6.3. Микропроцессоры

В общем случае в состав МП входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок внутренних регистров, устройство управления (УУ), магистральные шины данных и ввода-вывода и устройство, осуществляющее связь МП с внеш­ними устройствами.

Арифметико-логическое устройство МП аппаратно выполняет несколько про­стейших операций: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, сло­жение по модулю 2, пересылку, сдвиг и др. Более сложные действия выполняют­ся по микропрограммам и подпрограммам. Виды операций, выполняемых АЛУ, а также состояние МП запоминаются на регистрах состояния.

Блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения (РОН), команд, адреса, стек, указатель стека, индексные регистры, счетчик команд, ре­гистр состояния, прямого доступа к памяти, накопительный регистр и т. д. Наличие внутренних регистров резко расширяет возможности АЛУ и позволяет повысить быстродействие МП. Следует заметить, что конкретные типы МП со­держат различное количество перечисленных регистров. Очень часто функции этих регистров выполняют либо РОН, либо ячейки внешней памяти или же такие функции отсутствуют вообще.

Устройство управления МП в зависимости от способа организации управле­ния может быть выполнено в одной из двух модификаций: функция управления реализуется с применением либо аппаратных средств, либо микропрограммиро­вания.

Устройство управления первого типа в зависимости от кода соответствующей команды вырабатывает последовательность сигналов, необходимую -для выпол­нения МП предписанной командой.^операции. В таком УУ обязательно наличие сложных в функциональном отношении дешифратора команд и блока формиро­вания сигналов управления. При сравнительно высоком быстродействии такая организация процесса управления имеет существенный недостаток: при необхо­димости изменения отдельных команд или введении новой требуется передел­ка УУ.

Второй способ организации процесса управления предполагает наличие спе­циального ЗУ микрокоманд, хранящего набор микропрограмм, соответствующих кодам операций. Последовательное выполнение этих микропрограмм обеспечи­вает появление необходимых сигналов управления в МП, чем достигается вы­полнение соответствующей операции. При таком варианте построения УУ изме­нение состава команд сводится к замене содержимого ЗУ микрокоманд. Однако постоянное обращение к ЗУ микрокоманд ограничивает быстродействие МП.

В различных МП используются одна, две или три внутренние шины, что существенно влияет на характеристики МП. Увеличение числа шин приводит к повышению быстродействия (появляется возможность выполнения операций за меньшее количество тактов), но при этом часть площади кристалла занимается шинами. При уменьшении числа шин операции в МП выполняются за несколько тактов и появляется необходимость в дополнительных регистрах, правда, при этом функциональные возможности МП расширяются.

Количество внешних интерфейсных шии у разных МП колеблется от одной до трех. По этим шинам передаются данные, управляющие сигналы и адреса. В зависимости от числа шин эти операции производятся за различное число тактов, что в значительной мере определяет быстродействие МП.

У МП с тремя шинами по шине данных передаются операнды ([числа, над которыми осуществляются операции) и команды.

Внешняя шина адреса МП необходима для адресации к внешней памяти и другим внешним устройствам.

По двунаправленной шине управления передаются сигналы от внешних устройств к МП и обратно. Эти сигналы могут характеризовать состояние внеш­них устройств. С помощью сигналов управления осуществляются запрос и разре­шение на прерывание, а также запись и считывание информации при работе с внешней памятью и т. п.

Структурно МП может быть выполнен в одной из двух известных модифи­каций:

с фиксированной разрядностью обрабатываемых слов и фиксированной си­стемой команд (например, МП из МПК К580);

с возможностью наращивания разрядности обрабатываемых слов (секциони­рованные МП) и микропрограммным управлением (например, МП из МПК К589).

Структура МП первого типа во многом повторяет структуру ЭВМ малой и средней производительности. Логическая структура секционированных МП с на­ращиваемой разрядностью существенно отличается от предыдущего типа МП. В таком МП операционная часть (АЛУ, регистры общего и специального на­значения, дешифратор микрокоманд и т. п.) разделена на равные части (по 2, 4, 8, 16 разрядов), которые называются секциями. Количество таких секпий за­висит от решаемых МП задач и определяется потребителем. Устройство управ-

.лёния в секционированных МП реализуется в виде отдельных интегральных микросхем.большой, средней и малой степени интеграции (например, БИС микро­программного, управления, БИС ПЗУ микрокоманд и т. п.).

