КЛЕВО_FPGA

^352 Глава Ц- Программируемые логические блоки

>1

Г^

>1 fl

Глава 15. Принципы построения микропроцессоров

няется максимально гибким. Универсальный операционный блок со­ держится, к примеру, в компьютере Неймана. Операционные блоки содержат, как правило, арифметико-логические устройства (ALU) и регистры для запоминания переменных. Все проводимые опера­ ции должны выполнятся с помощью имеющихся в наличии аппарат­ ных средств. Управляющий блок осуществляет координацию опера­ ций, проводимых в операционном блоке. Различают управляющие блоки с фиксированной структурой и с микропрограммным упра­ влением. Первые имеют большое быстродействие, вторые являются более гибкими.

15.2. Компьютер фон-Неймана

Концепция компьютера фон-Неймана, на которой основывается ра­ бота большинства применяемых сегодня компьютеров, представля­ ет собой развитие изображенной выше кооперирующейся управля­ ющей схемы. В компьютере фон-Неймана используется описанное разделение схемы на управляющий и операционные блоки. Более то­ го, в компьютере фон-Неймана управляющий блок управляется про­ граммой, которая определяет последовательность операций. С по­ мощью этого достигается еще большая гибкость, так как, выбрав другую программу, можно легко перейти к обработке другой зада­ чи. Программа вместе с требуемыми операционному блоку данными хранится в ЗУ. Программу, которая исполняется микропроцессо­ ром, называют машинной программой. На практике машинная про­ грамма формируется путем перевода с языка более высокого уровня (например, с языка PASCAL).

Принцип работы компьютера фон-Неймана представлен на рис. 15.2. соединение групп блоков осуществляется с помощью трех шин. По шине данных передаются данные и команды, адресная шина пере­ дает адреса, по которым данные и команды можно найти в ЗУ. По управляющей шине направляются сигналы, которые, например, пе­ реключают ЗУ от чтения (RD) на запись (WR) и обратно. Понятия «чтение» и «запись» каждый раз могут интерпретироваться с точки зрения работы микропроцессора.

К блокам компьютера фон-Неймана относится:

Операционный блок

Операционный блок содержит АЛУ и блок регистров для хранения промежуточных результатов, как это уже описывалось выше. Как правило, его делают насколько возможно более универсальным.

15.3. Операционные блоки

Управляющий блок

Управляющий блок служит р^ля управления компьютером. Он выполняет машинные программы.

J\ля этого управляющий блок извлекает команды машинной про­ граммы из ЗУ и закладывает их в регистр команд. Он переводит ко­ манды в управляющие алгоритмы и управляет циклами программ.

ЗУ

Вкомпьютере фон-Неймана в ЗУ хранятся как данные, так и про­ граммы. ЗУ собирается из блоков, выполняемых по различной тех­ нологии. Данные хранятся большей частью в RAM, так как они должны постоянно меняться. Управляющая программа или ее ча­ сти запоминаются в ROM. Кроме того, часть данных и программы могут быть выведены на жесткий диск.

Ввод и вывод

Сюда относятся такие периферийные устройства, как принтеры, мониторы, сети данных и внешние дисководы. Собственно микро­ процессор содержит, как правило, управляющий и операционный блоки. Совместно с ЗУ и блоками ввода и вывода микропроцессор образует компьютер или ЭВМ. У так называемых микроконтролле­ ров на кристалле присутствуют дополнительно ЗУ (RAM и ROM), блок ввода и вывода и, часто, также АЦП.

На основе микропроцессора создан универсальный схемный блок, который с помощью программного обеспечения можно использо­ вать для решения многих задач. Поэтому микропроцессор находит широкое применение. Можно без преувеличения сказать, что микро­ процессор является изобретением, которое больше всего повлияло на нашу рабочую повседневность.

15.3. Операционные блоки

15.3.1. Архитектура операционных блоков

Архитектура операционных блоков может быть приспособлена к различным специальным применениям. Компьютер фон-Неймана под­ ходит j\RK решения почти всех задач арифметико-логического ти­ па. Наряду с этим имеются операционные блоки для решения спе­ циальных задач. Например, имеются процессоры, оптимизирован­ ные для обработки сигналов, т.н. «цифровые сигнальные процес­ соры» (DSP, digital signal processor). Они подходят, например, ^\ля

сдвиговый регистр

Рис. 15.3. Типичное ориентированное по шинам регистерно-арифметичес- кое устройство.

