Методические указания по микропроцессорным системам

формирования управляющих сигналов дешифраторы. Такой способ организации

управления называется микропрограммным. Структурная схема МП с

микропрограммным устройством управления выполнением операций приведена на

рис. 1.13, а.

[pic]

а б

Рис. 1.13. Структура устройств управления МП

В управляющем ЗУ для каждой операции хранится набор микрокоманд (МК),

называемых микропрограммой, последовательная выборка и выполнение которых

обеспечивает в обрабатывающей части МП преобразование информации,

соответствующее коду операции. По коду операции из ЗУ выбирается первая МК

микропрограммы выполнения этой операции и поступает на дешифратор

микрокоманд ДСМК и схему управления их выполнением. Дешифратор МК

расшифровывает код операционной части МК и вырабатывает управляющие

сигналы, поступающие в обрабатывающую часть МП. Схема управления

выполнением МК по коду адресной части МК и признакам условий формирует

адрес следующей МК, который подается на ЗУ. Таким образом будут выбраны и

выполнены все МК микропрограммы, что обеспечивает выполнение нужной

операции.

Второй подход заключается в том, что все управляющие входы сводятся в

один управляющий блок, который расшифровывает приходящую команду и в

соответствии с ней вырабатывает необходимую последовательность сигналов

(см. рис. 1.13, б). Такой способ организации управления получил название

схемного или “жесткого” управления. «Жесткость» и сложность структуры этого

типа управления являются его недостатком, высокое быстродействие ( главным

преимуществом. Таким образом, МП должен обеспечивать выборку команд, их

дешифрацию, выполнение требуемых операций в соответствии с содержанием

полей команды и передачу кода операции в устройство управления. Для

выполнения этих функций МП имеет (рис. 1.14): программный счетчик (ПС),

регистр команды (РК), схемы выдачи адресов, операндов и содержимого ПС на

адресную шину МП, схему приема данных и команд с внешней шины данных на РК;

дешифратор команд ДСК.

[pic]

Рис. 1.14. Структура МП

Адрес подлежащей выполнению команды хранится в ПС, с выхода которого

он поступает через буфер адреса (БА) на адресные входы внешнего ЗУ команд.

Выбранная по сигналу Уi команда поступает через буфер данных (БД) на РК.

Код команды расшифровывается дешифратором команд (ДСК), который передает

код операции в УУ. Последнее вырабатывает требуемую последовательность

управляющих сигналов Уi, обеспечивающих выполнение нужной операции в МП.

Если в процессе выполнения операции требуется обращение к РОН, то ДСК

выставляет адрес регистра на адресных входах РОН [pic]([pic] (см. рис.

1.12).

Упражнения

1. Дополните структуру МП на рис.1.12 схемами для ввода и вывода

информации, используя в качестве УВВ регистры. Необходимо предусмотреть

соответствующие комбинационные схемы.

2. Применительно для МП, представленного на рис.1.12, описать

потактовое выполнение следующих команд: 1) запись содержимого регистра Р1,

входящего в состав РОН, в другой РОН – Р2; 2) сложение содержимого

регистров Р1 и Р2 РОН с занесением результата в Р2.

Контрольные вопросы

1. Как можно выполнить сложение двух восьмиразрядных чисел на

четырехразрядном МП?

2. Укажите основные преимущества и недостатки микропрограммного и

схемного (жесткого) устройства управления МПС.

3. Когда целесообразно использовать одношинную и трехшинную

организацию МП в МПС?

4. Почему значения отдельных признаков сводят в один регистр?

5. Чем отличается микроЭВМ от МПС?

6. Перечислите преимущества, обеспечиваемые вводом-выводом данных в

канале прямого доступа в память.

7. Какое расширение возможностей МПС можно получить с помощью

дополнительных проблемно-ориентированных процессоров?

8. Какие возможности открывают МП для реализации параллельных

вычислительных процессов?

2. АРХИТЕКТУРА МИКРОЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Реальная система на основе микропроцессора содержит значительное число

функциональных устройств, одним из которых является микропроцессор. Все

устройства системы имеют стандартный интерфейс и подключаются к единой

информационной магистрали.

