Особенности проектирования и программирования микроэвм на секционированных микропроцессорных больших интегральных схемах
|
Скачать 0.87 Mb.
|
9.1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОЭВМ НА БАЗЕ СЕКЦИОНИРОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ Микропрограммный принцип управления. Основное отличие микропроцессорных систем, построенных на базе секционированных микропроцессов (МП), от микропроцессорных систем, построенных на базе однокристальных МП, заключается в применении микропрограммного способа управления. Рассмотрим этот способ подробно. В однокристальных МП дешифрирование кода команды производят внутренние логические схемы, которые вырабатывают управляющие сигналы, организующие выполнение команды. Поэтому система команд однокристального МП фиксирована и задается при разработке кристалла. В секционированных МП дешифрирование кода команды и выработка управляющих сигналов производятся отдельным устройством—микропрограммным устройством управления (УУ), которое содержит, как правило, постоянное запоминающее устройство микропрограмм (ПЗУМП); в нем каждая команда представлена в виде микропрограммы, реализующей выполнение команды [57]. Таким образом, в секционированных МП дешифрирование кода команды и выработка управляющих сигналов производятся не внутренними логическими схемами, а специальным УУ под управлением микропрограммы, хранимой в ПЗУМП. В результате этого в МП-системе, построенной на базе секционированного МП, существует два уровня программирования: командный, на котором пользователь пишет программы, и микрокомандный, микропрограммы которого составляет разработчик системы. В общем случае пользователь может и не знать, как реализуется та или иная команда, хотя при необходимости может изменить содержимое ПЗУМП, вводя новую команду или модифицируя уже имеющуюся. Из вышесказанного следует, что программирование систем на базе микропрограммных секционированных МП с точки зрения пользователя имеет более широкие возможности вследствие того, что система команд может быть дополнена или изменена в зависимости от конкретного применения. С  уществуют также микропрограммные системы, в которых отсутствует командный уровень, а программирование ведется на уровне микрокоманд. Это позволяет составлять программы, обладающие наибольшей эффективностью, и получать максимальное быстродействие системы. Недостатком данного способа программирования является его сложность и трудоемкость, однако к нему зачастую приходится обращаться при построении систем, работающих в реальном времени. Наиболее полно возможности микропрограммной системы раскрываются лишь для пользователя, знакомого с архитектурой и схемотехникой МП-системы, поэтому имеет смысл подробно рассмотреть архитектуру и схемотехнику микропрограммной микроЭВМ, построенной на базе секционированного МП-комплекта серии К589. Структурная схема микроЭВМ. Схема микроЭВМ, реализованной в лабораторном стенде МП 589 на основе микропроцессорных БИС серии К589, представлена на рис. 9.1. МикроЭВМ состоит из операционного блока ОБ, устройства управления УУ, образующих в совокупности микропроцессор (МП), блока оперативного запоминающего устройства ОЗУ, клавиатуры Кл, задающей режим работы микроЭВМ, клавиатуры КД для ввода шестнадцатеричных кодов исходных данных и рабочих программ и светодиодов индикации. МикроЭВМ синхронизируется импульсами CLK генератора синхронизирующих импульсов ГСИ, входящего в состав УУ. Магистрали для обмена информацией с внешними устройствами выполнены с учетом возможностей микропроцессорных БИС, на которых реализован ОБ. В МПК, серии К589 предусмотрена возможность формирования четырех магистралей: В, D, А, М. В рассматриваемой микроЭВМ магистраль В (ВО — В7) используется для считывания кодов шестнадцатеричной клавиатуры данных. Магистраль D (DO—D7) используется для обмена информацией между выход-дом ОБ, возможными внешними устройствами (ВУ) и входами ОЗУ. Магистраль А (АО — А7) формирует адрес ВУ, к которому обращается МП, или адрес ОЗУ. Магистраль М (МО — М7) обеспечивает передачу информации ОЗУ в ОБ и УУ. Светодиодные индикаторы отражают коды, передаваемые по магистралям микроЭВМ А, D, М. Для программного формирования кодов шестнадцатеричной клавиатуры используются в качестве входных сигналов коды адресной магистрали АО, Al, A2, A3. Выходы клавиатуры КД подключены к шинам магистрали ВО, Bl, B2, ВЗ. Клавиатура Кл режимов формирует управляющие сигналы УС для УУ, в соответствии с которыми микроЭВМ переходит в один из восьми предусмотренных режимов работы. В микроЭВМ реализовано УУ с микропрограммной реализацией команд. При