2. Структурный синтез микропроцессора

Первая стадия структурного синтеза электронных устройств, а именно создание функциональной схемы, является творческим процессом и плохо поддаётся автоматизации.

Функциональная схема синтезируемого микропроцессора, ввиду значительного количества машинных команд, является достаточно объёмной и сложной. Для уменьшения объёма функциональной схемы рассмотрим машинные команды группы сдвига при прямой регистровой адресации операндов.

На основании требований к реализации узлов и совокупности воздействий на каждый узел формируется функциональная схема (рис. 6.4), на которой приводятся узлы, соответствующие микрокомандному управлению при выполнении ассемблерных команд группы сдвига для прямой регистровой адресации операндов. На функциональной схеме информационные сигналы отображаются фигурными стрелками, а все другие виды сигналов отображаются тонкими линиями со стрелками, при этом стрелка указывает направление передачи сигнала. Функциональная схема отображает сигналы управления как между узлами, исходящими из управляющего автомата, так и внутри узлов.

На основании функциональной схемы сформирован граф переключений управляющего автомата при исполнении ассемблерных команд группы сдвига, как показано на рис. 6.5, где:

• вершина графа Q₁ отображает анализ первого байта КОп, где указаны группы команд. Если группа соответствует командам сдвига, выполняется переход на вершину Q₅;

• вершина графа Q₅ отображает анализ третьего байта кода команды, где указан способ адресации операнда источника. Если адресация соответствует прямой регистровой, выполняется переход на вершину Q₇;

• вершина графа Q₇ направляет управляющий автомат на исполнение машинной команды сдвиг;

• переход управляющего автомата в вершину Q₃ предназначен для формирования временной задержки в один такт при выполнении непосредственно самого сдвига;

• вершина графа Q₂ позволяет выполнить сохранение как результатов, так и их признаков.

На основании гра́фа переключений (рис. 6.5) и с использованием методики синтеза конечного автомата (см. п. 4.2) на рис. 6.6,а приведена принципиальная схема узла управляющий автомат, где используются дополнительные регистры D1, D2 и D3 для хранения кода команды на время её исполнения.

Для синтеза функционального узла сдвига вправо использована зависимость распределения комбинаций данных в двух сдвигаемых словах, где выделенная область определяет зависимость при сдвиге вправо на расстояние от пяти до семи бит:

Группа команд сдвига включает несколько видов сдвигов (см. рис. 5.7), следовательно, вид сдвига задаётся кодом команды, на основании которого сформирована логическая схема выбора вида сдвига (рис. 6.6,б). Синтез логического устройства выполняется по методике синтеза комбинационных узлов с использованием двухвходовых логических элементов (М = 2). На выходах логической схемы выбора вида сдвига формируется адрес информационного входа, данные которого поступают на выход мультиплексоров схемы формирования данных до сдвига.

Распределение данных на информационные входы мультиплексоров схемы формирования данных до сдвига соответствует нумерации группы команд сдвига (см. рис. 5.7). Данная схема содержит мультиплексоры DZ1.0, DZ1.1, DZ1.2, DZ2.0, DZ2.1, DZ2.2, причём мультиплексоры DZ1.i образуют формирование данных первого сдвигаемого слова, а мультиплексоры DZ2.i  второго (рис. 6.7).

На основании распределения данных при сдвиге вправо сформировано их подключение на информационные входы мультиплексоров D2.i и D1.i, (рис. 6.7), образующих схему мультиплексоров сдвига. На адресные входы этих мультиплексоров поступают данные второго байта кода команды, определяющие количество сдвигов. Достоинство данной реализации схемы мультиплексоров сдвига заключается в том, что произвольное количество сдвигов как одного, так и двух слов (совместно либо раздельно) выполняется за один такт частоты синхронизации.

Мультиплексоры DWi.j образуют схему формирования данных после сдвига и предназначены для передачи сдвинутого слова на шину данных (рис. 6.7).

Принципиальная схема регистра флагов приведена на рис. 6.8,а и содержит непосредственно регистр  элемент DRF и логическую схему формирования признаков результатов элементы D5 и D6.

Принципиальная схема регистров общего назначения приведена на рис. 6.8,б и содержит непосредственно регистры  элементы DR0, …, DRn, дешифратор  элемент D4 и мультиплексоры первой ступени  элементы D0, … , D3, формирующие данные, расположенные в регистрах общего назначения, в группы и мультиплексоры второй ступени  элементы DBi и DCi, передающие данные из регистров общего назначения на шину ШDBi либо ШDCi. Адрес регистра общего назначения как при чтении данных для сдвига, так и при загрузке данных после сдвига определяется третьим байтом кода команды сдвига.

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

DZ0.0

DZ0.1

FC

MS

MS

DW2.0

MS

D2.0

MS

ШDB0

ШDB3

ШDB1

ШDA1.1

ШDA1.0

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

A₀

DZ1.1

MS

DW2.1

MS

ШDB3

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

DZ1.0

MS

DZ1.1

MS

MS

DX0

D2.1

ШDB3

ШDB2

ШDA1.2

D₀

D₁

A₀

DZ2.0

DZ2.1

DZ1.2

DW2.2

MS

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D2.2

MS

MS

DX1

MS

MS

ШDB3

ШDC0

ШDA1.3

D₀

D₁

A₀

DZ0.1

D2.3

DW2.3

DX2

FC

ШDC3

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

DZ0.0

MS

MS

DZ2.0

MS

ШDC3

ШDC1

ШDA2.0

DZ1.0

DZ1.1

D1.0

DW1.0

DZ2.1

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

MS

MS

MS

ШDC2

ШDA2.1

D₀

D₁

A₀

DZ2.0

DZ2.1

D1.1

DW1.1

MS

ШDC3

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

MS

MS

DZ2.2

DX3

ШDA2.2

D₀

D₁

A₀

D1.2

DW1.2

MS

DX4

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

A₀

D₀

D₁

D₂

D₃

A₁

A₀

MS

MS

MS

ШDA2.3

ШDC3

D1.3

DW1.3

DX5

Б2.3

Б2.4

Б2.0

Б2.5

Рис. 6.7. Принципиальная схема функционального узла «сдвиг»

Контрольные вопросы и упражнения

1. Определите, какие узлы рис. 6.4 относятся к управляющим, а какие  к операционным.

2. Используя граф переключений (рис. 6.5), приведите словесное описание потактового исполнения машинной команды.

3. Укажите, почему вершины гра́фа переключений (рис. 6.5) пронумерованы в последовательности: 15732.

4. Укажите, какую функцию выполняют сигналы Y_i на рис. 6.5.

5. Сформируйте таблицу истинности и минимальные уравнения для управляющего автомата, граф переключений которого приведён на рис. 6.5.

6. Сформируйте словесное описание потактового исполнения машинной команды, принципиальная схема управляющего автомата которой приведена на рис. 6.6,а;

7. Определите назначение мультиплексоров DXi (рис. 6.7);

8. Дополните логическую схему выбора вида сдвига (рис. 6.6,б) таким образом, чтобы выполнять все виды сдвигов влево;

9. Поясните принцип формирования признаков результата исполненной операции (состояния флагов), используя рис. 6.8,а.

Используя изложенные выше методики, условия и примеры,

Вы можете синтезировать микропроцессор

произвольной степени сложности, поэтому …

ВСЁ…. 

157