Микропроцессор выполняет в системе функции центрального устройства

управления и устройства арифметико-логического преобразования данных. В

качестве устройства управления он генерирует последовательность

синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют

последовательности срабатывания всех логических устройств системы. Кроме

этого микропроцессор задает и последовательно осуществляет микрооперации

извлечения команд программы из памяти системы, их расшифровку и исполнение,

тем самым выполняя арифметические, логические или иные операции над

числами.

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а

также комбинированных аппаратов ввода-вывода) необходимо привести все их

связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование

интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок –

информационный контроллер (ИК), имеющий стандартный интерфейс со стороны

подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со

стороны устройства ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем

интерфейсных сопряжений.

МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВВ, называется микроЭВМ. МикроЭВМ – это ЭВМ,

центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного

контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных

элементных компонентов обеспечивают микроЭВМ такие преимущества перед

другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость,

низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура

микроЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные

характеристики производительности микроЭВМ. Это относится к микроЭВМ на

основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микроЭВМ на

основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое

быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и

высокоэффективного скоростного управления вычислительным процессом даже при

магистральной структуре.

При использовании микроЭВМ в контуре управления некоторого объекта

(процесса) она становится центральной частью системы контроля, управления и

вычисления. Для сопряжения с микроЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен

датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как

источники вводимой для микроЭВМ информацией, а исполнительные механизмы –

как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов

подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется

через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

На рис.2.1 приведена обобщенная логическая структура микроЭВМ, в

которой в качестве всех управляющих блоков и устройств используются

программируемые контроллеры (например, контроллер системного пульта

управления КСПУ).

Все устройства ввода-вывода управляются контроллерами устройств ввода-

вывода (КУВВ) или групповыми контроллерами устройствами ввода-вывода

(ГрКУВВ). Оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства

управляются с помощью соответствующих контроллеров (КОЗУ и КПЗУ). При такой

организации центральный процессор (ЦП) обеспечивает программируемые

контроллеры только управляющей информацией высокого уровня, детализируемой

контроллерами. Поэтому количество управляющей информации на информационной

магистрали системы резко уменьшается, что позволяет увеличить скорость

передачи данных. По существу в этой схеме приведена многопроцессорная

вычислительная система, в которой в пределе контроллер имеет те же

возможности, что и центральный процессор. Низкая стоимость и высокая

надежность БИС позволяют для достижения желаемых параметров ввести

распределенное управление и распределенную обработку во всех подсистемах

системы, что определяет новые способы организации вычислительных процессов

в системах с децентрализованным управлением и обработкой информации.

[pic]

Рис 2.1. Обобщенная логическая структура микроЭВМ с микропроцессорными

контроллерами.

Для включения МП в любую МПС необходимо установить единые принципы и

средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. создать

унифицированный интерфейс.

Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые

принципы взаимодействия устройств МПС. В состав интерфейса входят

аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура

и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов

интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических

параметров сигналов.

На рис. 2.2 представлена общая схема сопряжения МП с устройствами ввода-

вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе.

[pic]

Рис 2.2. Схема интерфейсных связей микропроцессора

Связь МП с УВВ требует пять групп связей, обеспечиваемых через выводы

корпуса МП. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по

шине 2 – сигнал управления считыванием – записи, по шине 3 – сигнал запроса

на прерывание, шины 4 и 5 используются для передачи данных от МП к УВВ и от

УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые

необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается

адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на

шине 8 принимаются команды в МП, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных

из ОЗУ в МП и обратно.

Совершенствование технологии БИС оказывает влияние на архитектуру МПС:

создаются принципиально новые функциональные модули на СБИС, что, в свою

очередь, обуславливает изменение в архитектуре систем из микроЭВМ. К

преимуществам этих МПС относятся: невысокая стоимость, эксплуатационная

надежность, расширение функциональных возможностей, повышение

производительности и, как следствие, расширение класса решаемых задач и

областей применения. В результате сформировался новый подход к построению

МПС и их архитектур.