. 6.4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

В составе МПК ИС можно выделить следующие основные группы инте­гральных микросхем большой степени интеграции (БИС):

БИС, на основе которых строится МП, — это так называемый базовый ком-

йлект;' ' " "-'

""' ' БИС запоминающих устройств, образующих систему памяти (микросхемы ОЗУ,^;ПЗУ, ППЗУ);

• " БЙС, осуществляющие связь между отдельными узлами вычислительного устройства: между МП и УВВ — АЦПУ, графопостроителями, дисплеями, фото­считывателями, внешними 'накопителями информации и т. п.;

БИС, используемые при создании управляющих и измерительных комплексов, которые осуществляют связь между МП н объектом, — АЦП, ЦАП, компарато­ры,- преобразователи, усилители и т. п.

Таблица 6.2. Характеристики микропроцессорных комплектов интегральных микросхем серий К580 и К589

--.		'		н 6			о m	а., >1 ГС
■ м с	Тип мик-	Функциональное назначевие	о ^Г	Щ О	«8		3
S .,'. е	росхемы	схемы	к о as	£ <и ЕГ	£5	К М	о	is и
а			и S В	л я ге	>2 °	га д.	К о	»5о
- :t"			а -Вю	И m &	С я	Ж с	ЕГе£	.HlJ
К580	К580ИК80	МП	8	0,5	0,8	5; 12; —5	48	— Ю-г- Ч-+70
	К580ИК51	Последовательный пери­ферийный адаптер	8	0,5	0,4	5	48
	К580ИК55	Параллельный перифе­рийный адаптер	8	0,5	0,35	5	48
К589	К589ИК1	Блок микропрограммно­го управления	2 п	15	1,2	5	40	—10---ь+70
	К589ИК.02	Центральный процессор­ный элемент	2 п	И	1,0	5	28
	К589ИК03	Схема ускоренного пе­реноса	8	130	0,6	5	28
	К589ИР12	Многорежимный буфер­ный регистр	8	25	0,8	5	24
	К589ИР14	Блок приоритетного прерывания	4	12,5	0,8	5
	К589АП16	Шинный формирователь	4	50	0,7	5	10
	К589АП26	Шинный формирователь с инверсией	4	6J	0,/	о	16
	К589ХЛ4	Многофункциональное	4	25	0,8	5	16
		синхронизирующее уст­ройство
	К556РТ4	ППЗУ	1К	14	0,7	5	16
	КБ56РТ5	ппзу	4К	12,5	0,8	5	24
	К556РТ6	ППЗУ	16 К	10	1,0	5	24
	К556РТ1	Электрически програм­мируемая логическая мат­рица		20	1,0	5	28

Базовый МПК ИС может состоять из одной БИС — однокристальный МП, двух БИС — двухкристальный МП, нескольких БИС — многокристальный МП.

В устройствах, осуществляющих связь между МП и УВВ, МП и ВУ (или объектом), используются так называемые контроллеры, являющиеся устройства^ ми логического управления. Они могут строиться иа базе микропроцессорных БИС и других интегральных микросхем меньшей степени интеграции.

В табл. 6.2 для иллюстрации приведены данные МПК К580 и К589, широко используемых на практике.

Следует учесть, что при построении устройств иа базе конкретного МПК можно использовать интегральные микросхемы, ие входящие в его состав, на­пример ИС МПК К536 хорошо согласуются с ИС К535 и т. д. Более подробно с этими, а также другими связанными с функционированием отдельных ИС МПК вопросами можно познакомиться по [6.2, 6.3].

МПК имеют разрядность 2Х«, 4Хи, 8Х«, 8 и 16, включают от 3 до 12 типов БИС, имеют быстродействие от 30 до 500 тыс. операций в секунду, мощность, потребляемая одной БИС, колеблется от 0,001 до 1,2 Вт.

При организации обмена информацией в МПК преимущественно использует­ся интерфейс «Общая шина».

В ближайшее время нужно ожидать повышения производительности БИС, входящих в состав МПК, создания БИС памяти емкостью до 256 Кбайт, разра­ботки для микро-ЭВМ резидентных трансляторов языка высокого уровня, спе­циализированных БИС (быстрого преобразования Фурье, ассоциативных процес­соров и т. п.).

В настоящее время имеются факторы, затрудняющие применение МПК. К таким факторам в первую очередь относятся отсутствие промышленного вы­пуска средств отладки систем с МПК и программ их работы, неполнота выпус­каемых МПК (в некоторых МПК нет системных контроллеров, узлов сопряже­ния и др.), различающиеся интерфейсы в разных МПК, отставание в выпуске АЦП, ЦАП и отсутствие миниатюрных, простых и дешевых периферийных устройств, ориентированных на работу с МПК.