Микропроцессор

PewcRto адреса

РОИ

J

ЗУМК

5am К

Регистр команды

ЗУ

шел

ЗУ

Рис. 5.6. Структура микропроцессора с микропрограммным управлением

Микропроцессоры с микропрограммным управлением существенно отличаются от рассмотренных прежде всего по принципу по строения УУ. В составе УУ такого МП находится ЗУ с записанными в нем микрокомандами (ЗУМК). По микрокомандам (МК), как правило, выполняются простейшие операции: сложение вычитание, сдвиг и тому подобные. Каждой МК соответствуют одно или несколько элементарных машинных действ гй, выполняемых за один такт и называемых микрооперациями.

В ЗУМК микрокоманды расположены в определенной последовательности и составляют микропрограмму; ЗУМК содержит несколько микропрограмм. Функции ЗУМК обычно выполняет ПЗУ. Структура МП с микропрограммным управлением (рис. 5.6) включает АЛУ с регистром-накопителем (аккумулятооом) РИ, РОИ и УУ, которое состоит из ЗУМК, блока формирования адреса МК (БАМК) и регистра микрокоманд (РМК), предназна-ценного для кратковременного запоминания той МК, которая подлежит исполнению.

Код МК имеет одноадресную структуру [КОп. Адрес]. В нем содержится адрес только того числа, которое будет выбрано из. ЗУ. Другое число, участвующее в операции, предварительно засылается в РН. В качестве сверхоперативного внутреннего ЗУ чисел используются РОН Арифметико-логическое устройство может через свои мультиплексоры получить числа и из внешнего ЗУ. Инструкция об адресах выбираемых чисел содержится в коде МК. После выполнения в АЛУ операции, заданной КОп, результат помещается в РН. Затем выбирается из ЗУМК следующая по порядку МК, исполняется и т. д.

Существует принудительный способ формирования адреса следующей МК, при котором этот адрес указывается в предыдущей МК- код МК включает два адреса и имеет структуру (КОп. Адрес числа. Адрес МК]. Адрес следующей МК передается в БАМК по цепиГ показанной на рис. 5.6 пунктиром.

Существует принципиальная возможность организации процесса ранения задач только на уровне микропрограммы. Однако из-за громоздкости программ и трудностей по их составлению и контролю вводят для таких МП второй уровень программного управления - командный.

Разрабатывается система команд, каждой из которых соответствует своя микропрограмма. Можно использовать систему команд какой-нибудь большой ЭВМ с хорошо развитым математическим обеспечением и приспособить ее для данного МП. Для этого необходимо составить микропрограмму для каждой команды. Такой способ использования МП называется эмулированием другой ЭВМ.

Таблица 5.2

Микропрограммы различных операций хранятся в ПЗУ. Адрес ячейки ПЗУ, с которой начинается микропрограмма данной операции, служит кодом операции в составе команды. Система команд, т. е. программа, заносится во внешнее ЗУ. Процесс вычислений начинается с выборки первой команды из ЗУ команд. Она записывается в регистр команд УУ и присутствует в УУ все время, пока идет процесс выполнения одной операции программы.

Взаимодействие узлов МП вычислительного средства на рис. 5.6 можно представить через последовательность микроопераций:

1-я микрооперация: формирование адреса в БАМК->ЗУМК [адрес МК формируется в БАМК и поступает в ЗУМК];

2-я микрооперация: выборка из ЗУМК кода МК->РМК [в ЗУМК из ЯП с номером, указанным адресом в коде МК, выбирается эта МК и пересылается в РМК];

3-я микрооперация: выборка из ЗУ чисел [в ЗУ из ячейки, номер которой указан в адресной части команды, выбирается число D];

4-я микрооперация: формирование результата [в АЛУ выполняется микрооперация, заданная КОп, и формируется результат, который заносится в РН: (РН) *D->РН].

Последовательность микроопераций, при выполнении которых выбирается из ЗУ и исполняется одна микрокоманда, образует микропрограмму цикла работы МП вычислительного средства (табл. 5.2).

Стремление повысить быстродействие МП вычислительных средств привело к совмещению во времени независимых микроопераций. Например, пока выполняется третья и четвертая микрооперации (ЗМО и 4МО), проводится подготовка следующего цикла, т. е. выполняются первая и вторая микрооперации (рис. 5.7). Способ выполнения микропрограмм, при котором осуществляется частичное наложение нового цикла на предыдущий, называется конвейерным. Длительность цикла указывается в качестве одной из характеристик МП. Например, для МП К589 серии оно составляет 150 нс.

Рис. 5.7. Конвейерный способ выполнения микропрограмм

Естественный порядок выполнения МК может быть нарушен при использовании признака полученного результата. Таким образом, МП с микропрограммным управлением допускает изменение и наращивание списка команд, что обеспечивает гибкость в использовании МП для решения разнообразных задач. Микропрограммный уровень управления характерен для многих выпускаемых промышленностью МП.

Микропроцессор работает с числами конечной и вполне определенной длины (разрядности), выражаемой в битах или байтах (один байт равен 8 битам).