этом каждая команда представляется как последовательность микрокоманд. Микрокоманды выполняются с частотой поступления синхросигналов CLK. В процессе исполнения микрокоманды ОБ выполняет одну из предусмотренных его схемотехнической реализацией операций с содержимым внутренних регистров или внешних магистралей А, D, М, В в соответствии с кодом микроинструкций F, К, CI. В результате выполнения микрокоманды формируются сигналы переноса СО, ОБ, выходные коды А иВ и преобразуется содержимое внутренних регистров. Микрокоманда содержит в своем составе совокупность микроинструкций, обеспечивающих синхронную работу блоков микроЭВМ в соответствии с выполняемым действием. Например, микроинструкции СЕ, WR обеспечивают управление схемами ОЗУ в режимах записи и считывания информации. Микроинструкция IOR используется для организации синхронного обмена информацией с ВУ. С  овокупность микрокоманд, обеспечивающих выполнение системы команд, принятой для каждой конкретной реализации микроЭВМ, записывается в ПЗУ микрокоманд, входящее в состав УУ. В рассматриваемой микроЭВМ рабочая программа записывается в ОЗУ в виде последовательности команд, соответствующей алгоритму решаемой задачи. Адрес исполняемой команды фиксируется во внутренних регистрах ОБ, на которых организован программный счетчик PC. .После выполнения очередной команды содержимое PC увеличивается на единицу (при последовательном исполнении команд) и по измененному содержимому PC из ОЗУ извлекается код очередной команды, по которому выполняется последовательность микрокоманд, соответствующих считанному коду команды. Для работы с подпрограммами в микроЭВМ предусмотрена стековая память, построенная на специально отведенных для стека ячейках ОЗУ и использующая в качестве указателя стека SP внутренний регистр ОБ. При обращении к стеку в ячейку, адрес которой определяется содержимым SP, записывается адрес команды выхода из подпрограммы и содержимое SP уменьшается на единицу. При возвращении к основной программе содержимое SP увеличивается на единицу и указывает адрес ОЗУ, в котором записан адрес команды выхода из подпрограммы. Операционный блок. Представляет собой 8-разрядный блок обработки данных (рис. 9.2). Реализован ОБ на 4 БИС центрального процессорного элемента (ЦПЭ) К589ИК02 и БИС схемы ускоренного переноса (СУП) К589ИКОЗ. Операционный блок имеет входные шины: данных от внешних устройств В; данных из памяти М; кода микрокоманды F, кода маски К и выходные шины данных D и адреса А. Кроме того, ОБ имеет вход переноса CI и выход переноса СО. Синхронизация работы ОБ осуществляется сигналом CLK. Ц  ентральный процессорный элемент К589ИК02. Основой ОБ являются центральные процессорные элементы (ЦПЭ), представляющие собой 2-разрядные секции обработки данных. Поскольку ОБ обрабатывает 8-разрядные операнды, используется 4 ЦПЭ. В общем случае для построения N-разрядного ОБ требуется N/2 ЦПЭ. Таким образом, выполнение ОБ в виде массива ЦПЭ позволяет гибко варьировать разрядностью ud в зависимости от конкретной задачи: от простейших 4- и 8-разрядных контроллеров до мощных 16- и 32-разрядных ОБ мини-ЭВМ. В этом заключается одно из главных преимуществ секционированных МП перед однокристальными МП, которые не позволяют изменять разрядность обрабатываемых слов или допускают обработку слов с удвоенной разрядностью путем их последовательной обработки, т. е. с понижением быстродействия. Массив ЦПЭ выполняет следующие операции: двоичной арифметики, логические операции И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, +1, —1, сдвиг влево и вправо, проверку разрядов слова или всего слова на 0. ЦПЭ содержит: сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), состоящее из 11 регистров общего назначения (РОН); накапливающий регистр-аккумулятор (АС); регистр адреса памяти (RA); арифметико-логическое устройство (АЛУ); дешифратор ДШ микрофункций; мультиплексоры А и В. Схема центрального процессорного элемента. Центральный процессорный элемент (рис. 9.3) выполняет арифметические, логические и регистровые функции 2-разрядного микропрограммного ОБ. Данные от внешних устройств поступают в ЦПЭ по шине В, данные из ОЗУ — по шине М. Выходные данные от ЦПЭ во внешние устройства передаются по шине D, а адрес внешнего устройства или ячейки ОЗУ определяется шиной А. Внутри ЦПЭ данные хранятся в одном из 11 регистров СОЗУ или в АС. Данные от входных шин, регистров СОЗУ .