональными возможностями - микроэлектронных помощников (пусть на первое время совсем простых), повышающих эффективность интеллектуальной деятельности на производстве и дома, - вот, может быть, самая интересная и многообещающая область ис­следований в наш век всеобщей компьютеризации.

Необходимо заметить, что авторы вовсе не хотели бы скло­нить будущих конструкторов к попытке воспроизвести копию промышленной микро-ЭВМ. Любительским конструкциям труд­но тягаться с изделием, выпускаемым промышленностью. Тем не менее широкое привлечение любителей к микроэлек­тронному конструированию позволит в ряде случаев найти те оригинальные технические решения, которые в дальнейшем могут быть использованы целиком в конструкциях соответст­вующих промышленных изделий или положены в их основу. Для чтения книги не требуется специальных знании в области микропроцессорной техники. Тем не менее предполагается, что читатель сможет, пользуясь приведенными в книге рекоменда­циями самостоятельно собрать простую ЭВМ из малодефицит­ных деталей, отладить ее, проделать на ней ряд упражнении по программированию решения различных задач, а также изучить способы подсоединения дополнительных внешних устройств, значительно расширяющих возможности построенной машины. Хотя описываемая микро-ЭВМ построена по универсальной схеме, допускающей наращивание аппаратуры до широких пре­делов (скажем, до масштабов персональной ЭВМ), основное назначение ее - учебное, т. е. позволяющее в максимально ко­роткое время получить навыки основ программирования и проектирования микропроцессорных систем. С этой целью читателю дается весь необходимый материал, приводятся реаль­ные схемы с реальными характеристиками. В отличие от боль­шинства подобных изданий в книге описываются не только отдельные узлы машины, но и целиком вся ее схема. Выводы всех микросхем промаркированы, и каждая микросхема опи­сана в деталях. Поэтому читателю нет необходимости обра­щаться к зачастую труднодоступным справочным источникам. Главы 1-4, а также приложение 1 (система команд микро-процессора КР580ВМ80А) написаны В.Н. Захаровым, гл. 5-7 написаны А. Л. Дудко, а гл. 8-10 - Л. Н. Буреевым. Принци­пиальная электрическая схема описываемой микро-ЭВМ (при­ложение 2) разработана А. Л. Дудко, а описываемые схемы сопряжения микро-ЭВМ с дополнительными внешними устрой­ствами (в том числе с бытовыми телевизором и магнитофо­ном), а также схема статического аппаратного эмулятора разра­ботаны Л. Н- Буреевым. Предисловие к книге написано автора­ми совместно.

Авторы позволяют себе надеяться, что книга окажется полез­ной не только будущим конструкторам микро-ЭВМ, но и всем тем, кто стремится расширить свои знания в области примене­ния микропроцессорной техники.

Авторы выражают признательность рецензенту канд. техн. наук В. Ф. Корнюшко и редактору проф. Д. А. Поспелову за доброжелательную критику и замечания, которые способство­вали улучшению содержания и стиля книги.

Все замечания по содержанию книги, методике изложения, а также все предложения по усовершенствованию схемы и конструкции описываемой машины авторы примут с благо­дарностью. Пожелания и замечания просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

 

Авторы

 

ЧТО

ТАКОЕ

МИКРО-ЭВМ?

ТИПЫ МИКРО-ЭВМ

И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Понятие микро-ЭВМ отнюдь не означает, что пользователь имеет дело с упрощенным вариантом обычной ЭВМ, обладающим весьма ограниченными возможно­стями В истории создания вычислительных машин десятилетие с 70-х по 80-е годы сыграло важную роль. Благодаря успехам микроэлектронной технологии появилась возможность конст­руировать вычислительные машины небольших габаритов, с ма­лым потреблением электроэнергии и в достаточной мере "про­изводительные". Вычислительные возможности современных микро-ЭВМ не уступают возможностям средних ЭВМ начала 70-х годов. Если понятие ЭВМ неразрывно связано с понятием вычислительного центра, крупного предприятия или сложной технической системы, то микро-ЭВМ - это массовое изделие, доступное не только небольшим производственным коллекти­вам но и отдельным лицам вследствие невысокой стоимости, малой материалоемкости, низкого энергопотребления, высокой надежности. Микро-ЭВМ может быть использована для управле­ния производством, а также отдельной, в ряде случаев сложной технической системы, как элемент оборудования рабочего места конструктора-исследователя или научного работника, в быту и во многих других сферах.

