Переферийные устройства МПС.

Сама передача данных между ЭВМ и периферийными устройствами происходит быстро, но обеспечение правильной передачи занимает намного больше времени. Типичная операция ввода происходит следующим образом:

1. Периферийное устройство сигнализирует ЦП о том, что имеются новые данные. Устройство ввода-вывода должно соответствующим образом сформировать сигнал и держать его до тех пор. пока ЦП его не примет;

2. Периферийное устройство посылает данные в ЦП. Устройство ввода-вывода должно хранить их до тех пор, пока ЦП не будет готов их считать;

3. Центральный процессор считывает данные. Устройство ввода-вывода должно иметь блок дешифрирования, который выбирает определенную часть УВВ (или порт). Считывание данных должно снять сигнал, свидетельствующий о том, что данные имеются; результатом этого может быть также подтверждение, посланное периферийному устройству, о том что оно может посылать новые данные.

Операции вывода во многом похожи на операции ввода. Периферийное устройство оповещает ЦП, что оно готово принять данные. После этого ЦП направляет данные вместе с сигналом (стробом), который указывает периферийному устройству. что данные имеются. Устройство ввода-вывода формирует соответствующим образом данные и сигналы управления и сохраняет данные в течение времени, необходимого для их использования периферийным устройством. Данные вывода должны храниться намного дольше, чем данные ввода. так как механические устройства, отображающие их, реагируют намного медленнее, чем ЭВМ.

Устройство ввода-вывода должно выполнять множество задач простого интерфейса. Оно должно придать сигналам подходящий формат как для управляющего, так и для периферийного устройства. Центральному процессору требуются сигналы с определенными уровнями напряжения. периферийные устройства могут использовать много различных типов сигналов, включая непрерывные (аналоговые) сигналы различного тока и напряжения. Для сигналов, идущих на большие расстояния или работающих на большие нагрузки, требуются усилители.

Устройство ввода-вывода может также выполнять некоторые функции, которые выполняет ЦП. Эти функции включают в себя преобразование данных из последовательного кода в параллельный, включение или исключение специальных символов, отмечающих начало или конец передачи данных. а также преобразование кодов обнаружения ошибок таких как проверка на четность.

Устройство ввода-вывода может выполнить эти задачи аппаратными средствами быстрее, чем ЦП может выполнить их программными методами. Устройство ввода-вывода ЭВМ может быть программируемым и даже содержать процессор для реализации его некоторых задач.

Адресная шина передает адрес порта ввода или вывода, который нужен для использования ЦП. Сигнал ввода-вывода определяет направление передачи. По шине данных осуществляется передача информации между устройствами. Шина управления передает сигналы, указывающие, что данные готовы и что передача завершена. Что касается шин между ЦП и ЗУ, то некоторые из них могут быть одними и теми же, но разделенными во времени для выполнения различных операций.

Более того, шины могут соединять ЦП как с памятью, так и с УВВ. Одна линия управления может определять назначение блоков. Действительно, некоторые ЭВМ (например, Motorola 6800) полностью совмещают по адресному полю память и УВВ; они обращаются к устройствам ввода или вывода так же, как к ячейкам памяти.

Современные ЭВМ имеют прямую связь межу памятью и УВВ, что позволяет осуществлять передачу данных к периферийным устройствам и обратно без участия ЦП. Этот метод передачи данных называется прямым доступом к памяти (ПДП). Преимуществом ПДП является то, что скорость передачи обеспечивается только временем доступа к памяти (обычно менее 1 мкс). Для передачи данных через ЦП требуется несколько команд, и на это уходит в 10-20 раз больше времени. Прямой доступ к памяти применяется с быстродействующими периферийными устройствами, такими как магнитные диски, быстродействующие линии связи или дисплеи.

Понятие архитектуры и основные элементы

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями навремя выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

· разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

· виды и форматы обрабатываемых данных;

· система команд, режимы адресации операндов;

· емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

· частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

· производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC- и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразова- тели и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров назы- вается однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

· физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;

· упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;

· простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):

1. Разрядность (8 бит).

2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:

o внутренняя память команд - 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;

o память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).

3. Тактовая частота:

o внешняя частота 12 МГц;

o частота машинного цикла 1 МГц.

4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) - это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:

· разрядное секционное АЛУ;

· блок ускоренного переноса;

· разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;

· типа схем микропрограммного управления;

· контроллер состояния и сдвига;

· контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.

Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микро контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

МП – комплекты.

Микропроцессорные средства включают: МПК БИС, однокристальные и одноплатные микропроцессоры, микро-ЭВМ, микроконтроллеры, устройства ввода-вывода, хранения, отображения, коммутации информации и т. п. Основой построения МПС являются: МПК БИС, микросхемы запоминающих устройств и преобразования вида информации (АЦП, ЦАП).
Микропроцессорный комплект БИС представляет собой набор электрически совместимых цифровых БИС, достаточный для построения различных МПУ. Существующие МПК БИС можно разделить на две группы: с фиксированной системой команд и секционированные. Основное различие этих комплектов заключается в способе реализации устройства управления. В первом случае оно реализовано на комбинационных схемах и конструктивно объединено с арифметическим устройством в одной БИС. Это объединение представляет собой функционально законченный микропроцессор с фиксированной системой команд, ориентированной на широкий круг решаемых задач. Такие МПК обычно имеют стандартные отладочные средства и относительно развитое программное обеспечение, что обеспечивает их широкое применение.
Примером однокристального микропроцессора является центральный процессорный элемент КР580ИК.80. Особенности построения и реализации арифметического и управляющего устройств делают недоступным программисту микропрограммный уровень управления. Он оперирует командами, которые не может изменить. Вместе с тем проектирование конструктивно встраиваемых в РЭА МПУ предполагает их специализацию в соответствии с реализуемым алгоритмом. Кроме того, как .будет показано в гл. 2, одним из основных требований, предъявляемых к МПУ, является реальный масштаб времени вычислений решаемых алгоритмов. Необходимость специализации системы команд и структуры проектируемых МПУ ограничивает применение однокристальных микропроцессоров в РЭА.
Основной элементной базой конструктивно встраиваемых в РЭА МПУ являются секционированные МПК БИС, у которых в отличие от однокристальных микропроцессоров управляющее устройство реализовано на принципах микропрограммного управления. Такой подход обеспечивает доступ разработчика к уровню микрокоманд, что позволяет изменять команды и соответствующие им микропрограммы исходя из решаемых алгоритмов. Секционированные МПК имеют различные системы команд, разрядность, типы интерфейса ввода-вывода и т. п. Проектируемые на основе секционированных МПК МПУ обладают большой гибкостью, так как расширение функциональных возможностей обеспечивается изменением отдельных микрокоманд или заменой всей памяти микропрограмм.
Построение арифметического устройства требуемой разрядности осуществляется объединением 4-, 8- или 16-разрядных процессорных секций. Микропрограммное устройство управления выполняется на одной или нескольких БИС. Соединив между собой несколько БИС микропрограммного управления, можно увеличить объем микропрограммной памяти. Объединение арифметического и управляющего устройств позволяет получить базовую структуру микропроцессора. Подключение к ней специализированных БИС ввода-вывода, вспомогательных аппаратных микропроцессоров и других специализированных микросхем приводит к повышению производительности МПУ.
Использование секционируемых МПК обеспечивает гибкость проектирования как по аппаратным решениям, так и по реализации требуемой системы команд. Однако при этом предполагается, что разработчик знает возможности и особенности всех микросхем, входящих в состав МПК, принципы объединения их в уст-ройство, организацию синхронизации в устройстве; владеет методами разработки и отладки микропрограмм. Вместе с тем работа на микропрограммном уровне создает и определенные трудности. Микропрограммный уровень определяется конкретными схемными решениями, поэтому программирование на этом уровне требует от разработчика знаний аппаратных особенностей МПК, учета временных соотношений и т. п. Кроме того, разработка оригинальной .системы команд приведет к необходимости проектирования дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения, предназначенного для отладки программ. Это обуславливает увеличение сроков [разработки и повышение стоимости МПУ, проектируемых «а основе секционируемых МПК БИС.
Микропроцессорные комплекты БИС отличаются своими характеристиками, основными из которых являются: число БИС в комплекте, число внутренних магистралей, разрядность, система микрокоманд, число регистров общего назначения, число уровней прерывания, быстродействие, число буферных регистров (портов) ввода-вывода (Явв, ЯВЫв) и др.
Число БИС в комплекте во многом определяет функциональные возможности МПК. Наличие в составе комплекта разнообразных специализированных БИС позволяет проектировать функционально законченные МПУ при минимальном использовании микросхем средней и малой степени интеграции. Если число специали-зированных БИС в МПК ограничено, то некоторые функциональные узлы приходится проектировать на (микросхемах малой и средней степени интеграция, что снижает плотность упаковки МПУ и ухудшает его конструктивные параметры. Кроме того, использование специализированных БИС для аппаратной реализации некоторых сложных (с вычислительной точки зрения) функций повышает производительность МПУ.