Традиционная последовательная обработка информации предполагает

последовательную архитектуру МПС. В этом случае говорят, что архитектура

МПС является архитектурой типа ОКОД: Один поток Команд предназначается

только для обработки Одного потока Данных (SISD ( Simple Instructions

Simple Dates).

Наряду с этой появились следующие типы организации вычислительного

процесса и, соответственно, следующие типы архитектур МПС:

- магистральные - Много потоков Команд обрабатывают Один поток Данных

(МКОД или MISD ( Many Instruction Simple Dates);

- ассоциативная и матричная ( Один поток Команд обрабатывает Много

потоков Данных (ОКМД или SIMD ( Simple Instruction Many Dates);

- мультимикропроцессорная ( Много потоков Команд обрабатывает Много

потоков Данных (МКМД или MIMD ( Many Instruction Many Dates).

На основе организации SIMD и MIMD создан вариант архитектуры МПС типа

SMIMD ( несколько потоков команд и данных с коммутацией.

Современные МПС условно можно подразделить по назначению на два

класса, осуществляющие решение: локальных задач отдельными процессорными

элементами; глобальных задач системой в целом. Локальные задачи, как

правило, невелики по объему и могут быть решены с помощью МПС, состоящих из

отдельных микроЭВМ. Глобальные задачи достаточно сложны и требуют для

решения МПС высокой производительности.

Выбор эффективных способов взаимосвязи микроЭВМ в МПС относится к

актуальным проблемам теории построения систем обработки данных. При этом

выбираются не связи между микроЭВМ, а между реализуемыми программами. Кроме

этого на каждую микроЭВМ в системе с распределенными функциями возлагается

управление вводом-выводом и межпроцессорным обменом.

Все возможные способы межпроцессорного обмена в распределенных МПС

можно реализовать с помощью следующих основных методов: метод общей шины,

метод переключающей матрицы и метод иерархии.

В первом случае через одну шину данных выполняется несколько команд

всех микроЭВМ, ЗУ и периферийных устройств (см. рис. 2.3).

[pic]

Рис. 2.3. Метод общей шины

Во втором случае (см. рис. 2.4) переключающая коммутирующая матрица

соединяет любую микроЭВМ системы с любым ЗУ и периферийным устройством с

помощью специальной программы коммутации.

[pic]

Рис. 2.4. Метод коммутирующей матрицы

В иерархической структуре (см. рис.2.5) управляющая микроЭВМ (УµЭВМ)

организует опрос микроЭВМ (µЭВМ) нижних уровней и выдачу им команд данных.

[pic]

Рис. 2.5. Метод иерархии

Обмен данными между микроЭВМ системы может быть регулярным и

нерегулярным. В первом случае функционирование МПС можно расписать по

времени и применить метод разделения, при котором период работы каждого

канала разбивается на интервалы времени, закрепленные за каждой микроЭВМ

системы. При нерегулярном информационном обмене во избежание прерывания

работы микроЭВМ используют общее для всех микроЭВМ ЗУ, связанное также с

устройством управления каналами, которое при наличии свободного канала

закрепляет его за микроЭВМ и извещает ее об этом.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение микроЭВМ, укажите назначение и состав ее основных

узлов и блоков.

2. Перечислить основные типы архитектур МПС и указать особенности их

функционирования.

3. Перечислите способы организации межпроцессорного обмена в

распределенных МПС.

3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Качественные и количественные изменения элементной базы средств ВТ

привели к изменению сложившихся принципов их проектирования (таких, как

жесткая структура, последовательное центральное управление, линейная

организация памяти и отсутствие возможности адаптации структуры ЭВМ к

особенностям решаемой задачи).

На смену классическим фоннеймановским принципам организации

вычислительных систем пришли идеи проблемной ориентации МПС, параллельной и

конвейерной обработки информации, использование табличных методов обработки

данных, принципы регулярности и однородности структур МПС; становится

реальной возможностью идея создания адаптивно-перестраиваемых систем, а

также аппаратная реализация функций программного обеспечения. Поэтому в

настоящее время при проектировании вычислительных систем на основе МПС

получил применение так называемый принцип «3М»: модульность,

магистральность, микропрограммируемость.

Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных и

управляющих МПС на основе набора модулей: конструктивно, функционально и

электрически законченных вычислительных устройств, позволяющих

самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи данного

класса. Модульный подход при проектировании микроЭВМ и систем позволяет

(при реализации как универсальных, так и специализированных модулей)

обеспечить создание семейств (рядов) МПС, отличающихся функциональными

возможностями и характеристиками, перекрывающими значительный диапазон

применений, способствует сокращению затрат на проектирование, а также

упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время

морального старения вычислительных средств.

Магистральный способ обмена информацией в отличие от способа

организации произвольных связей (по принципу «каждый с каждым») позволяет

упорядочить и минимизировать число связей в МПС. Он обеспечивает обмен

информацией между функциональными и конструктивными модулями различного

уровня с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины.

Различают одно-, двух-, трех- и многомагистральные связи. Необходимо

отметить взаимосвязь схемотехнических и структурных решений, которые

проявляются при реализации данного способа обмена в виде создания

специальных двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми

состояниями и использовании временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммное управление обеспечивает наибольшую гибкость при

организации многофункциональных модулей и позволяет осуществить проблемную

ориентацию МПС, а также использовать в них макрооперации, что эффективнее

использования стандартных подпрограмм. Кроме этого, передача управляемых

слов в виде зашифрованных кодовых последовательностей соответствует

условиям минимизации числа выводов СБИС и сокращению числа межсоединений в

модулях.

Кроме перечисленных выше основных особенностей проектирования МПС,

следует отметить принцип регулярности, который предполагает закономерную

повторяемость элементов структуры МПС и связей между ними. Применение

данного принципа позволяет увеличить интегральную плотность, уменьшить

длину связей на кристалле, сократить время топологического и

схемотехнического проектирования БИС и СБИС, уменьшить число пересечений и

типов функциональных и конструктивных элементов.

При разработке архитектуры МПС (системный этап) необходимо решить

следующие задачи:

- дать описание концептуальной структуры функционального поведения

системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и

организации вычислительного процесса в ней;

- определить структуру, номенклатуру и особенности построения

программных и микропрограммных средств;

- описать характеристики внутренней организации потоков данных и

управляющей информации;

- провести анализ функциональной структуры и особенности физической

реализации устройств системы с позиции сбалансированности программных,

микропрограммных и аппаратурных средств.

Основные этапы проектирования МПС приведены на рис. 3.1.

На начальной стадии проектирования МПС может быть описана на одном из

следующих концептуальных уровней: “черный ящик”, структурный, программный,

логический, схемный.

На уровне “черного ящика” МПС описывается внешними спецификациями, где

перечисляются внешние характеристики.

[pic]

Рис. 3.1. Этапы проектирования МПС

Структурный уровень создается аппаратными компонентами МПС, которая

описывается функциями отдельных устройств, их взаимосвязью и

информационными потоками.

Программный уровень разделяется на два подуровня (команд процессора и

языковый) и МПС интерпретируется как последовательность операторов или

команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.

Логический уровень присущ исключительно дискретным системам и

разделяется на два подуровня: переключательных схем и регистровых

пересылок. Первый подуровень образуется вентилями (комбинационные схемы и

элементы памяти) и построенными на их основе операторами обработки данных.

Второй подуровень характеризуется более высокой степенью абстрагирования и

представляет собой описание регистров и передачу данных между ними. Он

включает в себя две части: информационную и управляющую: первая образуется

регистрами, операторами и путями передачи данных, вторая обеспечивает

зависящие от времени сигналы, инициирующие пересылку данных между

регистрами.

Схемный уровень базируется на описании работы элементов дискретных

устройств.

В жизненном цикле МПС, как и любой дискретной системы, выделяются три

стадии: проектирование, изготовление и эксплуатация. Каждая из стадий

подразделяется на несколько фаз, для которых существуют вероятности

возникновения конструктивных или физических неисправностей. Неисправности

классифицируют в соответствии с их причинами: физическая, если причиной ее

служат дефекты элементов, и субъективная, если ее причиной служат ошибки

проектирования.

Субъективные неисправности делят на проектные и интерактивные.

