§6.Проектирование микро - эвм
Проектирование новой микро-ЭВМ обычно начинается с описания ее архитектуры, представляющей собой модель микро-ЭВМ с точки зрения программиста. Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микроЭВМ, определяющую состав, назначения и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих желаемую архитектуру.
Многие аппаратурные компоненты выбираются проектировщиком из выпускаемых промышленностью МПК. БИС и применяются в качестве крупных строительных блоков микро-ЭВМ. Блочное, или модульное, проектирование микро-ЭВМ резко повышает производительность труда проектировщика, надежность и качество микроЭВМ и является основным методом создания новых микро-ЭВМ и микропроцессорных систем.
§6.1.Функциональные блоки и организация управления в микро - эвм §6.1.1Общие сведения
Микропроцессорные интегральные схемы (МП ИС) и микро-ЭВМ, построенные на их основе, явились следствием бурного развития микроэлектроники, позволившего в одном кристалле полупроводника размещать сложные вычислительные структуры, содержащие десятки тысяч транзисторов. Изготовление больших интегральных схем (БИС) сопряжено с трудоемкой работой по разработке схем, фотошаблонов и подготовкой производства и служб контроля технологических параметров и характеристик БИС. Снижение себестоимости БИС возможно лишь при максимальной автоматизации этапов, предшествующих их изготовлению, и массовости производства.
Массовое производство БИС предполагает широкий спрос потребителя, а следовательно, возможность ее использования для большого круга решаемых задач. Микропроцессорные БИС (МП БИС) представляют тот класс интегральных схем, который сочетает в себе высокую степень интеграции, обеспечивающую огромные функциональные возможности, с большой универсальностью по применению [б].
Достигается универсальность тем, что в МП БИС реализованы сложные устройства, позволяющие выполнять над исходными числами логические и арифметические функции, при этом управление процессом вычисления ведется программно. Изменение программы вычисления позволяет осуществить вычисление любой сложной функции.
Рис. 6.1. Схема микро-ЭВМ
Если рассмотреть схему микро-ЭВМ (рис. 6.1), то можно прийти к выводу, что в ней содержатся те же блоки, на которых строились вычислительные машины предыдущих поколений. Однако микро-ЭВМ имеет некоторое архитектурное отличие от предшествующих ЦВМ, обусловленное стремлением объединить в БИС, на которых строится микро-ЭВМ, узлы и блоки, способные проводить сложные преобразования информации при минимальном количестве внешних проводников. Эта особенность обусловлена возможностью построения в БИС сложных электронных схем при ограничении по числу внешних проводников, не превышающих, как правило, 50 или 100 контактов.
Структура процессора микро-ЭВМ строится с учетом этих особенностей БИС. Наиболее распространенной является схема микро-ЭВМ, имеющая две или три общие магистрали, к которым под воздействием устройства управления могут поочередно подключаться входящие в микропроцессор узлы. Такая структура требует ограниченного числа внешних контактов, но обмен информацией между узлами и блоками должен осуществляться в определенной последовательности.
В микро-ЭВМ процессор строится на БИС, образующих базовый МП-комплект. Процессор микро-ЭВМ может быть реализован в виде одной (однокристальный микропроцессор) или нескольких БИС (многокристальный микропроцессор). Для построения остальных блоков микро-ЭВМ используются специализированные БИС или ИС средней степени интеграции. Основные типы ИС, применяемых в микроЭВМ, могут быть отнесены к одной из четырех групп: базовый микропроцессорный комплект (МПК) ИС; ИС запоминающих устройств; ИС устройств ввода — вывода информации в микропроцессор; ИС для связи микро-ЭВМ с объектами управления.
Рис. 6.2. Схема трехмагистральной микро-ЭВМ
В соответствии с разработкой специализированных ИС для различных блоков микро-ЭВМ структурная схема ее может быть представлена как совокупность функциональных блоков (рис. 6.2), соединенных между собой в соответствии с требованиями интерфейсов. В приведенной схеме обработку информации осуществляет микропроцессор, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между микропроцессором и остальными блоками микро-ЭВМ осуществляется по трем магистралям: адресной, данных и управляющей.
Магистраль адреса (МА) служит для передачи кода адреса, по которому проводится обращение к устройствам памяти, ввода — вывода или другим внешним устройствам, подключенным к микропроцессору. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД).
Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки микро-ЭВМ, настраивая на нужный режим устройства, участвующие в выполняемой команде.
Использование в микро-ЭВМ большого числа магистралей, в данном примере трех типов, обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычисления. Возможно построение микро-ЭВМ с одной или двумя магистралями, по которым последовательно передаются код адреса и обрабатываемая информация, при этом увеличивается время выполнения команды и усложняется организация обмена информацией между узлами.
Структура микро-ЭВМ определяется архитектурой микропроцессора, составом входящих в МП БИС функциональных узлов, количеством внешних магистралей и организацией обмена информацией [6].
Микропроцессоры на одном кристалле — однокристальные МП — отличаются фиксированной разрядностью и фиксированной системой команд. Функциональная законченность однокристальных МП требует разместить в одном кристалле блоки дешифратора команд и устройства управления, арифметическо-логический блок, устройства управления внешним обменом, каскады согласования внутренних и внешних сигналов. Многокристальные МП строятся на основе совокупности БИС, представляющих собой МПК. Каждая БИС, входящая в МПК, позволяет реализовать узел или функциональный блок узла МП.
Наиболее характерными узлами МП являются арифметическо-логический блок (АЛБ), составляющий основу операционного устройства, и устройство управления (УУ). Арифметическо-логический блок предназначен для обработки информации в соответствии с поступающим на него управляющим кодом. Выполняемые в АЛБ операции могут быть разделены на три группы: арифметические, сдвига, логические и пересылок.
В качестве арифметических операций обычно используются операции: сложения и вычитания двух кодов; сложения и вычитания единицы; сложения и вычитания с содержимым признака операции. К операциям сдвига относятся операции арифметического, логического и циклического сдвигов вправо и влево содержимого регистров АЛБ. Логические операции и операции пересылок обеспечивают выполнение основных логических функций (сложение, умножение) над содержимым регистров и пересылки содержимого между регистрами и между регистрами и внешними магистралями.
Устройство управления формирует управляющие сигналы на все блоки микро-ЭВМ, синхронизируя их работу, и обеспечивает выборку команд из памяти в соответствии с заложенным алгоритмом.