Константы, которые необходимы операционному блоку для вы­ полнения арифметических операций, могут быть установлены с по­ мощью аппаратных средств либо заданы частью управляющего век­ тора на шину данных.

15.3.2. Система шин

Работа операционных блоков основывается на применении систем шин. В качестве альтернативного варианта применяются мульти­ плексоры, которые управляют потоком сигналов.

Технологическими предпосылками применения шин являются:

•применение выходов типа tri-state

•Высокий коэффициент разветвления драйверов шин, малая на­ грузка, соответствующая входам вентилей.

•Управление шинами происходит в соответствии тактовыми сигналами.

Важно, чтобы фазовый сдвиг тактового сигнала оставался в заданных границах, поскольку к шине при наличии разреша­ ющего сигнала «Enable» в любой момент времени может быть

Глава 15. Принципы построения микропроцессоров

подключен только один выход. Большинство блоков драйве­ ров шин рассчитывается так, чтобы столкновения не имели места. Пусть с помоп];ью имеюш;их одинаковую длину симво­ лов Enable («разрешаюп];ий») и disable («запреп1;ающий») осуш;е- ствляется управление двумя выходами, работаюш;ими на одну ширину. В этом случае результируюш;ее время, в течение ко­ торого один из выходов остается низкоомным, должно полно­ стью лежать внутри интервала времени, в течение которого другой выход является высокоомным.

•В системах шин все схемные блоки имеют, как правило, оди­ наковую ширину слов.

Преимуш;ества шинных систем заключаются в том, что им требу­ ется меньшее количество проводников, и в том, что они являются более гибкими, но зато они имеют меньшее быстродействие, чем обычные проводные схемы.

15.4. Управляющие блоки

Различают управляющие блоки с фиксированной структурой и управляюп];ие блоки с микропрограммным управлением. Первые имеют большее быстродействие. Их предпочитают вводить, когда требу­ ется реализация малого числа команд. Это справедливо ^\ля компью­ теров типа RISC (reduced instruction set computers, «компьютеры с уменьшенным набором команд»).

Управляюш;ие блоки с микпропрограммным управлением явля­ ются очень гибкими, их можно легко приспособить для различных случаев применения. С другой стороны они являются более медлен­ ными, поскольку требуют времени J\ля вывода команды из ЗУ.

Объясним функцию типичного управляющего блока с помопдью рис. 15.4. Для каждой команды машинной программы в ROM стар­ товых адресов содержится стартовый адрес, по которому в ROM микропрограмм можно найти первую микропрограммную команду из последовательности команд, соответствуюш;их указанной коман­ де, заданной в машинном коде. Часть машинной команды, которая определяет выбор регистра операционного блока, прямо передается в операционный блок. В рассматриваемом случае могут быть обра­ ботаны 256 машинных команд.

Между ROM стартовых адресов и ROM микропрограмм включен мультиплексор, который позволяет получить три разных адреса р,ля следуюш;ей микрокоманды:

15.4' Управляющие блоки

•первая микропрограммная команда задается с помощью ROM стартовых адресов;

•с помощью инкрементной переключательной схемы адрес мо­ жет быть повышен на 1;

•при переходах часть микрокоманды может быть использована как адрес следующей команды. Как правило, возможны так­ же условные переходы. Для этого опрашивается флаг-регистр, в котором находится полученная из операционного блока ин­ формация о результате счетной операции.

lKx32Bit

регистр микрокоманд 32Bit

MUX 8:1

Р и с . 15 . 4 . Типичный управляющий блок.

На основе микропрограммного командного слова формируются управляющие команды для АЛУ. Для того, чтобы это можно было провести с малыми затратами и без дальнейшего декодирования, по большей части для определенной управляющей линии АЛУ исполь­ зуется один бит микропрограммной команды.

15.5. Микропрограммирование

•в поле «считывания» означают А = I или В — 1^ что в накапли­ вающий регистр (accumulator) А либо в регистр В переводятся данные с шины данных.

• В поле «запись» при AL = 1 результат счета ALU передается на шину, при 1т — i постоянная А — (Аз, ^2, AI^AQ) последним словом подается на шину.

• Последнее поле А = (Аз, А2, Ai, AQ) содержит константы или адреса величин, запомненных во внешних ЗУ, или адрес пере­ ходов микропрограммы.

Р и с . 15.5. Операционный блок для примера микропрограммы, показанной в табл. 15.2.

На основе этих исходных данных можно следуюш;им образом за­ программировать сложение констант ЮООв и 0011в-

Для d = О получаем три строчки микропрограммы:

0000010011000

0000001010011

1101010100000