9. Секционированные микропроцессоры

9.1. Принцип микро программного управления. Особенности мп, построенных на этом принципе

ОСОБЕННОСТИ СЕКЦИОНИРОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Предыдущий материал был посвящен МП с фиксированной струк­турой, которые представляют собой законченное вычислительное устройство с размещенными на одном кристалле практически всеми функциональными компонентами ЦП обычной ЭВМ: АЛУ, устрой­ством управления, регистром команд, регистрами общего назначения, аккумулятором, программным счетчиком.

На основе МП и набора вспомогательных узлов, таких как такто­вый генератор, ОЗУ, ПЗУ и интерфейс, создаются многокристальные микро-ЭВМ и микропроцессорные системы. В настоящее время уже появились однокристальные микро-ЭВМ, которые содержат восьми-или шестнадцатиразрядный процессор, ОЗУ, ПЗУ, тактовый генератор, схемы прерываний и каналы ввода— вывода, а иногда аналого-цифро­вой и цифроаналоговый преобразователи.

Такие микропроцессорные системы позволили реализовать на од­ном кристалле функции обработки данных и управления выполнением команд, но при этом программисту стал недоступен микропрограммный уровень, который управляет обрабатывающей частью в процессе пре­образования информации в соответствии с набором команд. Разработ-чик системы может работать с командами, присущими только данному МП, и не имеет возможности ввести новые операции, изменить струк­туру, систему и разрядность обрабатываемых слов, что значительно ограничивает быстродействие системы в целом. Доведение же струк­туры однокристальных микро-ЭВМ до получения эффективного быстро­действия ограничено рассеиваемой мощностью на кристалле.

Необходимость разработки быстродействующих микропроцессор­ных систем способствовала появлению новых вариантов их организа­ции, в основу которых был положен принцип реализации функции обработки и логики управления на различных кристаллах (секциони­рованные микропроцессорные системы). Это позволило легко менять отдельные микрокоманды (МК) и микропрограммы, строить микро­процессорные системы с требуемыми длиной слова и набором команд, применять требуемый интерфейс ввода — вывода.

Секционированные микропроцессорные системы дают возможность разработчику применять собственный набор команд, который реали­зуется последовательностью МК, хранящейся в памяти. Размер этой памяти (длина слова и число слов) зависит от структуры системы. Дли­на слова определяется сложностью аппаратных решений и быстродей­ствием и лежит в пределах от 16 до 128 бит; число слов зависит от объема микропрограммы. Выходные сигналы памяти управляют аппа­ратными средствами системы. Доступ к памяти микропрограмм систе­мы позволяет создавать структуру, наилучшим образом отвечающую разрабатываемой системе; при этом система остается достаточно гиб­кой, так как возможно изменение отдельных МК и даже всей памяти микропрограмм.

В связи с технологическими ограничениями в изготовлении сек­ционированных МП операционное устройство изготавливается на не­скольких однотипных БИС, однако в отличие от МП с фиксированной структурой данные МП позволяют наращивать разрядность (4, 8, 16 и т. д.). Управление выполнением операций в операционном устрой­стве микропрограммное, блок микропрограммного управления для памяти микропрограмм реализуется на нескольких однотипных кри­сталлах. Для увеличения объема управляющей памяти соединяют несколько секций управления. К основным достоинствам секционированных МП относятся: вы­сокое быстродействие, низкая стоимость, компактность и высокая надежность, более упорядоченная структура, легкость выполнения диагностики, простота внесения изменений в систему, легкость моди­фикации управляющих полей, возможность непосредственной адап­тации, возможность расширения системных спецификаций для вклю­чения новых возможностей, простота документирования и обслу­живания, возможность автоматизации проектирования, уменьшение стоимости и времени разработки.

