ЛЕКЦИЯ №20

Схемотехническая организация микропроцессоров.

План:

1. Основные понятия и определения.

2. Трехшинная структура микропроцессорной системы.

3. Обобщенная структура и условное обозначение микропроцессора.

Ключевые слова:

Микропроцессор, микропроцессорная БИС, микропроцессорный комплект, микропроцессорная система, магистраль, магистраль данных (шины данных), магистраль адресов (шины адреса), многокристальные МП, однокристальные (монолитные) МП, секционированные МП.

В современных ЭВМ широко используются БИС. При их проектировании используются два метода функциональной организации:

1. прямого функционального разбиения схем ЭВМ на БИС;

2. алгоритмически универсальных структур.

При первом методе создаются специализированные БИС («заказные»), которые содержат законченный узел или устройство, при втором — микропроцессорные БИС массового применения.

Микропроцессором (МП) называется программно управляемое устройство, построенное на одной или нескольких БИС и служащее для обработки информации и управления процессом этой обработки.

Микропроцессорные БИС (МП БИС) строятся по принципу вертикальной интеграции и содержат все структурные компоненты процессора, представленные минимальным числом разрядов.

Путем создания каскадных схем на БИС можно наращивать разрядность МП. Массовый выпуск МП БИС обеспечивает их низкую стоимость и высокую надежность.

Проектирование вычислительных устройств на основе МП БИС упрощается при наличии в МП БИС схем полупроводниковой памяти, сопряжения и управления вводом-выводом.

Совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивному исполнению образует микропроцессорный комплект БИС (МПК БИС).

В состав МПК БИС могут входить микросхемы различных серий и различных схемотехнологических типов при условии их совместимости.

Практическая ценность МПК возрастает при включении в его состав базового программного обеспечения и средств автоматизации проектирования.

Так, например, МПК К587 имеет следующую структуру:

Аппаратные средства	Микропроцессорное обеспечение	Программное обеспечение
Наборы БИС Базовый БИС АУ БИС УП (управл. память) Дополнительный БИС ОИ (обмен информ.) БИС АР (арифмет.расширит.) БИС ДНУ (двунаправлен. усилитель) Стандартные ИС и СИС, БИС память.	Микропрограммы арифметической обработки данных в АУ. Микропрограммы вычисления адресов команд и данных в АУ. Микропрограммы внутреннего управления процессором. Микропрограммы внешнего управления и управления пультом. Микропрограммы управления процессором.	Средства мощного проектирования программного и микропрограммного обеспечения на ЭВМ БЭСМ-6.

Важнейшей характеристикой, во многом определяющую архитектуру, технические параметры и область применения МПК, является технология его изготовления.

В основном используется два вида — биполярная технология и МДП. Биполярная технология применяется при производстве БИС повышенного быстродействия (до сотен тысяч операций в секунду). МДП-технология обеспечивает выпуск БИС меньшего быстродействия, но более высокой интеграции, имеющее меньшую стоимость и потребление энергии.

В микропроцессорной системе (МПС) организуется процесс выполнения заданной программы, ее универсальность определяется тем, что самые разные задачи можно решать путем выполнения последовательности действий, входящих в систему команд.

МПС — это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, обрабатывающим элементом которой служит микропроцессор.

Для БИС характерны ограничения по числу внешних выводов. Это влечет за собой трудность передачи данных между блоками системы. Поэтому одни и те же шины служат для обмена данными между разными блоками в режиме разделения времени, а структура системы является магистральной. Широкое применение нашла трехшинная структура МПС с шинами адресов ША (AB — Address Bus), данных ШД (DB — Data Bus) и управления ШУ (CB — Control Bus).

Выполняя программу, центральный процессорный элемент (ЦПЭ или CPU — Central Processing Unit) обрабатывает команду за командой. Команда содержит сведения о выполняемой операции, участвующих в ней операндах и следующей команде и выполняется в несколько этапов: прием команды, ее расшифровка и выполнение, в ходе которого в ЦПЭ будут переданы необходимые данные. Ячейки памяти и устройства ввода-вывода УВВ (I/O — Input/Output) имеют номера-адреса, которыми они обозначаются в программе.

По адресной шине ЦПЭ посылает адреса, по шине данных обменивается данными с блоками (модулями) системы, а по шине управления идет обмен управляющей информацией.