Проектные неисправности вызваны недостатками, вносимыми в систему на

различных стадиях реализации исходного задания. Интерактивные неисправности

возникают в процессе работы по вине обслуживающего персонала (оператора).

Результатом проявления неисправности является ошибка, причем одна

неисправность может служить причиной целого ряда ошибок, а одна и та же

ошибка может быть вызвана множеством неисправностей.

Существует также понятие дефекта - физическое изменение параметров

компонентов системы, выходящих за допустимые пределы. Дефекты называют

сбоями, если они носят временный характер, и отказами, если они постоянны.

Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия

для возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть,

в свою очередь, передан на выход исследуемого объекта для того, чтобы

сделать неисправность наблюдаемой.

Диагностика неисправности – процесс определения причины появления

ошибки по результатам тестирования. Отладка – процесс обнаружения ошибок и

определения источников их появления по результатам тестирования при

проектировании МПС. Средствами отладки являются приборы, комплексы и

программы. Иногда под отладкой понимают обнаружение, локализацию и

устранения неисправности. Успех отладки зависит от того, как спроектирована

система, предусмотрены ли свойства, делающие ее удобной для отладки, а

также от средств, используемых для отладки. Для проведения отладки

проектируемая МПС должна обладать свойствами управляемости, наблюдаемости и

предсказуемости.

Управляемость – свойство системы, при котором ее поведение поддается

управлению, т.е. имеется возможность остановить функционирование системы в

определенном состоянии и заново запустить систему.

Наблюдаемость – свойство системы, позволяющее проследить за поведением

системы, за сменой ее внутренних состояний.

Предсказуемость – свойство системы, позволяющее установить систему в

состояние, из которого все последующие состояния могут быть предсказуемы.

МПС по своей сложности, требованиям и функциям могут значительно

отличаться эксплуатационными параметрами, объемом программных средств,

типом микропроцессорного набора и т.д. В связи с этим процесс

проектирования может видоизменяться в зависимости от требований,

предъявляемых к системе. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся

одна от другой содержанием ПЗУ, будет состоять из разработки программ и

изготовления ПЗУ. При проектировании многопроцессорных МПС, содержащих

несколько типов МПК, необходимо решать вопросы организации памяти,

взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами

системы и внешней средой и т.п.

Наиболее типичными этапами проектирования и разработки МПС являются:

формализация требований к системе; разработка структуры и архитектуры МПС;

разработка и изготовление аппаратурных средств и программного обеспечения

системы; комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Процесс проектирования – итерационный процесс. Неисправности,

обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции

спецификации, а следовательно, к началу проектирования всей системы.

Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше; для этого надо

контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки. Существуют

следующие методы контроля правильности проектирования: верификация

(формальные методы доказательства корректности проекта); моделирование;

тестирование.

В последнее время появилось много работ по верификации программного

обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы пока носят

теоретический характер. Поэтому на практике чаще используют моделирование

поведения объекта и тестирование на различных уровнях абстрактного

представления системы.

На этапе формализации требований к системе контроль корректности

проекта особо необходим, поскольку многие цели проектирования не

формализуются или не могут быть формализованы в принципе. Функциональная

спецификация может анализироваться коллективом экспертов или моделироваться

и проверяться в опытном порядке для выявления достижения желаемых целей.

После утверждения функциональной спецификации начинается разработка

тестовых программ, предназначенных для установления правильности работы

системы в соответствии с ее спецификацией. В идеальном случае

разрабатываются тесты, целиком основанные на этой спецификации и дающие

возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется

способной выполнять функции, оговоренные в спецификации. Этот способ –

полная противоположность другим, где тесты строятся применительно к

конкретным реализациям. Однако на практике разработке тестов часто

присваивают более низкий приоритет по сравнению с проектом, поэтому

тестовые программы появляются значительно позже его завершения.

Контрольные вопросы

1. Поясните понятия модульности, магистральности и

микропрограммируемости МПС при проектировании.

2. Перечислите задачи, решаемые разработчиками при проектировании МПС.

3. Перечислите основные этапы проектирования МПС.

4. Назовите концептуальные уровни описания МПС при проектировании и

разработке.