Благодаря высокому быстродействию, гибкой архитектуре, отсут­ствию фиксированного набора команд разр я дно-модульные МП ис­пользуются там, где требуется высокая производительность: в процес­сорах обработки сигналов и изображений в реальном масштабе вре­мени, устройствах спектрального анализа, радиосвязи, радиолокации, быстродействующих контроллерах для магнитных дисков, гра­фических дисплеев, цифровой фильтрации и т. д. Секционированные МП применяются также для создания высокопроизводительных уни­версальных мини-ЭВМ, для разработки ЭВМ, выполняющих без промежуточной трансляции программы, написанные на языках вы­сокого уровня, для создания многопроцессорных систем и т. д.

Если микропроцессорные системы с фиксированной разрядностью разрабатываются на основании инструкций изготовителя, а написа­ние программ подчинено системе команд, заданной для данного МП, то микропроцессорные системы с использованием секционированных МП обеспечивают гибкость проектирования как по аппаратным ре­шениям, так и по реализации требуемого набора команд. Разработчик системы с использованием разрядно-модульных МП может сам выбирать методы и средства для создания системы с заданными вычис­лительными возможностями, но при этом необходимо освоить воз­можности и особенности аппаратных компонентов, принципы объеди­нения их в систему, временные соотношения, организацию синхрони­зации в системе, программирование, методы разработки и отладки микропрограмм и аппаратуры с помощью инструментальных средств, т. е. при разработке микропроцессорных систем с использованием сек­ционированных МП разработчик должен иметь более высокий уро­вень квалификации. Кроме того, при программировании секциониро­ванных МП необходимо более глубоко знать аппаратные особенности системы и учитывать временные соотношения.

Таким образом, основное отличие ЭВМ с микропрограммным управ­лением — это использование последовательности взаимосвязанных МК. выполняющих различные команды. Микрокомандами здесь на­зывается управляющая информация, задающая выполнение всех от­дельных элементарных операций, которые должна произвести ЭВМ при инициировании машинной команды. Область памяти, где разме­щаются МК, называют управляющей памятью (ЗУ микропрограмм).

С помощью МК определяется адрес следующей МК, задаются необ­ходимые микрооперации (МО) и информация, управляющая их^- вы­полнением. Различные МО, которые должны выполняться, содержат: выбор местонахождения исходного операнда; определение типа опе­рации, выполняемой АЛУ; выбор места записи полученных данных. Кроме того, посредством МК производится управление переносом, сдвигом, прерываниями, вводом — выводом данных и т. д. При выяв­лении адреса следующей МК происходит выбор источника, откуда извлекается адрес.

По сравнению с микропроцессорными системами, имеющими фик­сированную разрядность, разрядно-модульные микропроцессорные системы имеют более высокую организацию функций управления.

Упрощенная структурная схема устройства микропрограммного управления, которое состоит только из управляющей памяти и схе­мы определения адреса следующей МК — блока микропрограммного управления БМУ, изображена на рис. 7.23.

Работа такого устройства управления заключается в следующем. Код операции (КОП) поступает в регистр команд и через дешифратор

МК, который определяет адрес об­ласти управляющей памяти первой МК, подается в БМУ, где формиру­ются адреса последующих МК. Уп­равление всеми узлами разрядно-модульной ЭВМ реализуется с по­мощью данных, содержащихся в МК. Чтение следующей машинной коман­ды из памяти ЭВМ начинается после выполнения всех шагов предыдущей машинной команды. БМУ через ре­гистр адреса МК выбирает очеред­ную МК из ЗУ микропрограмм. Выб­ранная МК записывается в регистр МК и через дешифратор управляет всеми устройствами ЭВМ (т. е. фор­мируются управляющие сигналы для АЛУ, регистров, ОЗУ и т. д.). МК содержит также информацию, необхо­димую для формирования адреса сле­дующей МК, в соответствии с кото­рой, а также по данным на выходе дешифратора и сигналами условий БМУ формирует адрес дальнейшей МК. По сформированному адресу считывается очередная МК и так до тех пор, пока не будет выполнена вся микропрограмма. Каждая машинная команда инициирует выпол­нение микропрограммы.