Einchipmikrorechner

1. Einführung in die Thematik

Die Mikroprozessortechnik erschließt immer neue Anwendungsgebiete in der gesamten Volkswirtschaft und ermöglicht dadurch Produkte mit neuer Qualität. Die Grundlage (dieser Entwicklung ist die Halbleitertechnik, die mit der Erfindung des Transistors im Jahre 1948 über die Etappen Spitzentransistor, Legierungstransistor, Drifttransistor und der Einführung der Planartechnik die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erlaubte.

1.1. Entwicklungstrends der Mikroprozessortechnik

Nachdem zunächst logische und sequentielle Elemente wie Gatter, Flipflops und Zähler auf einem Chip untergebracht wurden, ergab sich später die Möglichkeit der Integrierung größerer Funktionskomplexe. Eine entscheidende Rolle spielte hierbei die Einführung der MOS-Technik und die damit verbundene wesentliche Erhöhung des Integrationsgrades. Neben dieser technologischen Weiterentwicklung waren die bis dahin gewonnenen Erfahrungen in der Anwendung der elektronischen Datenverarbeitung, der Prozeßrechentechnik sowie der Herstellung von Tischrechnern von Bedeutung. Hieraus abgeleitet wurde als universell nutzbare Sehaltungsstruktur die zentrale Verarbeitungseinheit (ZVE; central processing unit — CPU) angesehen. Ihre Integration führte zu den später auch als Mikroprozessoren bezeichneten Bauelementen.

Die ersten dieser Schaltkreise mit den Typbezeichnungen 4004 und 8008 wurden Anfang der siebziger Jahre von der amerikanischen Firma Intel vorgestellt. Es handelte sich hierbei um Mikroprozessoren mit 4- bzw. 8-Bit-Wortbreite. Sie wurden in einer Variante der zuerst benutzten p-Kanal-MOS-Technologie hergestellt. Der hohe Gesamtaufwand zur Realisierung eines kompletten Mikrorechners, der fehlende breite Kenntnisstand sowie die geringe Verbreitung von Software und Entwicklungsunterstützung verhinderten zunächst den umfassenden Einsatz dieser Bausteine.

Die Entwicklung von Mikroprozessoren begann mit 4-Bit-Strukturen, da diese Wortbreite zur Verschlüsselung von Zifferninformationen (z. B. in BCD-Kodierung) ausreichend war. Gleichzeitig hielt sich der Integrationsaufwand im Vergleich zu Prozessoren mit größerer Wortbreite in Grenzen. Solche 4-Bit-Mikroprozessoren fanden Eingang in Tischrechner für wissenschaftlich-technische Aufgaben und bildeten den Ausgangspunkt für die spätere Entwicklung von Taschenrechnerschaltkreisen. Mit ihnen ließen sich aber auch günstig Steuerungsaufgaben lösen, und sie erreichten damit neue Anwendungsgebiete der Rechentechnik.

Zur aufwandsentsprechenden Verschlüsselung von alphanumerischen Zeichen (Buchstaben, Ziffern und Sonderzeichen) wurden Mikroprozessoren mit einer Verarbeitungsbreite von acht Bit erforderlich. Hauptgrund hierfür war die notwendige Verbesserung der Kommunikation mit dem Rechner durch die Möglichkeit der Verarbeitung von Textinformationen. Solche Mikrorechner erschlossen mit dieser neuen Qualität wiederum völlig neue Einsatzgebiete. Die 8-Bit-Mikroprozessoren boten aber auch gleichzeitig weitere Vorteile, wie vergrößerte Rechengeschwindigkeit, größeren Befehlsvorrat und verbesserte arithmetische Leistungen.

Mit der immer besseren Beherrschung technologischer Verfahren und der Vergrößerung des Wissensstandes (z. B. durch Applikation der bestehenden Systeme) wurden nicht nur weiterentwickelte Mikroprozessoren geschaffen, die mit Standardkomponenten (Speicher, Logik-Baureihen) zu Mikrorechnern ergänzt werden konnten, es entstanden ganze Mikroprozessorfamilien die aus optimal aufeinander abgestimmten komplexen Schaltkreisen bestehen. Neben CPU und Speicherbauelementen mit immer größeren Speicherkapazitäten wurde eine Reihe von Peripheriebausteinen entwickelt, deren Integrationsgrad teilweise höher als der des Prozessors ist.

