מבנה מחשבים ספרתיים
ä'âðå÷ ìàëéî úåëøòî íéáùçî åø÷éî 2012 ø á î è ô ñ Y ä é ð ù ä ø å ã ä î 052 ÿ 2671210 email: [email protected] = (CJKP KNB) [ZG[ \BXGF web: http://www.shoresh1.co.il תוכן העניינים נושא עמוד הקדמה 1 .................................................................. כיצד הספר מאורגן 2 ............................................................ פרק :1מבוא להכרת המחשב 5 ............................................. מבנה בסיסי של מחשב 5 ....................................................... ההיסטוריה של המיקרופרוססורים של חברת אינטל 9 ............ סוגי נתונים במערכות מיקרו-מחשבים10 ................................. פרק :2זיכרונות 13 ....................................................... תיאור 8 – LATCH 74LS373ביט .................................... תיאור המפענח ........................................................ 74139 תיאור המפענח ........................................................ 74138 מבנה עקרוני של זיכרון ליניארי .......................................... שיטת המטריצה -מעגלי זיכרון בסדר גודל גדול ................... תהליך כתיבה לזיכרון ........................................................ תהליך קריאה מהזיכרון .................................................... סוגי זיכרונות .................................................................... .1משפחת ה........... (Random Access Memory( RAM - 1.1זיכרון RAMסטטי (............. )SRAM - Static Ram 1.2זיכרון RAMדינמי (........ )DRAM - Dynamic Ram .2משפחת ה..................... )Read Only Memory( ROM- ........................................................ MASK ROM 2.1 ............................. (Programmable ROM) PROM 2.2 ................................. )Erasable PROM( EPROM 2.3 .......................... (Electrically EPROM) E2PROM תרגילים ........................................................................... PROMכמפענח כתובות .................................................... פרק :3ארגון הזיכרון ב............................. 8088/8086- סגמנטציה ......................................................................... ארגון הזיכרון החיצוני ........................................................ ארגון הזיכרון ב......................................................... 8088- ארגון הזיכרון ב......................................................... 8086- פניה לזיכרון חיצוני – 8ביט ........................................... פנייה לכתובת זוגית – 16ביט ......................................... פנייה לכתובת אי-זוגית – 16ביט .................................... 15 17 18 19 27 31 33 34 34 34 35 36 36 37 37 37 41 48 81 81 83 90 91 93 94 95 פרק :4מיקרופרוססורים 99 ............................ 8088/8086 המבנה הפנימי של ה.................................................. 8086- המבנה הפנימי של ה.................................................. 8088- רגיסטרים פנימיים ב............................................. 8086- רגיסטר הדגלים ............................................................ תיאור הפינים של ה........................................... 8088/8086- תיאור הנועל ............................... 8282 - OCTAL LATCH תיאור הרכיב ...... 8286 - OCTAL BUS TRANSCEIVER חיבור בקר פסיקות למעבד .................................................. טבלת וקטורי הפסיקה .................................................. תרגיל .......................................................................... תרגיל חיבור זיכרון והתקני I/Oלמעבדים 8086ו......... 8088- 99 100 102 104 110 117 118 121 123 125 135 פרק :5מיקרו-בקר 145 ............................................ 