или АС поступают на входы АЛУ через два внутренних мультиплексора А и В. Дополнительные входы и выходы переноса и сдвига вправо служат для организации переносов и сдвигов. Управление работой АЛУ, СОЗУ и мультиплексорами производит дешифратор ДШ микрофункций, декодирующий информацию на шине микрокоманд F. Наличие двух входных шин В и М позволяет производить ввод информации в ЦПЭ из ОЗУ и внешних устройств по разным шинам, при этом повышается быстродействие в процедурах обмена информации, кроме того, информация на шинах может подготавливаться заранее. Сверхоперативное ЗУ(СОЗУ) содержит 11 РОН, обозначенных RO — R9 и Т. Информация с выхода СОЗУ поступает через мультиплексор А на вход АЛУ, а из АЛУ, в свою очередь, на вход СОЗУ. Для запоминания результатов вычислений в ЦПЭ есть еще независимый регистр АС-аккумулятор. Выход- АС подключен через мультиплексор А ко входу АЛУ, кроме того, выход АС подключен к выходному буферу (с тремя состояниями) магистрали. Передача информации во внешние устройства и ОЗУ осуществляется через АС по магистрали D. Мультиплексоры А и В выбирают входные данные для двух входов АЛУ в зависимости от кода микрокоманды. Особенностью мультиплексора В является то, что его выходные сигналы образованы как поразрядная конъюнкция кода на шине К и выбранных информационных сигналов. Таким образам, информация на каком-либо выходе мультиплексора В зависит от кода на соответствующем входе шины К. Это позволяет производить гибкое маскирование разрядов. Арифметико-логическое устройство способно выполнять арифметические и логические операции в дополнительном коде, +1, —1, поразрядное логическое сложение и умножение, поразрядное ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ — НЕ и поразрядное логическое дополнение. Результат операции АЛУ может быть записан в АС или в одном из РОН СОЗУ. Для выполнения операции сдвига вправо выведены отдельные “Вход сдвига вправо” RI и “Выход сдвига вправо” RO. Линии входа и выхода переноса CI и СО предназначены для распространения последовательного переноса между секциями ЦПЭ. Данные на выходы СО и RO поступают через буферы с тремя состояниями (на схеме не показаны), причем разрешается выдача либо сигнала СО, либо сигнала RO, поэтому эти выходы могут быть объединены. Стандартные выходы для схем. ускоренного переноса Х и Y позволяют организовать ускоренный параллельный перенос при использовании БИС СУП. В этом случае выходы СО не нужны, а информация о значении переноса в каждую секцию ЦПЭ поступает из СУП (рис. 9.4). Маскирование входов АЛУ при помощи шины К значительно расширяет возможности АЛУ. При логических операциях выход переноса является логической сборкой по ИЛИ всех разрядов слова и позволяет фиксировать нулевое значение результата или одного из операндов. При арифметических операциях шина К используется для маскирования частей обрабатываемых слов. Кроме того, шина К необходима для передачи констант из микропрограммного УУ в ЦПЭ. О  тдельный выход АЛУ поступает на регистр адреса RA и с него через выходной буфер с тремя состояниями на шину А. Таким образом, для задания адреса внешнего устройства или ячейки ОЗУ заносят информацию в RA. Описание функционирования ЦПЭ. На вход F ЦПЭ поступает микрокоманда, которая дешифрируется. Мультиплексоры выбирают операнды, и АЛУ производит заданную операцию. По отрицательному фронту сигнала синхронизации CLK результат операции заносится либо в АС, либо в СОЗУ, либо в RA. После поступления положительного фронта сигнала CLK может быть подана новая микрокоманда. Необходимо отметить, что цепи выработки сигналов переноса СО, сдвига вправо RO и ускоренного переноса не стробируются сигналом CLK, что позволяет проверить содержимое регистров или определить наличие переноса при выполнении арифметической операции (например, переполнение разрядной сетки при сложении) без выполнения самой операции или изменения содержимого регистров. Проверка осуществляется с помощью запрета импульса синхронизации CLK в данном такте на управляющий вход ЦПЭ. При этом АЛУ выполняет заданную в микрокоманде операцию и выдает сигнал переноса, но результат операции в регистры не заносится. Этот метод получил название условной синхронизации и заключается в стробировании сигнала синхронизации CLK одним из разрядов микрокоманды. Содержание выполняемой микрокоманды определяется функциональной F- и регистровой R-группами кода микрокоманды, подаваемой на вход F ЦПЭ. При этом три разряда F-группы определяют выполняемую функцию, а четыре разряда R-группы — источник или приемник информации, т. е. регистр СОЗУ или AC. R-rpynna 1 включает в себя регистры RO — R9, Т и АС и обозначается символом Rn. R-группа 2 и R-rpynna 3 — регистры Т и АС и обозначаются AT. Формат и кодировка F- и R-групп приведены в табл. 9.1. Таблица 9.1
Окончание таблицы 9.1