По способу формирования разрядности обрабатываемых чисел МП подразделяют на МП с фиксированной и МП с наращиваемой разрядностью чисел. Микропроцессор с фиксированной разрядностью, например восьмиразрядный К580ИК80, может непосредственно обрабатывать числа в 1 байт. Увеличить разрядность можно только программным путем. Программа составляется таким образом, чтобы была обеспечена обработка числа по частям. Скорость обработки при этом существенно снижается. Такие МП имеют однокристальное исполнение.

Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью обрабатываемых чисел составляются из нескольких функциональных узлов, каждый из которых выполняется в виде БИС. Основным функциональным узлом такого МП является центральный процессорный элемент (ЦПЭ) предназначенный для обработки нескольких (2, 4, 8, 16) разрядов чисел и допускающий объединение с другими ЦПЭ для формирования процессора с требуемой разрядностью.

Центральный процессорный элемент в своей структуре содержит А.ЛУ, регистры, мультиплексоры, дешифраторы микрокоманд.

Наряду с ЦПЭ для формирования МП рассматриваемого класса используются БИС блока микропрограммного управления (на мое часто «управляющей памятью», различные сопрягающие БИС. Соединяя ЦПЭ и другие микросхемы комплекта, можно получить микро-ЭВМ с нужной разрядностью обрабатываемых чисел.

5.3. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЛЕКТОВ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ БИС

В систему основных показателей, по которым в первом прибтгчсгш! оценивают свойства МП, обычно включают следующие Характеристики (см. табл. 5.3) [6, 8, 53, 55].

1 Разрядность информационных чисел обрабатываемых как единое целое. От этого показателя в значительной мере зависят функциональные возможности МП и эффективность его применения: чем выше разрядность обрабатываемых МП чисел, тем шире круг задач, для решения которых он может быть

использован.

Разрядность может быть, как отмечалось, фиксированной и наращиваемой. У МП серий К.580 и К581 разрядность чисел фиксирована и равна 8 и lb бит соответственно. Такой разрядности вполне достаточно для многих применений. Основная группа МП имеет наращиваемую структуру с кратностью от 2 (К589) до 16 бит (К588). На их основе можно, следовательно, строить МП вычислительные средства с различной длиной обрабатываемых чисел и для различных областей применений.

2. Быстродействие. Характеризуется временем цикла. Наиболее быстродействующим является МП серии К589, у которого длительность цикла 150 не и тактовая частота 10 МГц. Большинство МП характеризуется длительностью цикла 1 - 2 мкс и работает при тактовых частотах 1 - 2 МГц.

3 Число основных команд или микрокоманд. Обычно число команд составляет 70 - 100. Чем больше разных команд, тем удобнее составлять программы.

4. Адресуемая емкость памяти. Информационная емкость памяти количественно определяется числом ячеек, в которых одновременно могут храниться числа. Для обращения к ячейке МП должен послать в ЗУ код ее номера - адрес хранящегося там числа Чтобы иметь возможность обратиться к любой ячейке, надо обеспечить соответствующее число разных кодовых комбинаций, которыми определяется адрес.

Пусть число разрядов кода адреса n, тогда число разных комбинаций равно 2n - это и будет адресуемой емкостью памяти. Память в МП вычислительном средстве является, как правило, внешней по отношению к МП и ее информационная емкость в принципе может быть очень большой, но все дело в том, какую часть этой памяти может использовать МП.

Следовательно, для определения информационной емкости адресуемой памяти надо знать разрядность кода адреса или, иначе, разрядность адресной шины, по которой код поступает в ЗУ. Например у МП К580ИК80 разрядность адресной шины равна 16, значит по ней можно обеспечить доступ к ЗУ по 213=64 К адресам (1 К=210)

5 Число внутренних регистров общего назначения РОН. Типичное их число8...16, но может быть и больше. Эти регистры составляют внутреннюю память. Поэтому чем больше их, тем больше оперативной информации можно разместить в МП и сократить тем самым число обращений к внешней памяти. При этом, очевидно, производительность МП увеличивается.

6.Электрические параметры: потребляемая мощность, число и номинальные значения напряжений источников питания, уровни логических 0 и 1, выходные и входные токи и др. Знание этих параметров необходимо при решении вопроса о совместном применении МП БИС одной серии с микросхемами других серий, например с БИС памяти, многие из которых выпускают отдельными сериями. Кроме того, при оценке общих показателей вычислительного средства, особенно в условиях ограничений на энергопотребление, учет электрических показателей также необходим.

7.Тип технологии. Как и для микросхем стандартных серий, рассмотренных в гл. 4, во многом возможности МП БИС определяются технологией их изготовления. Знание этого фактора помогает оперативно разобраться в вопросах, касающихся электрических параметров МП, возможности их улучшения, перспективности, совместимости с микросхемами стандартных серий, особенностей применения.

Комплекты МП БИС изготавливают на основе наиболее перспективных технологических методов, за которыми традиционно установились названия реализуемых логических структур: ТТЛШ, ЭСЛ, ИИЛ, КМДП,

л-МДП.

Технология л-МДП, пришедшая на смену р-МДП технологии, позволяет увеличить вдвое уровень интеграции и в 5 раз повысить быстродействие микросхем. По этой технологии возможна реализация МП с одним источником питания. В настоящее время л-МДП технология широко развивается и оценивается как перспективная.

Технология КМДП получает широкое распространение благодаря, прежде всего, возможности существенно, на 2 - 3 порядка, снизить потребляемую микросхемами статическую мощность, обеспечить высокую