78.1 (Он же 80.1) Организация микроЭвм на базе микропрограммируемого микропроцессорного комплекта, типовые циклы функционирования.

1. Организация микроЭВМ с микропрограммным управлением

Типовая структурная схема простейшей микроЭВМ, имеющей доступ к микропрограммному уровню управления, приведена на рис. 40.

В состав микроЭВМ входят средства операционной части, управляющей части, системные устройства. В частности, к операционной части относятся: блок микропроцессоров (БМП) со схемой ускоренного переноса (СУП), постоянное запоминающее устройство констант (ПЗУК), оперативная память расширения регистрового файла (ОПР), табличные преобразователи (ТП), функциональные преобразователи (ФП), возможно наличие буферных регистров для временного хранения информации (БР).

К управляющей части относятся: блок микропрограммного управления (БМУ), контроллер состояний (КС), управляющая память (УП). К системным устройствам относятся: блок приоритетных прерываний (БПР), средства внешнего интерфейса на базе блока магистрального приёмо-передатчика (БМПП), основная память (ОП) командного уровня, блок синхронизации (БС).

Структура микроЭВМ определяется теми задачами, которые на неё возлагают. В общем случае, микроЭВМ может организовываться по магистральному типу, по радиальному или смешанному.

Магистральный тип предполагает наличие шин внутреннего интерфейса, предназначенных для передачи информации между группой приёмников и группой источников в режиме разделения времени. В конкретный момент в магистрали осуществляется передача от конкретного источника к конкретному приёмнику. В другие интервалы реализуются иные передачи. По направлению передачи магистрали разделяются на одно- и двунаправленные. Магистрали могут быть монофункциональными (для передачи определённой функциональной информации), многофункциональными (когда во времени разделяются передачи различных типов функциональной информации).

Магистральные структуры бывают двухмагистральными (например, магистраль двунаправленных данных-адреса и магистраль управления); трёхмагистральными (двунаправленная магистраль данных, магистрали адреса и управления); четырёхмагистральными (магистрали выходных данных (МВ), входных данных (МВх), управления (МУ) и адреса (МА)).

В радиальных структурах передача по той или иной шине функционально закреплена за определённым источником и определённым приёмником.

Магистральный тип обеспечивает простоту реализации и технологичность изготовления микроЭВМ, но имеет пониженные скоростные характеристики из-за разделения времени работы между различными функциональными передачами. Радиальные – обеспечивают максимальную скорость передачи, но менее технологичны в интегральном исполнении, имеют более высокую стоимость.

В БМП может входить одна или несколько процессорных секций в зависимости от разрядности микроЭВМ. В последнем случае для повышения быстродействия следует подключать СУП, которая обрабатывает межсекционные переносы (СП), общий входной перенос (ВхП) и формирует выходной (ВП) перенос БМП. Кроме ВП в БМП могут формироваться и другие логические условия (ЛУ) в соответствии с состоянием своих устройств.

Микропроцессор К584ВМ1 имеет разделённую входную шину данных (ДВх), выходную (ДВ) и шину адреса (ША). Микропрограммное управление осуществляется по шине микроинструкций (МИ). Это позволяет использовать его в четырёхмагистральной системе либо в трёхмагистральной, когда шины входных и выходных данных объединяются, что возможно из-за реализации шины ДВ по схеме с открытым коллектором.

ПЗУК содержит требуемые рабочие константы и имеет соответственно шину микроинструкций, задающую адрес константы и режим чтения, и выходную шину данных, с которой константы через магистраль входа могут загружаться на шины входа БМП и других устройств.

Оперативная память расширителя является выносным регистровым файлом БМП и используется в том случае, если для решения задачи недостаточно внутренних регистров БМП. Микроинструкция ОПР будет содержать адрес конкретной ячейки и управление операциями записи или чтения в этой ячейке. Записываемые данные поступают с магистрали выхода, куда подаются с шины ДВ БМП. Считанная информация выдаётся на МВх и далее на шину ДВх БМП. Адресное обращение к ПЗУК и ОПР осуществляется по фиксированным адресам, жёстко заданным в микрокомандах.

ТП и ФП различного типа используются для повышения производительности БМП и позволяют выполнить любое преобразование данных за два цикла работы БМП. Для временного согласования циклов обращения к ТП и ФП используется буферный регистр (БР).

Управляющая часть строится на основе БМУ, УП и контроллера состояний (КС), в функции которого входят фиксация условий микрокомандного и командного циклов, хранение этих условий и формирование на их основе сигналов модификации М0, М1. Кроме этого, КС содержит таймеры для счёта временных интервалов, средства для побитовой обработки данных и ряда других операций. В простейшем случае КС может быть заменён мультиплексором логических условий.

Типовые циклы функционирования микроЭВМ

В ЦВМ различают микрокомандный и командный циклы управления. Микрокомандный цикл обеспечивает выборку и исполнение текущей микрокоманды. Командный цикл обеспечивает выборку и исполнение текущей команды. Командный цикл соответствует по времени выполнению микропрограммы текущей операции. Микрокомандный цикл в синхронных машинах обычно имеет постоянную длительность. В асинхронных машинах длительность микрокомандного цикла может быть переменной. Командный цикл в основном имеет переменную длительность в зависимости от типа машинной операции (длинная или короткая операция), практически для каждой команды командный цикл может иметь различные временные характеристики.

В микрокомандном цикле БМУ формирует на шине АМК адрес текущей микрокоманды, по которому из управляющей памяти выбирается микрокоманда (МК), отдельные поля которой (микроинструкции) поступают на функциональные устройства микроЭВМ. Эти устройства выполняют соответствующие действия цикла по обработке данных, формируют результат и логические условия. Условия поступают в БМУ и КС и влияют на формирование адреса следующего цикла.

В командном цикле по адресу, выставляемому на ША БМП, из ОП выбирается текущая команда, которая поступает в БМУ и в процессор. БМУ по ходу операции активизирует соответствующую микропрограмму, а процессор реализует формирование исполнительного адреса для выборки и размещения операндов (этот процесс может быть реализован в ходе микропрограммы). После запуска микропрограммы следует столько микрокомандных циклов, сколько имеется микрокоманд в активизированной ветви микропрограммы. В конце микропрограммы формируются логические условия командного цикла (либо в ходе исполнения микропрограммы) и адрес выборки следующей команды в программном счётчике или в рабочих регистрах БМП.

Организация командного управления

Командный уровень управления является более высоким по отношению к микрокомандному. Управление реализуется по хранимой в памяти машины программе. Под командой понимается управляющее слово, определяющее функционирование ЦВМ в ходе выполнения машинной операции. К машинным операциям относятся: арифметические, логические операции, операции обмена с памятью, обмена с внешними устройствами (операции ввода/вывода), управления процессором, передачи управления в ходе исполнения программы (условные, безусловные переходы) и др. Перечисленные операции определяют соответствующие функциональные группы команд. Команда может быть представлена в виде машинного кода, который непосредственно принимается к управлению, либо в виде символьного кода, требующего дополнительных преобразований для получения машинного кода.

Функционально связанная последовательность команд, описывающая выполнение алгоритма решения задачи, называется программой.

Система команд включает в себя описание функциональных групп команд, способы кодировки команд, описание форматов команд, систему представления данных, форматы данных, описание способов адресации к данным и к командам в командном цикле, примеры применения команд.