В табл. 9.2 приведены микроинструкции ЦПЭ, в табл. 9.3 микроинструкции даны для случаев, когда все разряды шины К равны О или 1. Мнемоника каждой микроинструкции приведена для справки и используется для краткой записи при составлении микропрограмм. При описании микрооперации применяют следующие символы: В, К, М—данные соответственно на шинах В, К, М; CI, RI— данные на входах переноса и сдвига вправо; СО, RO—данные на выходах переноса и сдвига вправо; Rn — содержимое регистра; номер п задается в соответствии с табл. 9.1 (для R-группы 1); AC— содержимое аккумулятора; AT — содержимое аккумулятора или регистра Т (для R-групп 2 и 3); RA — содержимое регистра адреса; “+”, “—”—сложение и вычитание; —логическое И; —логическое ИЛИ; — инверсия суммы по модулю 2. Таблица 9.2
В качестве примера рассмотрим F-группу 3 и R-группу 1. Из табл. 9.2 следует, что эта микроинструкция производит логическое умножение содержимого АС на данные шины К и результат складывает с содержимым регистра Rn и CI. Сумма заносится в регистр Rn. Из табл. 9.3 видно, что при значении всех разрядов шины К: К=0—выполняется микроинструкция INR, т. е. сложение CI с содержимым Rn и запись результата в Rn. Эта микроинструкция используется для увеличения содержимого Rn на 1; К=1—выполняется микроинструкция ADR, т. е. сложение содержимого АС, Rn и CI и запись результата в Rn. Эта микроинструкция используется для сложения АС и Rn. Особенность данной системы микроинструкций заключается в отсутствии непосредственной пересылки содержимого одного регистра СОЗУ в другой. Эту операцию можно выполнить в два приема, используя АС для промежуточного хранения информации регистра-источника. |
Похожие:
 |
Кафедра систем автоматизированного проектирования Сформировать системное базовое представление, первичные знания, умения и навыки студентов по основам программирования на объектно-ориентированном... |
|
Нияу мифи утверждаю Сбис нанометрового диапазона аппаратуры физического эксперимента лаборатории проектирования специализированных интегральных микросхем... |
 |
Рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Современные операционные системы Целью изучения дисциплины является подготовка студентов в области системного программирования, использования, установки, проектирования... |
|
Конкурсная документация Открытого аукциона на право заключения договора на поставку лаборатории автоматизированного проектирования, программирования и реализации... |
|
Лабораторная работа Изучение принципов функционирования простейшей микроэвм и процессора Лабораторная работа Изучение принципов функционирования простейшей микроэвм и процессора I8085A при реализации программы |
|
Санитарные и ветеринарные требования к проектированию предприятий мясной промышленности Временным нормам технологического проектирования и технико-экономических показателей предприятий мясной промышленности, отражающим... |
|
Экзаменационные вопросы по дисциплине «Инструментальные средства и технологии программирования» Понятие технологии программирования. Основные задачи технологии программирования |
|
Зачем нужен сетевой фильтр? В особенности, большинство не может обеспечить больших токов в нагрузке, которые нужны для правильного воспроизведения динамических... |
|
Мы рассмотрели, какими свойствами должны обладать языки программирования,... |
|
Конспект урока на тему «Языки программирования. Основы объектно-ориентированного... Язык программирования это формальный язык для записи алгоритмов в виде, допускающем их автоматическую подготовку к выполнению на... |
|
Краткое содержание дисциплины Изучение основ и терминологии низкоуровнего программирования и объектно-ориентированного программирования. Изучение возможностей... |
|
Подготовил Гунько А. В Предмет Web-программирования. Программирование на стороне клиента и сервера. Инструменты и технологии программирования |
|
Рабочая программа по Блочному программированию позволяет изучать... В связи с этим возникает необходимость более раннего освоения навыков программирования и развития логического мышления. Наиболее... |
|
Строительные правила и нормы водоснабжения Приложение 14 Особенности проектирования систем водоснабжения в Западно-Сибирском нефтегазовом комплексе 238 |
|
Техническое задание по теме ниокр «Создание системы автоматизированного... Уровень автоматизации процесса проектирования молниезащиты весьма низкий, цикл проектирования основывается на применении разрозненных... |
|
Курсовой проект 3 Тема, которую нам предписано Целью курсовой работы является закрепление теоретического материала, приобретение практических навыков проектирования Windows приложений... |