Как было показано в § 1.1, число внутренних магистралей микропроцессорных БИС колеблется от одной до трех. При выборе МПК необходимо учитывать, что уменьшение числа магистралей снижает процент использования площади кристалла под магистрали, а также быстродействие этих микросхем.
Большинство современных МПК имеют разрядность 4, 8 или 16 бит. Ограничение разрядности обусловлено размерами кристалла и технологическими допусками изготовления логических элементов. Биполярные секционированные МПК обычно имеют разрядность 4 и 8 бит. Разрядность МПК, выполненных по МОП-тех-нологии, достигает 16 бит.
Система микрокоманд (как и число БИС) определяет функциональные возможности МПК. Системы микрокоманд распространенных МПК БИС, их (форматы, разрядность, особенности реализации подробно рассмотрены в [6 - 12]. Отметим, что при выборе типа МПК необходимо, чтобы его система микрокоманд соот-ветствовала решаемому алгоритму. При этом особое значение приобретают микрокоманды, реализующие специальные функции, например умножение, деление, нормализацию чисел и т. п. Эти функции могут быть реализованы аппаратно на специализированных БИС, либо программно, например в МПК БИС КМ1804 [12]. Для ряда применений, не требующих высоких скоростей обработки информации, программная реализация специальных функций может оказаться предпочтительней, так как не требует дополнительных аппаратных затрат.
Число регистров общего назначения (РОН) определяет емкость внутренней сверхоперативной памяти МП и колеблется от 2 до 16. Увеличение числа РОН в МПК дает возможность хранить в них большее число исходных данных и промежуточных результатов вычислений. При этом в микропрограмме вычислений будут шире использоваться микрокоманды типа регистр-регистр, а следовательно, уменьшится число обращений к ЗУ. Быстродействие выполнения такой микропрограммы будет выше.
Прерывание представляет собой процедуру обмена данными с внешними устройствами. При этом инициатором обмена является внешнее устройство, которое посылает сигнал «Запрос на прерывание». Получив этот сигнал, МП приостанавливает выполнение основной программы и переходит к реализации специальной подпрограммы обмена, называемой подпрограммой обработки прерываний. Эта подпрограмма выключает ряд действий, описание которых можно найти в [10, 13]. Число уровней прерывания определяет число внешних устройств, способных обращаться к микропроцессору и обмениваться с ним информацией. Этот параметр имеет особое значение при использовании МПК для построения систем сбора и распределения данных, характеризующихся большим числом датчиков информации, имеющих различный приоритет.
Параметром, характеризующим быстродействие МПК, обычно является время цикла выполнения простейшей микрооперации. Поскольку микрокоманды состоят из последовательности микроопераций различной длины, то время цикла выполнения микроопераций дает очень относительное представление о реальном времени реализации микрокоманд. Один из методов определения времени выполнения микрокоманд приведен в Приложении. При совместном включении нескольких арифметических и управляющих устройств с различным быстродействием такт работы всего МПУ определяется длительностью такта устройства, обладающего меньшим быстродействием.
Число буферных регистров (портов) ввода-вывода является параметром, характеризующим структуру МПК БИС. Для секционированных МПК характерно использование многопортовых структур (обычно двух-трех). Увеличение числа портов ввода-вывода приводит к уменьшению длительности цикла выполнения микро-команды, упрощает построение МПУ, реализованных по «конвейерной» структуре. Остальные параметры МПК такие же, как и у Других цифровых микросхем. Это прежде всего уровни напряжений логических сигналов (U0 и U'), потребляемая мощность, устойчивость к изменениям напряжения питания, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность), помехоустойчивость и др.
Функциональная сложность МПК БИС определяется максимальными размерами полупроводниковых кристаллов, изготовление которых может обеспечить современный уровень развития технологии. Небольшие размеры кристаллов (до 50 мм2) требуют упрощения структур и ограничения разрядности БИС. Для опреде-ления содержимого внутренних регистров МП требуются специальные программы, обеспечивающие вывод содержимого регистров из МП. Большее число выводов БИС упрощает разработку МПУ. Однако корпуса, имеющие большее число выводов, занимают большую площадь на плате. Ограниченное число внешних вы-водов приводит к необходимости использования одних и тех же выводов для нескольких целей, например для ввода и вывода данных.
При построении МПУ необходимо обеспечить электрическое сопряжение между микросхемами МПК БИС. Условиями правильного сопряжения являются одинаковые представления логических О и 1 (U°, U1) и обеспечение допустимой нагрузки на каждый выход. При построении МПУ на одном или электрически совместимых МПК БИС первое условие выполняется и задача электрического сопряжения сводится к обеспечению допустимой нагрузки на каждый выход. Для МПК, выполненных по биполярной технологии, это условна может быть записано в виде неравенства [4]