5. Перечислить основные методы контроля правильности проектирования

МПС.

6. Какими свойствами должна обладать проектируемая МПС для выполнения

этапа ее отладки?

7. Перечислите виды неисправности при проектировании МПС.

8. Назовите причины физической и субъективной неисправностей МПС.

9. Поясните понятия: диагностика неисправности, отладка.

4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС НА ОСНОВЕ

ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОЭВМ

4.1. Общие принципы организации однокристальных микроЭВМ

С повышением степени интеграции микросхем стало возможным реализовать

на одном кристалле сложные функциональные блоки. Зa недолгую историю

развития элементной базы микропроцессорных вычислительных устройств были

разработаны принципиально новые структуры БИС. Такие микросхемы, имеющие

высокую степень интеграции и работающие согласно заданной программе,

получили название микропроцессорных БИС (МП БИС). Стало возможным

реализовать ЭВМ на нескольких типах МП БИС, объединенных в так называемые

микропроцессорные комплекты (МПК) БИС, которые отличаются друг от друга

функциональными возможностями, технологией изготовления, конструктивными

особенностями, быстродействием, потребляемой мощностью и т.п.

Микропроцессорные БИС принято разделять на три основных класса:

секционированные с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;

модульные МП - на основе однокристальных МП БИС с фиксированным набором

команд и разрядностью; однокристальные микроЭВМ.

Секционированные МП БИС включают совместимые микросхемы различного

функционального назначения, на основе которых можно реализовать MПC

различной структуры и разрядности, кратной разрядности секции. В

зависимости от назначения разрабатываемой аппаратуры выбирается структура

секционированных БИС и система команд. Эти БИС широко применяются при

проектировании высокопроизводительных мультимикропроцессорных систем.

МП БИС на основе однокристальных МП и однокристальных микроЭВМ,

обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд и

большими функциональными возможностями, ориентированы на широкое применение

в различных областях науки, техники и производства - от контроллеров и

калькуляторов, до МПС управления, цифровой обработки сигналов и

интеллектуальных робототехнических систем.

В настоящее время наибольшее распространение получили МП БИС на основе

разновидностей МОП- технологии и интегральной инжекционной логики(И2Л).

Требования к быстродействию предопределили развитие биполярных МП БИС на

основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки(ТТЛШ) и эмиттерно-

связанной логики (ЭСЛ).

Следует отметить, что при проектировании МПС для различных применений

обязательным условием эффективного использования МП БИС является

конструктивная и технологическая совместимость всей элементной базы системы

- микросхем малой, средней и большой степени интеграции, используемых в

центральном процессоре, блоках памяти, устройствах ввода-вывода.

Как правило, в состав однокристальных МП БИС, служащих для реализации

однокристальных микроЭВМ и МПС на их основе, входят следующие БИС:

микропроцессор с памятью, последовательный или параллельный интерфейс,

контроллеры (ПДП, прерываний, клавиатуры и т.п.).

В последние годы получила новое развитие номенклатура однокристальных

микроЭВМ и специализированных МПК цифровой обработки сигналов, которые

имеют большую перспективу применения в силу своих функциональных

возможностей и характеристик.

Состав и структура МПК БИС зависят от областей применения и, как

правило, имеют минимально необходимое число БИС для организации микроЭВМ и

МПС.

Типичным представителем МПС с однокристальным МП является

отечественный микропроцессорный комплект серии К1810, в котором реализуются

и находят дальнейшее развитие идеи построения одно- и многопроцессорных

систем на базе МП БИС с фиксированным набором команд. В комплект входят как

универсальные и специализированные процессоры (процессор ввода-вывода,

арифметический процессор), так и схемы, позволяющие сформировать магистрали

микроЭВМ. Комплект может расширяться за счет разработки новых схем,

программно и аппаратно совместимых с МП БИС.

Основной схемой в комплекте является МП БИС К1810ВМ86, которая

представляет собой однокристальный 16-разрядный МП с мультиплексной 20-

разрядной магистралью адреса и 16-разрядной магистралью данных и рассчитана

на работу как в одно-, так и в многопроцессорных системах. Схема

выпускается в 40-выводном корпусе (рис. 5.1). Ряд выводов схемы

используется для выдачи импульсов управления, синхронизирующих работу

микроЭВМ. Питание схемы осуществляется от источника с напряжением 5 В.