Переворот в технике конструирования ЭВМ произошел вследствие перехода к изготовлению основных узлов вычисли­тельной машины (и в частности, ее главного узла - центрального процессорного элемента) в габаритах одной микросхемы или нескольких микросхем с площадью размещения активных элементов в каждой микросхеме порядка 100 мм² и менее. При разработке такого процессора, получившего название "микро­процессор" (МП), было учтено требование максимального ис­пользования аппаратурных возможностей выполнения им вы­числительных или логических функций.

В конструктивном отношении микропроцессоры могут быть однокристальными (выполненными в виде одной микросхемы), многокристальными (выполненными в виде нескольких разно­типных микросхем, каждая из которых представляет собой функционально законченную часть логической схемы процессо­ра) и секционными многокристальными (выполненными в виде нескольких однотипных микросхем, представляющих собой отдельные секции, позволяющие построить процессор с числом разрядов, пропорциональным числу используемых секций).

Кроме МП, предназначенных для обработки дискретной ин­формации, существуют аналоговые микропроцессоры (АМП), предназначенные для обработки аналоговой информации. В их структуру включены аналого-цифровые (аналого-дискретные) и цифро-аналоговые (дискретно-аналоговые) преобразователи, т. е. устройства, преобразующие аналоговый сигнал (например, непрерывно меняющееся входное напряжение) в цифровой (набор напряжений двух фиксированных уровней, представляю­щих двоичный код) и обратно. Обработка аналоговой информа­ции, преобразованной в дискретную, производится в АМП, как и в обычном микропроцессоре. Кроме однокристальных микропроцессоров существуют однокристальные микро-ЭВМ (ОМ-ЭВМ), представляющие собой микросхему, объединяю­щую в своем составе все основные устройства, необходимые для ее функционирования.

При использовании ОМ-ЭВМ необходимо добавить источник питания, внешние устройства и в ряде случаев дополнительное внешнее запоминающее устройство. На базе МП или ОМ-ЭВМ может быть построена одноплатная микро-ЭВМ, представляю­щая собой законченный конструктивный элемент. Одноплат­ная микро-ЭВМ может входить в состав многоплатной микро-ЭВМ, включающей, кроме того, платы сопряжения с внешними устройствами, а также источник питания, пульт управления, аппаратуру индикации ("голая микро-ЭВМ"). Если "голую микро-ЭВМ" "одеть" внешними устройствами (алфавитно-цифровой клавиатурой, дисплеем, накопителем на гибком магнитном диске и т. п.), то получится вычислительный ком­плекс.

Одноплатная микро-ЭВМ, ОМ-ЭВМ и "голая микро-ЭВМ" могут быть использованы в составе управляющих систем или измерительных комплексов. Примерами ОМ-ЭВМ являются однокристальные восьмиразрядные микро-ЭВМ серии К 1816, однокристальные четырехразрядные микро-ЭВМ серий К 1820 и К 1814. К одноплатным машинам относится, например, мик­ро-ЭВМ "Истра", а к многоплатным — микро-ЭВМ "Электрони­ка 60", ЕС-1840, "Квант" и др.

По способу реализации системы команд микро-ЭВМ раз­деляются на два типа. В микро-ЭВМ первого типа система команд является постоянной (фиксированной), а в микро-ЭВМ второго типа - изменяемой (программируемой на уровне мик­рокоманд). Более простыми, дешевыми и распространенными являются машины первого типа.