I1 макс
Умножитель параллельный (8X8) КР1802ВРЗ 2206.42 - 2 tу=200 не; Рп = 3 Вт
Умножитель параллельный (12X12) КР1802ВР4 2136.64 - 1 tу=200 не; Рп=4 Вт Пвв=2; Пвыв=1
Умножитель параллельный (16X16) КР1802ВР5 2136.64 - 1 ty=200 не; Рп=5 Вт Пвв=2; ПвыВ=1
Сумматор на четыре входа К.Р1802ИМ1 2207.48 - 1 tс = 150 не Пвв=4; Пвыв=1
4-разрядная процессорная секция КМ1804ВС1 Серия КМ1804 2123.40 - 6 Uв=5 В±10%; Гц = 110 не.
Разрядность - кратная 4. Система команд по ОСТ 11.305.909 - 82 Аналог Ат2901
Схема формирования ускоренного переноса КМ1804ВР1 201.16 - 16
Аналог Ат2902
Схема управления последовательностью мк КМ1804ВУ1, КМ1804ВУ2 2121.28 - 1 2121.28 - 1
Аналоги: Ат2909 Ат2911
Схема выбора адреса следующей мк КМ1804ВУЗ 201.16 - 16 16 инструкций Ат2918
Параллельный 4-разрядный регистр КМ1804ИР1 201.16 - 16 Гц=20 не; Рп=0,65 Вт Ат2918
4-разрядная процессорная секция КМ1804ВС2 2123.40 - 6 Число РОН 16 Ат2903
Схема управления состоянием и сдвигами КМ1804ВР2 2123.40 - 6 t3 - 60 не. Число шин 2 Ат2904
Схема управления микропрограммой КМ1804ВУ4 2123.40 - 6 Гц=95 не; Рп=1,7 Вт Ат2910

Микропроцессорный комплект БИС К1800 выполнен по ЭСЛ-функционально-технологическому принципу. Микросхемы отличаются повышенными быстродействием и потребляемой мощностью. Архитектура МПК К1800, как и предыдущих, обеспечивает наращивание разрядности, микропрограммное управление, конвейерную организацию вычислений. Отличительной особенностью ЭСЛ-комплекта является ограниченный функциональный состав БИС, что затрудняет построение законченных МПУ только на МПК К1800. Комплект БИС К1800 электрически совместим с цифровыми микросхемами серий К500, К1500. Наличие в составе комплекта двунаправленного транслятора К1800ВА4 позволяет использовать совместно с К1800 МПК БИС ТТЛШ, например КР1802, КМ1804. При построении МПК К1800 использовался ряд схемо-технических и конструктивно-технологических особенностей построения быстродействующих микросхем, что позволило достигнуть степени интеграции до 1000 логических элементов (ЛЭ) на кристалле, снизить потребляемую мощность до 4 - 5 мВт на один ЛЭ и обеспечить время задержки 1 - 1,5 не на один ЛЭ [16].