МП подразделяются на универсальные, рассчитанные на широкое применение в различных устройствах обработки данных, и специализированные, структуры, система команд и другие характеристики рассчитаны на конкретное применение.

Конструктивно МП делятся на многокристальные (расчлененные), однокристальные (монолитные) и секционированные (рязрядно-модульные).

Многокристальный МП состоит из нескольких разнотипных БИС, секционированный — из нескольких однотипных.

Обобщенная схема МП выглядит следующим образом:

УС — узел синхронизации

БУ — блок управления

БР — блок регистров

БРА — буферный регистр адреса

БРД — буферный регистр данных

ИС — индикатор состояния

Для большинства МП характерна магистральная структура внутренних связей между узлами.

Магистраль представляет собой группу шин, используемых узлами МП попеременно (мультиплексно) для обмена информацией между собой. Разрядность магистрали (количество шин) обычно равна разрядности передаваемых слов. Магистраль для передачи адресных слов называется магистралью адреса, магистраль для передачи чисел и символов — магистралью данных.

Магистральная структура предопределяет последовательное выполнение действий при выполнении операций внутри МП, что является основной причиной невысокого быстродействия МП. Для БИС характерны также ограничения по числу внешних выводов (не более 40-50 выводов). Это в свою очередь вызывает трудности передачи данных между блоками системы. Поэтому у многих монолитных и особенно многоразрядных МП шины ввода и вывода данных совмещены, т.е. выполнены в виде двунаправленной магистрали, связанной с внутренними шинами через буферный регистр данных. Обычно магистраль адреса выполняется раздельно с магистралью данных и также связана с внутренними шинами через буферный регистр адреса, который, также как и БРД, обеспечивает формирование достаточно мощных сигналов, выдаваемых на магистраль.

У секционированных МП, имеющих меньшую разрядность, чем у монолитных, шины ввода и вывода данных обычно разделены. К входным управляющим сигналам относятся: «Внешняя синхронизация», «Внешнее управление», «Прерывание», к выходным — сигналы состояния МП.

Внешний генератор синхросигналов задает до 4-х сдвинутых по фазе тактовых последовательностей, на основе которых УС формирует и распределяет внешние синхросигналы между узлами МП.

Вид операции, выполняемой МП в каждом такте, определяется двоичным кодом, задаваемым по входам «Внешнее управление». Число контактов при этом зависит от числа команд МП.

Последовательность выполнения операций внутри МП задается программой и может видоизменяться в зависимости от перехода МП в особые состояния, которые фиксируются «флажками» состояния — индикатором. Кроме того, МП реагирует на сигналы «Прерывание». Для взаимодействия с другими БИС МП выдает сигналы состояния.

Основными частями МП являются АЛУ, блок регистров и блок управления.

АЛУ комбинационного типа выполняет набор простых арифметических и логических операций, подобно АСУ СИС.

Сложные операции (умножение, деление) выполняются по микропрограммами, подпрограммами или для их выполнения применяется специализированный МП.

БР содержит группу регистров общего назначения (РОН) и регистры специального назначения. К ним относятся операционные регистры от команд, адресные и другие регистры, к которым пользователь не имеет допуска.

Программный (свободный) допуск обеспечивается к группе РОН, которая выполняет роль внутренней памяти МП (обычно 8 или 16 регистров).

Блок управления обеспечивает выполнение микроопераций по управляющим сигналам, т.е. поочередно извлекает из памяти инструкции и выполняет их операционными средствами МП, преобразуя при этом инструкции в последовательность микрокоманд.

Существует два способа построения БУ в МП: аппаратный и микропрограммный.

Список базовых операций в МП с микропрограммным УУ шире, чем список операций в МП с аппаратным УУ, но они более просты. По быстродействию микропрограммное УУ уступает аппаратному, но, благодаря своей гибкости, получило широкое распространение в МП. В частности, оно используется во всех секционированных МП.

Вопросы для контроля:

1. Что представляет собой микропроцессор?

2. Что включает в себя МП?

3. Что называется микропроцессорной системой (МПС)?

4. Что представляет собой магистраль?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.290-315.

2. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.85-90.

3. Микропроцессоры т.2/ Под редакцией М.Н.Преснухина – М.; Высш.шк., 1986, с.27-36.