К наиболее распространенным микро-ЭВМ, выпускаемым оте­чественной промышленностью, относятся персональные (ПЭВМ) и профессиональные персональные (ППЭВМ) машины семей­ства "Электроника", а также машины: ЕС 1840, "Искра 1030", "Нейрон И9.66", "Агат", "Корвет", СМ-1810 и др.

Семейство микро-ЭВМ "Электроника" - это ряд универ­сальных программно-совместимых машин различной произво­дительности. Наиболее производительные машины этого ряда сравнимы по параметрам с развитыми мини-ЭВМ. Семейство микро-ЭВМ "Электроника" - это ряд машин, ориентиро­ванных на использование в управлении технологическими про­цессами, для сбора и обработки данных, для обработки сообще­ний и управляющей информации в системах связи и контрольно-измерительных системах. Отдельные модели ряда могут быть встроены в соответствующие подсистемы управления и кон­троля Модели "Электроника" - это микро-ЭВМ универсально­го применения, которые с успехом могут быть использованы в системах автоматизированного управления. Одним из важней­ших достоинств этой серии является программная совмести­мость с отечественными мини-ЭВМ СМ-3, СМ-4, а также с зару­бежными мини-машинами семейства PDP-11, что позволяет ис­пользовать разработанное ранее программное обеспечение. Машины "Электроника 85" и "Электроника БК-0010" относят­ся к классу персональных компьютеров.

Предназначенная в основном для тех же целей микро-ЭВМ СМ-1810 является машиной, программно-совместимой с мик­ро-ЭВМ, построенными на базе микропроцессора 8080 фирмы Intel.

Кроме перечисленных микро-ЭВМ отечественной промыш­ленностью выпускается большой ассортимент диалоговых вы­числительных комплексов, например ДВК-1 - ДВК-3, с высо­кой производительностью, что позволяет использовать программное обеспечение этой машины, а также программное обеспечение мини-ЭВМ "Электроника 100/25". Операцион­ная система вычислительного комплекса ДВК допускает использование языков БЕЙСИК, ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, КО­БОЛ, ПЛ/1, что предоставляет большие возможности для программирования.

Современные микро-ЭВМ обладают несравненно большими возможностями, чем многие вычислительные машины прош­лых поколений. Дешевизна, надежность и доступность микро-ЭВМ позволяют использовать их для решения таких задач, для которых применение средств вычислительной техники ранее было неоправданным.

В сфере промышленного производства микро-ЭВМ могут использоваться в составе информационно-управляющих вычис­лительных систем (ИУВС), в системах технического управления объектами и технологическими процессами и в системах орга­низационно-технического управления цехами, предприятиями, отраслями и т. п. В таких системах микро-ЭВМ используются для сбора и обработки данных, выполнения сложных экономи­ческих и технических расчетов, планирования, управления и контроля. В управлении сложными техническими системами микро-ЭВМ чаще всего используются в составе встроенных средств управления и контроля. Замена высокопроизводитель­ной и дорогостоящей ЭВМ, используемой в качестве централь­ного управляющего органа, сетью микро-ЭВМ повышает надеж­ность, эффективность и гибкость управления сложной техниче­ской системой, позволяет организовать управление в реальном времени и снижает стоимость общих затрат на управление.

Применение микро-ЭВМ в машиностроении позволяет перей­ти от существующих конструкций станков с числовым про­граммным управлением к более совершенным высокопроизво­дительным робототехническим конвейерным системам и к орга­низации на их основе гибких автоматизированных производств.