Ein typisches Beispiel für eine solche Mikroprozessorfamilie ist das Prozessorsystem U880 (kompatibel zur international weit verbreiteten Familie Z80). Es besteht hauptsächlich aus den folgenden systemeigenen LSI-Komponenten.

• U880 CPU, Zentrale Verarbeitungseinheit

• U855 PIO, programmierbare Parallele Eingabe-/Ausgabeeinheit

• U856 SIO, programmierbare Serielle Eingabe-/Ausgabeeinheit

• U857 CTC, voreinstellbarer Zähler/Zeitgeber-Schaltkreis

• U858 DMAC, Controller für direkten Speicherzugriff

Zusammen mit dem in allen Systemkomponenten implementierten leistungsfähigen Interruptsystem (vektoriert, priorisiert) stehen die am häufigsten benötigten Peripheriefunktionen eines Mikrorechners in Form von LSI-Bauelementen zur ‘Verfügung. Die weitere Komplettierung zu einem Mikrorechner kann mit Standardbauelementen (Speicher, Dekoder, Treiber, Logik-Baureihen) erfolgen, wobei unterschiedlichste Anwendervarianten erreicht werden können. Sie reichen von Minimalsystemen und Einplatinenrechnern mit wenigen Bauelementekomponenten über modular aufgebaute Mikrorechner bis hin zu leistungsfähigen Mehrrechneranordnungen Die technologische Basis für dieses Mikroprozessorsystem bildet eine n-Kanal-Silicon-Gate-MOS-Technologie. Hiermit verbunden ist auch die große Anwenderfreundlichkeit gegenüber den älteren Typen (nur eine Betriebsspannung vollständige TTL-Kompatibilität, Einphasen-Systemtakt)

Die weiteren Entwicklungsschritte auf dem Gebiet der Mikroprozessortechnik sind vor allem auf die Verbesserung der Anwendungsmöglichkeiten und der engeren Anpassung der Mikrorechnerlösungen an die Einsatzbedingungen gerichtet. Einen Schwerpunkt bildet hierbei der gegenwärtige Trend zu Mikroprozessoren mit größerer Verarbeitungsbreite. Er erklärt sich aus der Tatsache, daß arithmetische Operationen (vor allem Multiplikation und Division mit hoher Genauigkeit) bei solchen Prozessoren wesentlich schneller ausgeführt werden können. Das hat insbesondere bei Anwendungsfällen der Datenverarbeitung (Kleinrechner) in der Automatisierungstechnik (z.B. die geometrische Berechnung von Werkstücken bei numerischen Werkzeugmaschinensteuerungen) Bedeutung. Ein Beispiel für ein verfügbares l6-Bit-Mikroprozessorsystem ist die Familie U8000 (kompatibel zum international gebräuchlichen System Z8000). Sie weist neben der hohen arithmetischen Rechengeschwindigkeit als weitere wichtige Eigenschaft die Möglichkeit der Verwaltung großer Speicherbereiche (viele Megabyte) auf.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendung verbesserter technologischer Verfahren bzw. neuer Technologien bei z. T. bereits eingeführten Prozessorsystemen Zielstellung ist hierbei die Erschließung neuer Anwendungsgebiete durch die verbesserten Parameter der Bauelemente. Am Beispiel des Mikroprozessorsystems U880 sind solche Weiterentwicklungen die Familien UA880 und VB880. Beim System UA880 erfolgte durch die Anwendung verbesserter technologischer Verfahren die Erhöhung der Systemtaktfrequenz auf 4 MHz (gegenüber 2,5 MHz bei der Grundreihe UB880). Die Bedeutung liegt hierbei einerseits in der Erhöhung der Rechengeschwindigkeit und des Datendurchsatzes; andererseits ergibt sich aber auch die Möglichkeit der Nutzung der Peripheriebausteine des UA880-Systems in neuentwickelten schnelleren Prozessorsystemen, z. B. im bereits genannten System U8000. Die Familie VB880 hat einen auf —25 bis 85 °C erweiterten Temperaturbereich. Das ist insbesondere bei Anwendungsfällen mit höheren klimatischen Forderungen von Bedeutung, wie z. B. beim mobilen Einsatz des Mikrorechners.

Eine große und in Zukunft noch stark zunehmende Rolle spielt auch die Anwendung der CMOS-Technologie. Mit ihr läßt sich aufgrund des Einsatzes komplementärer Transistoranordnungen (n- und p-leitend, damit Stromfluß nur im Schaltmoment) eine sehr geringe Leistungsaufnahme erreichen. Sie erfordert aber auch einen höheren Integrationsaufwand wegen der größeren Anzahl von eingesetzten Transistorelementen je Funktionselement. Ihre Bedeutung liegt einerseits in der erreichbaren geringen Stromaufnahme von Bauelementen (z. B. CMOS-Speicher für Stand-by-Betrieb oder auch ganze Rechneranordnungen in CMOS-Technologie); andererseits bietet sie für perspektivische Bauelemente die Möglichkeit der Realisierung höherer Integrationsgrade und größerer Geschwindigkeiten, während bei den herkömmlichen MOS-Technologien die Verlustleistung auf dem Chip begrenzend wirkte.

Einen dritten Schwerpunkt bei der weiteren Entwicklung der Mikroprozessortechnik stellt die Unterbringung vollständiger Rechnerstrukturen auf einem Halbleiterchip dar. Diese als Einchipmikrorechner bezeichneten Bauelemente enthalten neben der CPU-Funktion einen Programm- und Datenspeicher, Eingabe-/Ausgabeleitungen und häufig weitere periphere Sonderfunktionen. Bei diesen Einchiprechnern sind 8-Bit-Strukturen gebräuchlich. Aber auch Einchipmikrorechner mit 4-Bit-Verarbeitungsbreite werden für einfache Steuerungsaufgaben angewendet (Einsatzgebiet sind hauptsächlich Konsumgüter). Diese sind dann wegen des relativ geringen Integrationsaufwandes fast immer in einer CMOS-Technologie ausgeführt.

Die integrierten Schaltungen U881 und U882 (sowie weitere Ableittypen) stellen eine Familie von 8-Bit-Einchipmikrorechnern dar. Sie sind funktionell kompatibel zu der international verbreiteten Familie Z8 (Firma Zilog/USA). Ihr Aufbau, ihre Anwendung und Applikation soll in den folgenden Abschnitten ausführlich dargestellt werden. Alle Typen der genannten Einchipmikrorechnerfamilie werden in einer verbesserten n-Kanal-Silicon-Gate-MOS-Technologie hergestellt. An dieser Stelle sei außerdem noch vermerkt, daß die betrachteten 8-Bit-Einchiprechner aufgrund ihrer internen Struktur und der sich daraus ergebenden Spezifik weder hard- noch software-mäßig kompatibel zu dem Mikroprozessorsystem U880 sind.

1.2. Technisch-ökonomische Faktoren beim Einsatz von Mikrorechnern

Die Klassifizierung von Mikrorechnern kann nach unterschiedlichen Aspekten erfolgen. Hierbei ist eine Unterscheidung nach den Anwendungsgebieten recht problematisch, da sie in den unterschiedlichsten Formen immer mehr Einsatzgebiete erobern.

Bei Konsumgütern ist die Verwendung von überschaubaren Rechnerkonfigurationen, die aus Gründen der Ökonomie meist auf nur einer Leiterkarte untergebracht werden, typisch. Deshalb kommen häufig Minimalsysteme mit dem Mikroprozessorsystem U880 (z. B. bei Schachcomputern, Heimcomputern) oder Einchipmikrorechner (z. B. Programmeinheit für elektronischen Waschvollautomat) zum Einsatz. Auf dem Gebiet der Datenverarbeitung werden Mikrorechner mit guten Eigenschaften in bezug auf die Rechenleistung, große Speicherbaugruppen und Anschlußmöglichkeiten von Standardgeräten (Drucker, Terminals, Massenspeicher) benötigt. Typisch hierfür ist der mit dem System U880 ausgerüstete Bürocomputer A5120 (VEB Kombinat Robotron). Mikrorechner finden aber auch Eingang in o. g. Standardgeräte. Bei diesen Lösungen stehen dann wieder Baugröße und ökonomische Parameter im Vordergrund. Deshalb erfolgt auch hierbei oft die Anwendung der Einchiprnikrorechner (Beispiele: Thermostreifendrucker, Tischrechner).

Besonderheiten von Mikrorechnerlösungen in der Automatisierungs- und Steuerungstechnik bestehen hauptsächlich in der Gestaltung der Schnittstellen zur Anlage (prozeßnahe Schnittstellen). Aufgrund der großen volkswirtschaftlichen Bedeutung dieses Anwendungsgebietes ist die Palette der Rechnerkonfigurationen sehr breit. Sie reicht von einfach zu programmierenden Rechnern, die neuerdings auch häufig durch die Einchipmikrorechner realisiert werden (z. B. im Rationalisierungsmittelbau und zur Datenvorverdichtung vor Ort in großen Anlagen), bis hin zu modular aufgebauten Mehrrechnerkonfigurationen (Beispiele: Werkzeugmaschinensteuerungen Steuerung und Überwachung von Energieanlagen). Aber auch in anderen Bereichen der Volkswirtschaft finden Mikrorechner in den verschiedensten Konfigurationen immer größere Einsatzgebiete (z: B. Landwirtschaft: Bordcomputer auf Mähdreschern zur Reduzierung von Ernteverlusten; Verkehrswesen: Fahrkartenautomaten Platzreservierungssysteme, Bordcomputer auf Triebwagen zur Energieeinsparung; u. a. m.).

Eine andere Unterscheidungsmöglichkeit von Mikrorechnern ist die Betrachtung ihrer Konfiguration. Realisierungsvarianten sind hierbei Einplatinenrechner (wobei neben dem Rechner weitere Gerätefunktionen auf der Leiterkarte untergebracht sein können) und modulare, d. h. aus mehreren Steckeinheiten aufgebaute Mikrorechnersysteme. Letztere können eine sehr hohe Leistungsfähigkeit erreichen, insbesondere wenn hierarchische Rechnerstrukturen oder multimasterfähige Mehrrechnerkonfigurationen konzipiert werden. Für diese Mikrorechnersysteme kommt wegen des allgemein großen Systemumfangs (hohe Forderungen an die CPU-Leistung, große Speicherbaugruppen, viele und unterschiedliche Peripheriefunktionen) nur die Anwendung flexibler Mikroprozessorsysteme (z. B. U880, U8000 oder 8086) in Frage. In einigen Baugruppen solcher Mikrorechnermodulsysteme werden wiederum oft eigenständige Mikrorechnerlösungen. (als Peripheriecontroller, zur Datenvorverdichtung, zur Entlastung des Hauptprozessors von Routineaufgaben, als schnelle Zusatzarithmetik, u. a.) eingesetzt. Diese Einsatzfälle haben mit den Einplatinenrechnern Gemeinsamkeiten in bezug auf die beschränkte Baugröße und den Ausstattungsumfang. Bei beiden ist der wahlweise Einsatz von Standardrechneranordnungen (z. B. Minimalkonfiguration auf Basis des Prozessorsystems U880) oder von Einchipmikrorechnern möglich. Nachfolgend sollen hierzu einige prinzipielle Unterschiede und damit Entscheidungskriterien angeführt werden.

Ein Hauptaspekt der maßgebend zur Entwicklung von Mikrorechnern auf einem Chip geführt hat, ist die Höhe der Hardwarekosten bei der Anwenderlösung. Natürlicherweise liegen diese beim Einsatz von Einchipmikrorechnern wesentlich niedriger als bei konventionellen Rechnern. Der Integrationsgrad des U881 liegt abhängig von der ROM-Belegung in der Größenordnung von mehreren zehntausend Transistorfunktionen. Zum Betrieb von Einchiprechnern werden außer einigen passiven Bauelementen (Schwingelement, Reset-Beschaltung, Stützkondensatoren) meist keine weiteren aktiven Bauelemente benötigt. Daraus ergibt sich als zweiter Hauptaspekt für den Einsatz der Einchipmikrorechner die erreichbare Baugröße der Anwenderlösung sowie damit verbundene Aspekte wie u. a.

Die fehlende Kompatibilität der Familie U881/U882 zum Mikroprozessorsystem U880 kann beim Übergang von Lösungen mit Standardrechneranordnungen (Basis U880) zum Einsatz von Einchipmikrorechnern eine Rolle spielen. Insbesondere die entstehenden Softwarekosten sind hierbei zu berücksichtigen. Der Aspekt Software kann weiterhin bei der Anwendung von Standardsoftware, Betriebssystemen und höheren Programmiersprachen von Bedeutung sein. Insbesondere auch deshalb, weil für die weitverbreiteten Mikroprozessorsysteme mehr verallgemeinerungsfähige Programme vorliegen.

Bei Anwendungsfällen mit Forderungen nach bestimmten Merkmalen der Rechnerleistung (z. B. schnelle Arithmetik, große Verarbeitungsbreite, DMA-Funktionen, standardisierter Busanschluß) sind Einchipmikrorechner häufig überfordert. Hier sind dann entsprechend den geforderten Parametern die Standardsysteme anzupassen

(z. B. U8000-Minimalsystem für Arithmetikaufgaben o. ä.) oder es sind Spezialprozessoren anzuwenden (z. B. Arithmetikprozessor).

Abschließend sollen noch einige Eigenschaften genannt werden, die erst durch die Entwicklung der Einchipmikrorechner möglich wurden. Die Unterbringung des Schreib-/Lesespeichers zusammen mit der CPU auf einem Chip gestattete die Realisierung einer sog. Registerfile. Das bedeutet, daß der Austausch von Daten direkt zwischen der Arithmetik-Logik-Einheit (ALU) der CPU und den Zellen des Schreib-! Lesespeichers vorgenommen werden kann. Der sonst in Mikroprozessoren übliche Akkumulator ist nicht mehr nötig. Jede Registerzelle kann somit die Akkumulatorfunktion übernehmen und sowohl Quelle als auch Ziel von Operationen sein. Der Datendurchsatz ist wegen der nicht mehr notwendigen Datentransfere zwischen CPU und Speicher wesentlich höher. In gleicher Weise ist die Einbeziehung der PeripheriePorts in die Registerfile (memory-mapped I/O) zu bewerten.

Die Konzeption des Interruptsystems auf einem Chip erfordert nicht mehr die Implementierung komplizierter Prioritätssysteme (z. B. daisy chain des Prozessorsystems U880), da softwaremäßig über ein 8-Bit-Register auf alle Interruptquellen gleichzeitig Einfluß genommen — und damit auch ihre Priorität festgelegt — werden kann. Alternativ zur vektorierten Interruptbearbeitung kann auch durch Lesen eines einzigen Registers der Interruptforderer ermittelt werden (Interrupt-Polling).

Die Wait-Funktion herkömmlicher Mikroprozessoren wird bei den Einchiprechnern nicht mehr benötigt, da der interne Speicher naturgemäß den gestellten Forderungen genügt. Bei notwendigen externen Speichererweiterungen kann über ein Steuerregister eine Verlängerung der Zugriffszeit in diesen externen Speicherzyklen programmiert werden.

1.3. Typenübersicht zu den ⁸-Bit-Einchipmikrorechnern

Die Typen U881 und U882 stellen die Grundtypen der betrachteten Einchipmikrorechnerfamilie dar. Sie sind kompatibel zu den internationalen Vergleichstypen Z8601 und Z8602 (Firma Zilog/USA). Zwischen den beiden Grundtypen existieren folgende

Unterschiede:

• der U881 besitzt ein 40poliges DIL-Gehäuse; er hat einen On-chip-Programmspeicher mit 2 KByte

• der U882 ist in einem 64poligen QUIL-Gehäuse (anschlußkompatibel zur Fassung des Z8602) untergebracht; sein “interner“ 2-KByte-Programmspeichermuß über ein zusätzlich vorhandenes Speicherport außen realisiert werden; darüber hinaus werden weitere Statussignale nach außen geführt.

Der U882 kann damit als sog. Entwicklungsversion immer dann eingesetzt werden, wenn der Einsatzfall die Herstellung eines maskenprogrammierten Einchiprechners nicht gestattet (zu geringe Stückzahlen, Programm nicht ausgetestet). Eine 40polige Entwicklungsversion (analog Z8603) mit aufgesetzter 24poliger EPROM-Fassung (Piggy-back-Gehäuse) ist nicht Bestandteil der Familie U881/U882. Die genaue Beschreibung der beiden Grundtypen U881/U882 erfolgt im Abschnitt 2.

Der U883 stellt einen maskenprogrammierten Einchiprechner U881 dar, dessen Programmspeicher sowohl einen Bootstrap-Lader (zum externen Programmspeicher) als auch einen BASIC-Interpreter (erweiterter Tiny-BASIC-Dialekt) enthält. Das Bauelement stellt damit eine allgemein nutzbare Version der Einchipmikrorechner dar, bei der ebenfalls wie beim U882 keine Mindermengenbeschränkungen vorhanden sind. Die Version U884 entspricht im wesentlichen dem Grundtyp U882, bis auf die Vergrößerung des außen verfügbaren “internen“ Programmspeichers auf 4 KByte. Der U884 ist kompatibel zum Vergleichstyp Z8612.

Tafel 1.1. Typenübersicht zu den 8-Bit-Einchipmikrorechnern der Familie U881/U882

Typ	Taktfrequenz
	f = 8 MHz f = 5 MHz f = 3,6 MHz
Interner ROM, maskenprogrammiert	UB8810D UD8810D
Interner ROM, maskenprogrammiert, power down	UB8811D UD8811D
Entwicklungsversion, Speicherport mit 2 KByte	UB8820M UC8820M UD8820M
Entwicklungsversion, Speicherport mit 2 Kbyte, power down	UB8821M UC8821M UD8821M
Mit Basic-Interpreter	UB8830D UC8830D UD8830D
Mit Basic-Interpreter, power down	UB8831D UC8831D UD8831D
Entwicklungsversion, Speicherport mit 4 KByte	UB8840M UC8840M UD8840M
Entwicklungsversion, Speicherport mit 4 Kbyte, power down	UB8841M UC8841M UD8841M
ROM-lose Version	UB8860D UC8860D UD8860D
ROM-lose Version, power down	UB8861D UC8861D UD8861D

Tafel 1.2. Vergleich des Einchipmikrorechners U881 mit Einchiprechnern anderer Hersteller
Eigenschaften	U881, (mme) i8051 (Intel) MC6801 (Motorola)
Interner ROM	2 KByte 4 KByte 2 Kbyte
Allgemeine Register	124 128 128
Spezialregister Status/Steuerung Ports	16 16 17 4 4 4
Eingabe/Ausgabe Eingänge/Ausgänge Handshake	32 32 29 an 3 Ports — an 1 Port
Interrupts (Quellen)	8 5 7
Externer Speicher	124 KByte 124 KByte 64 KByte
Stack Stackpointer intern extern	16 Bit 8 Bit 16 Bit ja ja ja ja nein ja
Zähler/Zeitgeber Zähler Vorteiler	2 (8 Bit) 2 (8/16 Bit) 1(16 Bit) 2 (6 Bit) 2 (5/0 Bit) —
Serielle Schnittstelle mit	62,5 kBaud 187,5 kBaud 62,5 kBaud
Indexregister	(124) 1 1
Abarbeitungsgeschwindigkeit mittlere längster Befehl	2,2 µs 1,5 µs 3,9 µs 4,25 µs 4 µs 10 µs
Taktfrequenz	8 MHz 12 MHz 4 MHz