8051 תיאור כללי של ה...................................................... 8051- המבנה הפנימי של ה - 8051-סכמת מלבנים .......................... הסבר על המבנה הפנימי של ה.................................... 8051- תיאור זיכרון פנימי .................Internal Data Memory - תיאור הרגיסטרים המיוחדים– Special Function Register תיאור הרגיסטרים הפנימיים ב.............................. 8051- תיאור הפינים של ה................................................... 8051- תרגיל ............................................................................... אוצר הפקודות של ה................................................. 8051- פסיקות ............................................................................ רגיסטר ..................................... Interrupt Enable - IE רגיסטר .................................... Interrupt Priority - IP רגיסטר ................................. Timer Control – TCON תרגילים ...................................................................... מונים ............................................................................... רגיסטר ................................... Timer Mode – TMOD רגיסטר ................................. Timer Control – TCON תרגילים ...................................................................... תקשורת טורית ................................................................. פרוטוקול תקשורת טורית אסינכרונית ............................ UARTב............................................................ 8051- רגיסטר .................................. Serial Control – SCON תרגילים ...................................................................... תקשורת ......................................................... RS-232 147 149 150 150 154 155 164 176 179 189 195 197 199 201 203 205 210 211 216 216 219 221 223 226 פרק :6התקני קלט פלט 229 ............................................ .......................................... LED - Light Emitting Diode חיבור LEDS 8דרך פורט מוצא ..................................... מפסקים (............................................................. )Switch ביטול ריטוט מפסק ....................................................... חיבור 8מפסקים דרך פורט מבוא מסוג ................. 74373 תרגילים ........................................................................... מערכת רמזורים ........................................................... פתרון באמצעות המעבד .................................... 8086 פתרון באמצעות המעבד .................................... 8051 בדיקת שערי .................................................... NAND פתרון באמצעות המעבד .................................... 8086 פתרון באמצעות המעבד .................................... 8051 תצוגת ........................................................... 7-Segments .1חיבור 7’Sבשיטת ...................... Non-Multiplexed 1.1חיבור 7'Sדרך פורט מוצא ......... 74373 – Latch 1.2חיבור 7'Sדרך מפענח BCDל..................... 7'S- .2חיבור 7’Sבשיטת .............................. Multiplexed 2.1חיבור 7’Sדרך פורט מוצא ........ 74373 – Latch 2.2חיבור 7’Sדרך מפענח BCDל.................... 7'S- רכיבי תצוגה נוספים .......................................................... תצוגת ..................................... LCD – Liquid Cristal Display מטריצת לוח מקשים .......................................................... חיבור מטריצת לוח מקשים למערכת דרך פורטים ............ תרשים זרימה לזיהוי מקש לחוץ ................................ סברוטינה לזיהוי מקש לחוץ באמצעות המעבד .... 8086 סברוטינה לזיהוי מקש לחוץ באמצעות המעבד .... 8051 רכיב –74C922חיבור מטריצת מקשים בגודל ............ 4*4 פרק :7רכיבי המרה מאנלוגי לדיגיטלי ומדיגיטלי לאנלוגי 230 231 232 232 234 236 236 236 241 244 247 251 255 256 256 259 262 262 265 267 268 275 276 278 280 281 282 285 זמן המרה ,מתח עבודה ,רזולוציה 286 ........................................ רכיבי המרה מאנלוגי לדיגיטלי 290 .......................... ADC0801 תרגיל המבוסס על המעבד 291 ..................................... 8086 תרגיל המבוסס על המעבד 299 ..................................... 8051 רכיבי המרה מדיגיטלי לאנלוגי 303 .......................... DAC0800 תרגיל המבוסס על המעבד 303 ..................................... 8086 תרגילים המבוססים על המעבד 306 ............................. 8051 פרק :8מונה מתוכנת 311 ....................................... 8254 - מבנה פנימי של הרכיב - 8254סכמת מלבנים ........................ תיאור הפינים של הרכיב ..................................................... תיאור מילת הבקרה ........................................................... קריאת ערך המונה ............................................................. תיאור מילת הבקרה לקריאת המונה ............................... תרגיל – שימוש במונה כסופר אירועים ..................... צורת העבודה של המונים ................................................... ...................... Interrupt or Terminal Count - Mode 0 תרגיל ................................................................... ........... Hardware Retrigger able One-Shot - Mode 1 - Mode 2מחולל תדר ................................................... .............................................. Square Wave - Mode 3 תרגיל ................................................................... ........................ Software Triggered Strobe - Mode 4 ...................... Hardware Triggered Strobe - Mode 5 שימושים של המונה במחשב האישי ..................................... תרגילים ........................................................................... 312 313 315 317 318 318 321 321 323 324 324 327 328 331 331 335 336 פרק :9בקר קלט פלט 353 ...................................... 8255 - מבנה פנימי של הרכיב – 8255סכמת מלבנים ........................ תיאור הפינים של הרכיב ..................................................... מילת בקרה ( )Control Wordלקביעת אופן פעולת הרכיב ...... מילת בקרה ........................................... Set/Reset Port C תרגילים ........................................................................... מערכת לבדיקת Busבאמצעות המעבד ................... 8086 חיבור רכיב המרה DtoAבאמצעות המעבד .............. 8086 בדיקת רכיב מסוג 7400באמצעות המעבד ................ 8051 חיבור רכיב המרה DtoAבאמצעות המעבד .............. 8051 חיבור רכיב המרה AtoDבאמצעות המעבד .............. 8051 חיבור לוח מקשים בגודל ,4*4חיישנים ונוריות ל.... 8051- פעולת הרכיב 8255ב........................................... Mode 1- התקן - Inputערוץ המוגדר כמבוא ................................. התקן - Outputערוץ המוגדר כמוצא .............................. פעולת הרכיב 8255ב............................................ Mode 2- מילת הבקרה עבור ........................................... Mode 2 354 355 358 359 362 362 373 376 383 386 392 396 397 400 404 405 פרק :10בקר פסיקות 407 ...................................... 8259 - פנייה להתקן I/Oבאמצעות ( Pollingשאילתא) .................... פנייה להתקן I/Oבאמצעות ( Interruptפסיקה) .................... מבנה פנימי של הרכיב – 8259סכמת מלבנים ........................ תיאור הפינים של הרכיב ..................................................... הסבר על צורת העבודה של הרכיב ....................................... תהליך קבלת פסיקה .......................................................... תכנות הרכיב ..................................................................... מילת בקרה ..................................................... ICW1 - מילת בקרה ..................................................... ICW2 - מילת בקרה ..................................................... ICW3 - מילת בקרה ..................................................... ICW4 - מילות בקרה להפעלת הרכיב ................................. OCWs - מילת בקרה ...................................................... OCW1 מילת בקרה ...................................................... OCW2 פקודת ............................. EOI – End of Interrupt עדיפויות זהות .................... Automatic Rotation - שינוי סדר עדיפויות .................. Specific Priority - מילת בקרה ...................................................... OCW3 קריאת רגיסטר .............................................. IRR קריאת רגיסטר ............................................... ISR .................................................... Poll Command ................................................................ Cascade Mode שימושים של בקרי הפסיקות במחשב האישי ......................... 407 408 409 410 411 412 413 415 416 418 419 422 422 423 424 426 427 428 429 429 430 433 437 פרק :11תקשורת טורית 439 ................................... 8251- פרוטוקול להעברת נתונים בתקשורת טורית אסינכרונית ........ - 8251בקר תקשורת טורית – סכמת מלבנים ........................ תיאור הפינים של הרכיב ..................................................... יחידת השידור ............................. Transmitter Buffer - יחידת הקליטה ................................ Receiver Buffer - אתחול הרכיב .................................................................... ....................................................... Mode Instruction ......................................... Command Instruction ................................................... Status Read Format 440 444 445 448 449 453 454 458 460 תרגילים 462 ........................................................................... שידור נתונים טוריים באמצעות המעבד 462 .................. 8086 קליטת נתונים טוריים באמצעות המעבד 469 ................. 8086 שידור נתונים טוריים באמצעות המעבד 472 .................. 8051 קליטת נתונים טוריים באמצעות המעבד 477 ................. 8051 תרגילים נוספים 480 ........................................................... תקשורת טורית – פרוטוקול 483 .................................... RS232 תיאור הרכיב DS232Aשל חברת 485 ........................ Dallas רכיב 487 .................. RS-232 Line Driver – MAX 1488E רכיב 487 ............... RS-232 Line Receiver – MAX 1489E תרגיל – תקשורת טורית בין המעבדים 8086ו489 ...............8051- פרק :12תקשורת טורית סינכרונית 495 .............................. פרוטוקול 495 ................................................................. PS/2 פרוטוקול 502 ................................................................... I2C פרוטוקול 513 ................................................................... SPI פרוטוקול 519 ............................................................. 1-Wire פרק :13תרגילי סיכום 525 .............................................. תרגיל מסכם – מערכת אעזקה באמצעות המעבדים 525 .. 8086/88 תרגיל מסכם – מערכת אעזקה באמצעות המעבד 545 .......... 8051 הקדמה הספר מסביר את המבנה והמרכיבים של מחשבים ושל מערכות מיקרו-מחשבים על כל יחידותיהם .הספר מביא את הקורא להבנה ורמת ידע גבוהה בנושא מערכות מיקרו- מחשבים המבוססות על המעבדים 1001ו ,1011/1018 -כך שבסיום הלמידה ,יוכל הקורא לתכנן ולבנות מערכות מיקרו-מחשבים .הספר מקנה כלים להבנה רחבה של הארכיטקטורה של מערכות מיקרו-מחשבים כך שהקורא יוכל אחר כך ללמוד בצורה עצמאית מיקרופרוססורים ורכיבי I/Oנוספים. הספר מכיל את כל נושאי הלימוד במקצוע מיקרו-מחשבים ומתמקד במעבדים 1001ו- ,1011/1018ברכיבים הפריפריאליים של חברת אינטל :מונה מתוכנת ( ,)1208בקר קלט/פלט ( ,)1200בקר פסיקות ( ,)1208ובקר תקשורת טורית ( ,)1201תכנון ובניית זיכרונות ,התקני קלט פלט בסיסיים כגון :לחצנים ,לוחות מקשים ,רכיבי תצוגה :נוריות,7-Segments , ו ,LCD-רכיבי המרה ועוד ,ותקשורת טורית סינכרונית. הספר כולל הסברים תיאורטיים על נושאים שונים וכן תרגול רב בכדי לסייע בהבנת החומר .התרגילים כוללים פתרונות מלאים ובהם מפורטים שיקולי התכנון ,שיקולי בחירת הרכיבים ,שרטוטי המערכות ,וכן את תוכנת ההפעלה של המערכות בשפת האסמבלר 1001 ו.1018- הספר מתאים למגוון רחב של קורסים וקהלי יעד. פרקי הספר בנויים כיחידות לימוד ,כאשר כל פרק מתמקד בנושא מסוים ,ולכן הספר אידיאלי כספר ללימוד עצמי .לסטודנטים ולמהנדסים העושים את צעדם הראשון בלימוד מקצוע המיקרו-מחשבים מומלץ ללמוד את הספר בצורה כרונולוגית .אולם ,מכיוון שכל פרק בספר הוא גם יחידה עצמאית ,ניתן לקרוא וללמוד כל פרק בנפרד ,מבלי לקרוא את יתר פרקי הספר. הספר מתאים לסטודנטים ולבתי ספר תיכוניים בתחומים של הנדסת אלקטרוניקה ומחשבים .הספר מתאים לתכניות הלימוד באוניברסיטאות ,במכללות האקדמיות השונות, ולתכנית הלימודים להכשרת הנדסאים .כמו כן ,למהנדסים והנדסאים שעובדים בתעשיית ההייטק .רצוי (אם כי לא חובה) לרענן לפני קריאת הספר את הידע בנושאים הבאים: מערכות ספרתיות ,אלגברה בוליאנית ,ופקודות בסיסיות בשפת האסמבלר 1001ו.1018- במהלך הכתיבה של ספר זה ,ההסברים התיאורטיים ,התרגול והפתרונות ,התבסס המחבר על ניסיונו הרב בעבודה המעשית בתעשיית ההייטק וכן בהוראת המקצועות :מחשבים ומיקרו-מחשבים ,ושפת סף אסמבלר לתלמידים וסטודנטים בבית ספר להנדסאים. דברי תודה ברצוני להודות מקרב לב לעתליה זיו ולאוריין אדרי שקראו את הספר ,הגהו והעירו הערות רבות וחשובות. 1 כיצד הספר מאורגן הספר מחולק לשתים עשרה פרקי לימוד ופרק לתרגילים מסכמים .כל פרק לימוד מכיל מושגים כלליים הקשורים לאותו נושא ,הסבר תיאורטי ,תיאור הרכיב ,כיצד הרכיב מתחבר ומתפקד במערכת מיקרו-מחשב ,וכן מספר רב של תרגילים להמחשה והבהרת הנושא כולל כתיבת תוכנה בשפת האסמבלר 1001ו 1018-להפעלת הרכיב והמערכת כולה. הפרק הראשון :מבוא להכרת המחשב עוסק במבנה העקרוני של מחשב ספרתי ומיקרו- מחשב על כל יחידותיו .כמו כן ,מתאר בקצרה את ההיסטוריה של המיקרופרוססורים, וכולל חזרה על מספרים בבסיסים שונים שאיתם נעבוד בספר :בינארי ,עשרוני (,)BCD הקסה דצימלי ו.ASCII- הפרק השני :זיכרונות מגדיר מושגים כלליים שקשורים לזיכרונות ,מתאר סוגים שונים של זיכרונות (משפחת ה RAM-ומשפחת ה )ROM-ותפקידיהם במערכות מיקרו-מחשבים, תכנון ובניית זיכרונות חיצוניים. הפרק השלישי :ארגון הזיכרון ב 88886888/-עוסק בארגון זיכרון חיצוני עבור המעבדים 1011ו ,1018-חלוקה לבנקים במעבד 1018ופניה לזיכרון חיצוני בכתובת זוגית וכתובת אי- זוגית .כמו כן ,מסביר את המושג סגמנטציה בזיכרון חיצוני ,חישוב כתובת אמיתית (פיסית) מכתובת לוגית :רגיסטר סגמנט ( )Segment registerוכתובת רגיסטר היסט ( Offset .)register הפרק הרביעי :מיקרופרוססורים 888/ו 8888-מתאר את המעבדים 1018ו 1011-של חברת אינטל .הפרק מתאר את המבנה הפנימי של המעבדים כולל רגיסטרים פנימיים, תיאור הפינים של המעבדים ,כיצד מקבלים את פס הכתובות ( ,)Address Busפס הנתונים ( )Data Busופס הבקרה ( )Control Busוכן ,כיצד המעבד פונה לזיכרונות והתקני I/O חיצוניים. הפרק החמישי :מיקרו-בקר 8815מתאר את המעבד 1001של חברת אינטל .הפרק מתאר את המבנה הפנימי של המעבד כולל רגיסטרים פנימיים (ארבעת הבנקים) ,תיאור הזיכרון RAMהפנימי ( Internal Ramו )Special Function Register-תיאור הפינים של המעבד, כיצד מקבלים את פס הכתובות ( ,)Address Busפס הנתונים ( )Data Busופס הבקרה ( )Control Busוכן ,כיצד המעבד פונה לזיכרונות והתקני I/Oחיצוניים .כמו כן ,את מנגנון הפסיקות ,הפעלת המונים ( Timer 0ו )Timer 1-ותקשורת טורית ( )UARTבמעבד. הפרק השישי :התקני קלט פלט מתאר התקני I/Oבסיסיים כדוגמת :נוריות (,)LEDS מפסקים ,יחידות ,LCD ,7-Segmentsלוחות מקשים ועוד .הפרק מסביר כיצד מחברים התקני I/Oלמערכות מיקרו-מחשבים באמצעות פורטים ( )Portsוכיצד המעבד פונה אל התקני ה I/O-לצורך כתיבת וקריאת נתונים .הפרק כולל מספר תרגילים ופתרונם באמצעות המעבדים 1001ו 1018-בכדי לסייע בהבנת החומר. 2 הפרק השביעי :רכיבי המרה מאנלוגי לדיגיטלי ומדיגיטלי לאנלוגי מתאר מושגים כלליים שקשורים לרכיבי המרה כמו :רזולוציית דגימה ,זמן המרה ,טעות מדידה ועוד .כמו כן, מסביר איך מחברים ועובדים עם רכיבי המרה A/D-Analog to DigitalוD/A-Digital to - Analogבמערכות מיקרו-מחשבים (חיבור למעבדים 1001ו.)1018- הפרק השמיני :מונה מתוכנת – 8518מתאר את הרכיב הפריפריאלי 1208שהוא מונה מתוכנת .הפרק מסביר איך מחברים את המונה למערכת מיקרו-מחשב ,חשיבותו של המונה במערכות מיקרו-מחשבים ואת שימושיו השונים. הפרק התשיעי :בקר קלט פלט – 8511מתאר את בקר הקלט פלט מסוג .1200הפרק מסביר איך מחברים את הבקר למערכת מיקרו-מחשב ,ואיך התקני I/Oמתחברים אליו. כמו כן ,מהי צורת עבודה של "לחיצת יד" ( )Hand-Shakingועבודת הרכיב בתצורה זאת. הפרק העשירי :בקר פסיקות – 8518מתאר את בקר הפסיקות מסוג .1208הפרק מסביר את ההבדלים בין חיבור התקני I/Oבצורת שאילתא ( )Pollingובין חיבור בצורת פסיקה ( .)Interruptכמו כן ,מתואר בהרחבה את תהליך בקשת פסיקה של התקן I/Oמהמעבד דרך הבקר ,מהן אפשרויות העבודה השונות עם התקני :I/Oרמת עדיפות שונה וקבועה לכל התקן ,)Fully Nested Mode( I/Oעדיפויות זהות לכל התקני ה,)Rotate Mode( I/O- שינוי עדיפויות בתוכנה ,מיסוך (לא לאפשר) ואפשור קבלת פסיקה מהתקן I/Oמסוים ועוד. הפרק האחד עשר :תקשורת טורית – 8515מתאר מושגים כלליים שקשורים לתקשורת טורית כמו Full Duplex :ו ,Half Duplex-חישוב קצב העברת נתונים טוריים ביחידות של סיביות משודרות לשנייה ( )BPS-Bits Per Secondועוד .הפרק מתאר בהרחבה את פרוטוקול העברת נתונים בתקשורת טורית אסינכרונית באמצעות הרכיב לצורך שידור וקליטת נתונים טוריים .מהו פרוטוקול ,RS-232וכן כולל תיאור של מספר רכיבים המשמשים לתקשורת טורית בתקן .RS-232 הפרק השנים עשר :תקשורת טורית סינכרונית מכיל הסברים על העברת נתונים טוריים 2 סינכרוניים בפרוטוקולים SPI ,I C ,PS/2ו ,1-Wire-שימושם ויתרונם במערכות מיקרו- מחשבים. הפרק השלושה עשר :תרגילי סיכום מכיל שני תרגילים מסכמים במערכות מיקרו- מחשבים :תרגיל אחד מבוסס על המעבדים 1011/1018והתרגיל השני על המעבד .1001שני התרגילים כוללים תכנון ובניית מערכת המשמשת כמערכת אזעקה לבתים פרטיים ובתי עסק קטנים .התרגילים מסבירים את שיקולי התכנון של בחירת הרכיבים ואופן חיבורם, שרטוט מלא של המערכת ,וכן תוכנית המהווה את מערכת ההפעלה של המערכת. אשמח לקבל כל התייחסות לספר ,המלצות למהדורה הבאה :מה כדאי להוסיף ,מה צריך להרחיב ,טעויות בספר ועוד. שלחו את התייחסותכם באמצעות e-mailל[email protected] אני מאחל לכול הקוראים קריאה נעימה ולימוד יעיל ופורה. 3
© Copyright 2024