Синхронизация работы МП БИС осуществляется импульсами внешнего тактового

генератора, подаваемыми на вход CLK.

Эффективность работы МП БИС К1810ВМ86 существенно повышена за счет

введения команд математических операций (включающих умножение и деление)

над 8- и 16-разрядными числами, команд побитовой обработки чисел, команд

работы с массивами данных, расширения видов прерываний работы МП БИС, а

также реализации конвейерного типа выполнения команд в самой БИС.

Микропроцессорная БИС может работать с памятью объемом до 1 Мбайта,

обмениваться информацией с 64 Кбайтами внешних устройств, имеет 256 типов

различных прерываний.

Обычно процесс выполнения команд программы в МП включает в себя

следующие этапы: извлечение кода команды (операндов команды, если этого

требует код команды) из памяти; выполнение команды; запись результата (если

этого требует команда). Как правило, в МП все эти этапы выполняются

последовательно, что приводит к недоиспользованию по временной загрузке

магистралей микроЭВМ. В МП БИС К1810ВМ86 процесс выполнения команд состоит

из тех же этапов, однако проводится в двух раздельных процессорных блоках

(см. рис. 4.1, а): блоке выполнения команд (execution unit – EU) и блоке

сопряжения с магистралями (Bus Interface Unit – BIU). В функции BIU входит

извлечение из памяти кода команд и их операндов, а также запись результата

в память. Блоки могут работать независимо друг от друга, и, следовательно,

процессы преобразования и передачи информации в них могут идти параллельно.

Блок выполнения команд имеет 16-разрядное АЛУ с регистром состояния и

флагами управления, а также регистры общего назначения. Все регистры и

внутренние магистрали блока 16-разрядные. Блок не имеет связи с внешними

магистралями МП БИС. На АЛУ поступают коды команд из конвейера команд,

расположенного в BIU. Если в результате дешифрации кода команд в АЛУ

необходимо получение одного или нескольких операндов по внешним магистралям

МП БИС, то EU запрашивает BIU на получение и размещение необходимых данных

в BIU. Несмотря на то, что все адреса, с которыми оперирует EU, 16-

разрядные, BIU производит необходимое преобразование адресов так, чтобы EU

имел возможность обращаться ко всему возможному адресному пространству (1

Мбайт) микропроцессорной системы.

[pic]

Рис. 4.1. Упрощенная схема МП БИС КР1810 ВМ86

Блок сопряжения с магистралями производит все пересылки данных и кодов

для EU. Пересылки между МП БИС и памятью или внешними устройства-ми

осуществляются по требованию EU. В то время как EU занят выполнением

команды, блок BIU получает последующие в программе коды команд из памяти и

сохраняет их в конвейере команд. В конвейере может быть записано до шести

кодов команд. Это позволяет BIU выдавать в EU сохраненные команды по мере

необходимости без загрузки внешних магистралей МП БИС. Блок BIU организует

получение нового кода команды, как только два байта в конвейере команд

будут переданы в EU. За один цикл получения кода команды в блок BIU

записываются с МД два байта команды.

В большинстве случаев в BIU находится хотя бы одна команда и EU не

ждет, пока очередная команда будет извлечена из памяти.

Коды команд подаются в EU последовательно так, как они записаны в

программе. Если EU выполняет команду передачи управления в другое место

программы, то BIU очищает конвейер команд, получает код команды из нового

адреса, передает его в EU и начинает заполнять конвейер заново. Если EU

требует обращения к памяти или внешнему устройству, то BIU приостанавливает

процесс получения команд в конвейер и организует необходимый цикл обмена

данными.

На рис. 4.2 приведен пример построения однопроцессорной системы.

[pic]

Рис. 4.2. Структура микроЭВМ на базе МП БИС КР1810ВМ86

Основная задача, решаемая в многопроцессорных системах, заключается в

обеспечении распределения времени доступа каждого из процессоров к общей

Страницы: 1, 2, 3, 4