Расширению сферы использования ЭВМ (особенно в послед­ние годы) способствовало появление нового класса микро-ЭВМ — персональных ЭВМ (ПЭВМ). Под ПЭВМ подразумевается микро-ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования (подобно пишущей машинке, телевизору, магнитофону), но со значительно более широкими функциональными возможностя­ми, позволяющими использовать ее для решения самых разно­образных задач — от сложнейших профессиональных расчетов до самых мелких бытовых. Обычно ПЭВМ так и классифици­руются: профессиональные и бытовые. Профессиональные ПЭВМ используются профессионалами-конструкторами, технологами, инженерами, научными работниками, журналистами, редакторами и т. п. Они оказываются полезными при индиви­дуальной обработке технической, экономической, медицинской и другой информации, в преподавательской деятельности; по­зволяют обеспечить оперативный доступ к отраслевым, регио­нальным информационным источникам через локальные сети ЭВМ. Бытовые ПЭВМ могут быть использованы в качестве до­машнего информационного центра. С их помощью можно прово­дить развлекательные и познавательные игры, организовывать учебные курсы (например, по изучению иностранных языков или курсов по школьной программе), обеспечивать доступ к справочной информации: адресам, телефонам, рецептам и т. п. Микро-ЭВМ, выпускаемые промышленностью, являются слишком сложными, чтобы брать их за образец при попытке самостоятельного построения. Возникает вопрос, можно ли вообще самому построить хоть какой-нибудь простейший ва­риант вычислительной машины?

 

МОЖНО ЛИ САМОМУ ПОСТРОИТЬ ЭВМ?

 

Еще 15 лет назад человека, задавшего такой вопрос, посчитали бы не совсем нормальным. Действительно, до появления микросхем большой и сверхболь­шой степени интеграции это было абсолютно бессмысленной затеей. Благодаря достижениям в области микроэлектроники последних лет стало возможным массовое производство в виде микросхем сложнейших устройств, таких как центральный процессор вычислительной машины, оперативное и постоянное запоминающие устройства и т. д. Поскольку в большинстве слу­чаев электрические параметры и функциональное назначение выходов и входов этих устройств (блоков) стандартизованы, их довольно легко соединять друг с другом. К тому же при разработке этих блоков, как правило, предусматривается стан­дартный вариант их применения, использование которого значи­тельно упрощает проектирование устройств на их основе. Проек­тирование и построение микро-ЭВМ напоминает игру в детский конструктор, где все детали подходят друг к другу и можно воспользоваться руководством, в котором предложены некото­рые типовые варианты узлов и изделий из его элементов. Для построения простейшей машины потребуется всего несколько узлов, создать которые не так уж трудно.

Итак, построение простейшей микро-ЭВМ оказывается сейчас возможным и не очень сложным делом. По крайней мере оно не сложнее постройки любительских конструкций в области радио, телевидения или звукозаписи.

"А можно ли построить самому не простейшую, а более слож­ную микро-ЭВМ?" — спросит заинтересованный читатель.

Простейший вариант микро-ЭВМ допускает возможность усложнения и усовершенствования конструкции путем замены или установки дополнительных микросхем или новых допол­нительных плат с микросхемами. Можно повысить быстродейст­вие микро-ЭВМ, увеличить объем памяти или заставить ее вы­полнять новые, не предусмотренные первоначальной конструк­цией функции. К существенному расширению возможностей простейшей микро-ЭВМ приведет, например, включение в ее состав перепрограммируемой памяти, т. е. постоянной памяти, сохраняющей информацию при выключении питания и про­граммируемой пользователем, с возможностью стирания инфор­мации и повторного программирования. Поскольку более слож­ная микро-ЭВМ, как мы увидим из дальнейшего изложения (см. § 2.3), отличается от простейшей, кроме всего прочего, развитой периферией, можно заняться совершенствованием ее внешних устройств. Однако внешние устройства самому по­строить довольно сложно. Вряд ли, например, кто-нибудь захо­чет взяться за конструирование хорошего печатающего устрой­ства. Изготовление подобного устройства под силу лишь про­мышленности. Вот подсоединить к простейшей микро-ЭВМ имеющиеся внешние устройства можно, в том числе некоторые бытовые приборы, такие как домашний телевизор или кассет­ный магнитофон. О том, как это сделать, вы узнаете в гл. 10.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: