Stfw.RuПри построении современных МПС используют, в основном, «следующие принципы: микропрограммное управление, модульность построения, магистральный обмен информацией, наращиваемость вычислительной мощности.
Микропрограммное управление. Классическое вычислительное устройство состоит из арифметического устройства (АУ), устройства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и устройства в во да-вывода (УВВ); АУ и УУ образуют процессор любой ЭВМ, т. е. ее управляющую и обрабатывающую части. УУ вы-рабатывает сигналы, под действием которых АУ выполняет все необходимые операции и действия. Существуют два метода построения УУ: с использованием комбинационных схем и микропрограммного ЗУ. В первом случае каждое входное воздействие »а УУ жестко связано с выходным и их изменения возможны только при изменении электрической схемы УУ. Поскольку входное воздействие - это команда МП, то использование такого метода жестко фиксирует его систему команд; при этом достигается максимальное быстродействие УУ. Микропроцессоры, использующие комбинационные УУ, называют МП с фиксированным набором команд. Примером такого МП является КР580ИК80.
В соответствии с микропрограммным принципом управления любая сложная операция делится на последовательность более простых действий. Такое простое действие называется микрооперацией и выполняется за один такт работы АУ. Для задания очередности следования микроопераций вводятся специальные переменные, называемые логическими условиями. Совокупность микроопераций, выполняемых за один цикл (несколько тактов) работы устройства, называется микрокомандой (МК). Микрокоманда представляет собой двоичное я-разрядное слово, содержащее код операции (КОП), выполняемой АУ, а также коды адресов исходных данных и результата. Микрокоманда поступает на вход АУ, которое дешифрует ее и вырабатывает управляющие сигналы. Эти сигналы стробируются импульсами внутреннего блока синхрони-зации, который формирует временные такты выполнения микроопераций. Микрооперации жестко связаны со структурой АУ и не могут быть изменены.
После выполнения действия, определенного КОП, АУ информирует об окончании выполнения микрокоманды. Каждому АУ присущ только свой, конкретный набор МК, который называется системой микрокоманд.
Устройство, предназначенное для записи, хранения и считывания МК называется микропрограммным устройством управления (МУУ). В простейшем случае МУУ представляет собой БИС ПЗУ «ли ППЗУ, в которой записаны МК- Для считывания этих МК необходимо устройство формирования адреса, например счетчик. Любую операцию можно представить последовательностью МК (микропрограммой). Необходимо отметить два основных отличия микропрограммного управления от жесткого: смена выполняемой операции обеспечивается заменой микропрограммы; при считывании каждой МК требуется обращение к ПЗУ, что снижает быстродействие УУ. Итак, микропрограммное управление заменяет аппаратные средства программными и обеспечивает высокую гибкость, но при снижении быстродействия.
Минрокомандный уровень управления АУ является самым низким уровнем, доступным разработчику МПУ. Микрокоманда наиболее полно отражает структуру АУ, в силу чего реализация операций с помощью микропрограмм является оптимальной в смысле экономии памяти и повышения быстродействия. Наряду с этим МК представляет собой достаточно мелкую детализацию выполняемой операции, например «обнулить регистр», «содержимое регистра переслать в аккумулятор» и т. д. Поэтому для программирования сложных алгоритмов, которыми являются алгоритмы обработки сигналов, потребовалось бы составить микропрограммы, содержащие сотни, тысячи микрокоманд. Отладить такую микропрограмму очень сложно.
Для повышения уровня детализации выполняемой операции вводится командный уровень управления. Символом этого уровня является команда, которая представляет собой (как и микрокоманда) m-разрядное двоичное слово (обычно m
1.1. Структурная схема микропрограммного устройства управления
Структурная схема МУУ изображена на рис. 1.1. Команда, считанная из ЗУ, поступает на .регистр команд и далее на блок управления. В соответствии с принятыми сигналами блок управления формирует адрес первой МК микропрограммы, соответствующей принятой команде. Этот адрес через регистр поступает в ЗУ МК. Считанная из ЗУ МК состоит из двух частей: операционной (или собственно микрокоманды, которая поступает на АУ) и адресной, которая поступает на блок управления. Приняв адресную часть МК, блок управления формирует адрес следующей МК. Виовь считанная МК имеет свою адресную часть, которая поступает на блок управления. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет считана последняя МК данной программы. После этого МУУ готово к приему следующей команды. Длина микропрограммы определяется разрядностью кода адреса следующей МК. В табл. 1.1 приведены типовые команды процессора, выполненного на микросхемах серии К589, и число МК, содержащихся в этих командах [4, 6].
Доля МК обращения к ЗУ составляет 20 - 40%, это дает возможность работать нескольким МП с общей памятью без взаимных помех.
Итак, использование микропрограммного управления при построении МПУ обработки сигналов позволяет разрабатывать системы команд и языки, ориентированные на структуру реализуемых алгоритмов, повышать быстродействие за счет параллельной работы нескольких микропроцессоров с общей памятью.
Таблица 1.1
Содержание команды Число МК Содержание команды Число МК
Сложение 20 Возврат 5
Вычитание 21 Переход 7
Деление 35 Сдвиг влево 2
Умножение 34 Сдвиг вправо 3
Модульный принцип построения. Этот принцип предполагает разделение электрической схемы МПУ на функционально завершенные модули. Исходя из классической схемы вычислительногоустройства, любое МПУ должно включать как минимум микропроцессор, ЗУ и УВВ. Конструкция модуля представляет собой либо функциональную ячейку (ФЯ) (см. § 2.3), либо микросборку (МСБ), либо СБИС. Современные модули МПУ чаще всего выполняются в виде ФЯ. Приведенный выше состав модулей позволяет построить универсальное МПУ. При решении вопроса о функциональном составе модулей МПУ необходимо учитывать много-функциональность (универсальность) и специализацию модулей. Повышение универсальности модулей обеспечивает сокращение их. номенклатуры, снижение затрат на проектирование. Специализация модулей является средством достижения соответствия структуры МПУ выполняемым алгоритмам и тем самым повышения быстродействия, а следовательно, и эффективности применений1 МПУ в РЭА.
Модульный принцип конструирования МПС дает возможность, разработчику выбирать только необходимые ему модули и постепенно наращивать функциональные возможности МПУ. Иногда при проектировании МПУ, реализующих конкретные алгоритмы, для обеспечения требуемых характеристик достаточно небольшой фрагмент алгоритма реализовать аппаратно. Конструирование специального модуля или БИС для реализации такого фрагмента может оказаться неоправданно дорогим. Целесообразно на модуле МП установить специальный соединитель для подключения малых модулей, реализующих конкретные функции. Такой подход был реализован в микромодульных платах iSBX [3].
Для расширения функциональных возможностей одноплатной микро-ЭВМ разработаны три модуля: последовательного вводавывода iSBXx25i, параллельного ввода-вывода iSВХх350 и арифметического процессора с плавающей точкой iSВX332. Применение таких модулей увеличивает гибкость одноплатной микро-ЭВМ. Для обеспечения аппаратной специализации системы разработана переходная плата iSBXyx960=5, содержащая пять гнезд шины iSBX, к которым разработчик может подключать специальные аппаратные модули.
Модульный принцип построения позволяет повысить эффективность применения МПС для конкретных задач. Это достигается выбором типа и числа модулей, учитывающих особенности решаемого алгоритма. Например, микро-ЭВМ «Электроника С5-12» в минимальной конфигурации представляет собой микропроцессор, содержащий ПЗУ емкостью 1КХ32 и ОЗУ емкостью 128X16. Микро-ЭВМ может использоваться совместно с модулями «Электроника С5-121» - АЦП (число каналов 115, время преобразования 10 мс, погрешность 0,4%), «Электроника С5-125» - модуль внешнего ОЗУ емкостью 8К байт, «Электроника C5-I123» - модуль сопряжения с устройством ввода-вывода и некоторыми другими.
Комбинируя модули, можно получать вычислительные средства различного назначения. Приведем некоторые из них: микро-ЭВМ+ +ОЗУ - минимальная конфигурация одноплатной микро-ЭВМ с относительно большим объемом памяти, микро-ЭВМ + АЦП - применяется в измерительных приборах, цифровых следящих системах.
Магистральный принцип обмена информацией. Некоторые выводы МПС должны соединяться с различными внешними устройствами. Это обеспечивается объединением выводов МПС в магистрали (шины) и мультиплексированием во времени обмена информацией между модулями. Весь информационный поток, циркулирующий в МПС, обычно разбивается на три группы: адреса, дан-яые и управление. В соответствии с этим выделяют шину данных, шину адресов и управляющую шину. Применяя последовательно временное мультиплексирование, можно построить МПС с трех-, двух- и однотипной структурой.
При выборе структуры МПУ необходимо учитывать следующее: при уменьшении числа шин увеличивается площадь кристалла или модуля, отводимая под функциональные элементы, и тем самым повышаются функциональные возможности МПС. Вместе с тем применение временного мультиплексирования обмена информацией приводит к снижению быстродействия и необходимости использования дополнительных буферных регистров.
В некоторый период времени только два устройства могут быть одновременно подключены к шине. Одно из них - ведущее, другое - ведомое. Ведущим устройством обычно является МП. При обмене информацией между МП и ведомым остальные устройства, подключенные к шине, не должны им мешать. Такое раздельное использование шины достигается различными способами подключения к ней выводов устройств. Известны три способа подключения: логическое объединение, объединение с помощью схем с открытым коллектором и объединение с использованием схем с тремя состояниями [4].
Логическое объединение выполняется с помощью логических схем ИЛИ, И (рис. 1.2,а). На входы логических вентилей поступают информационные сигналы И1 - И4. Подключением этих сигналов к шине управляют сигналы У1 - У4, схема формирования которых приведена на рис. 1.2,6. На вход схемы поступают два адресных сигнала: Al и А2. Схема формирует четыре взаимоисключающих управляющих сигнала У1 - У4. (Вместо этой схемы может быть использован любой дешифратор типа 1 из и на два входа и более. Максимальное число подключаемых устройств определяется числом входов логического элемента ИЛИ.
Объединение с помощью схем с открытым коллектором предполагает электрическое соединение выходов нескольких логических элементов, как это показано на рис. 1.2,в. В схемах с открытым коллектором отсутствует .нагрузочный резистор. Выходы схем с открытым коллектором объединены с использованием общего нагрузочного резистора RK. Выходной сигнал равен 0, если сигнал на любом из объединенных выходов равен 0, и 1, если сигналы на всех объединенных выходах равны 1. По аналогии с реализуемой логической функцией такой способ подключения называют «монтажным ИЛИ», или «монтажным И». При поступлении на вход управляющего сигнала 1, на выходе схемы ИЛИ появляется 1 (независимо от значения информационного сигнала И); в результате общий выходной сигнал не меняется. При (низком уровне управляющего сигнала сигнал на выходе схемы ИЛИ равен информационному. Итак, если один управляющий сигнал равен 0, а ос-тальные II, то общий выходной сигнал повторяет значение информационного входа схемы ИЛИ, имеющей низкое значение сигнала управления.
Для подключения устройств к шине с использованием схем с открытым коллектором требуется меньшее число логических элементов, чем при логическом объединении. Однако шины на схемах с открытым коллектором (как и шины с логическим объединением) имеют ограниченное применение. В основном, это обус-ловлено следующими причинами:
1. Значение выходного тока стандартной управляющей схемы, выполненной по ТТЛ-технологии, около 20 мА. Поэтому с помощью «монтажного ИЛИ» можно объединить сравнительно немного (не более 20) схем с открытым коллектором.
1.2. Структурные схемы подключения выходов нескольких микросхем к общей шине:
а - логическое объединение сигналов; б - схема формирования управляющих сигналов; в - подключение с помощью схем с открытым коллектором; г - подключение с помощью схем с тремя состояниями
2. Нагрузочный резистор занимает место на плате и потребляет около 1 мА, когда шина находится в рабочем состоянии. Наличие этого тока еще больше снижает уровень сигнала в шине.
Объединение с использованием схем с тремя состояниями свободно от недостатков, присущих рассмотренным выше способам. На рис. 1.2,г нагрузочными являются транзисторы VT1 и VT3. На входы транзисторов подаются управляющие и информационные сигналы. Каждая пара транзисторов управляет подключением одного устройства. При подключении устройства к шине транзисторной парой управляет информационный сигнал. Например, при подаче лог. 1 на VT1 и лог. 0 на VT2 транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт; на шине - лог. 1. Если на VT1 подается 0, а на VT2 1, то на шине - лог. 0. Одновременно значение управляющего сигнала на входах транзисторов VT3, VT4 равно 0. Оба транзистора закрыты, и схема находится в третьем устойчивом состояния: «цепь разомкнута». В этом состоянии через схему протекает очень маленький ток. Шины с тремя состояними имеют следующие преимущества:
схема в состоянии «цепь разомкнута» потребляет ток не более 0,4 мА (схема с открытым коллектором около 2 мА), поэтому в схемах с тремя состояниями можно объединить гораздо больше выходов (до 50);
не требуется дополнительных логических схем. Микропроцессорные БИС имеют буферные схемы с тремя состояниями внутри кристалла, для этого предусматривается дополнительный вывод;
нет необходимости использовать нагрузочный резистор.
При разработке МПУ логическое объединение и объединение с помощью схем с открытым коллектором используются обычно при организации внутренних шин МП, модулей ОЗУ, ПЗУ и др. При организации внешних по отношению к МП шин обычно используются схемы с тремя состояниями.
Наращиваемость вычислительной мощности МП С. Основным отличием МПС от других изделий вычислительной техники является реализация их в виде одной или нескольких БИС. Современные уровни развития полупроводниковой технологии и материаловедения позволяют производить БИС на кристаллах площадью» до 50 мм2. Небольшая площадь кристалла приводит к необходимости расчленения МПУ на отдельные БИС. Факторами, ограничивающими функциональную сложность этих БИС, являются число выводов и потребляемая мощность. Последний фактор особенно важен для .быстродействующих МП БИС, выполненных по биполярной технологии.
Современные МПК БИС включают несколько десятков БИС различного назначения. Разрядность МП БИС обычно составляет 4, 8, реже 16 бит. Микропроцессорные БИС с ограниченной разрядностью называются секционированными. Обеспечение требуемой разрядности проектируемых МПУ достигается путем объ-единения необходимого числа БИС. При этом обычно не требуется дополнительных аппаратных затрат, достаточно только объединить соответствующие выводы и цепи сигналов переноса. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в § 1.2. Детальный анализ проблем построения различных МПС на секционированном МПК БИС Ат2900 рассмотрен в [5].
Таким образом, основные принципы построения МПС: микропрограммное управление, модульность построения, магистралыклй обмен информацией и наращиваемость вычислительной мощности позволяют разрабатывать МПУ, структура, система команд, быстродействие и разрядность которых учитывают особенности реализуемых алгоритмов.