1.3. Функциональная схема операционного устройства, построенного на МПК БИС К.Р1802

Микропроцессорный комплект БИС К588 выполнен по КМОП-функцианально-технологичесшму принципу. Важнейшей отличительной особенностью таких микросхем является низкая потребляемая мощность. В статическом режиме потребляемая мощность на один ЛЭ примерно в 100 раз меньше, чем у ТТЛ ЛЭ. В дина-мическом режиме (мощность, потребляемая КМОП-ехемами, увеличивается при повышении тактовой частоты. При тактовой частоте 1 - 2 МГц она всего в 5 - 10 раз меньше мощности, потребляемой ТТЛ-схемами. Комплект БИС К588 имеет несколько меньшее быстродействие, чем ТТЛШ МПК. Однако МПК К588 обеспечивает построение МПУ РЭА с ограниченным потреблением энергии.
Рассмотрим несколько примеров построения различных аппаратных средств на базе рассмотренных МПК БИС.
Пример 1.1. На рис. 1.3 приведена схема 16-разрядного операционного устройства МП [17]. Операционное устройство выполняет арифметические и логические операции над битами, полями битов, 16-разрядными словами; сдвиг 16-разрядных слов на один разряд вправо и влево. Управление работой операционного устройства осуществляется по шине микрокоманд (ШМК) и шине адреса (ШАД). Передача операндов осуществляется по шинам А и В, результат операции выдается на шину А.
Синхронизация считывания информации из регистров и записи результата в регистр выполняется синхроимпульсом (СИ), импульсами чтения (Чт), импульсами записи (Зп). Результат операции сопровождается выдачей признаков равенства нулю (ПН) результата, переполнения разрядной сетки (ПП) и расширения (ПР). Арифметическое устройство выполнено на двух БИС КР1802ВС1 (Dl, D2). Сверхоперативная память данных и результата выполнена на четырех БИС РОН КР1802ИР1 (D3 - D6). Емкость памяти 16X16.
Пример 1.2. Процессор микро-ЭВМ общего назначения. На рис. 1.4 приведена функциональная схема процессора с системой команд и интерфейсом микро-ЭВМ «Электроника-60» [18]. Процессор предназначен для применения в МПУ с жестко ограниченными энергетическими ресурсами и быстродействием до 400 тыс. коротких операций. При этом может быть использовано математическое обеспечение микро-ЭВМ «Электроника-60». Процессор выполнен на БИС МПК К588: К588ВС2 (D6), К588ВУ2 (D1 - D5), К588ВГ1 (D7). Каждая БИС управляющей памяти (D1 - D5) отличается информационным содержанием.

1.4. Функциональная схема микропроцессора, построенного на МПК БИС К588

Данные адреса и команды передаются по 16-разрядной совмещенной магистрали данных-адреса ДА0 - ДА15. Эта магистраль соединена с каналом К1 D6 и регистрами команд управляющей памяти (Dl - D5).
Четыре БИС (Dl - D4) формируют микрокоманды, управляющие работой ДУ (D6). 12-разрядные МК объединяются по схеме «проводное И» и подключаются к регистру микрокоманд АУ. Системный контроллер (СК) К588ВП управляется 5-разрядной МК, формируемой D5. Свободные разряды МК (МК5 - МКИ) вырабатывают сигналы разрешения прерывания по запросам ППРО - ППР4, ППРТ и сигнал «Останов». Поскольку длина микропрограмм, записанных в Dl - D5, различная, синхронизация приема кода команды осу-ществляется по сигналам «Конец команды», объединенным по схеме «Про» водное И».
Таблица 1.3
Новер линии Обозначение линий системной магистрали Назначение линий системной магистрали
1 - 5 СИА, Ввод, Вывод, СИП, Байт Линии сигналов синхронизации активного уст-ройства, ввода, вывода, синхронизации пассивного устройства и вывода байта
6 Останов Линия сигнала аппаратного останова
7 ПИТН Линия сигнала источника питания, сигнализи-рующая о нормальном уровне напряжения
питания
8 - 10 ТПДП, ППДП,
ппд Линии сигналов требования, представления и подтверждения захвата системной магистрали внешним устройством для ПДП
11, 12 Пуск 0, Пуск 1 Линии начального запуска процессора соединены с входами R0 и R1
13 - 17 ТПРО - ТПР4 Линии требования прерывания внешними уст-ройствами
18 ТПРТ Сброс Линия сигнала требования прерывания от таймера
19
Линия сигнала инициализации внешних устройств
20 - 24 ППРО - ППР4 Линии разрешения прерывания по запросам ТПРО - ТПР4
25, 26 ППРТ, Останов Линии разрешения прерывания по запросам ТПРТ и Останов
27, 28 а, С2 Линии управления магистральными приемо-передатчиками (активные уровни сигналов - низкие). При активном С1 направление передачи - от процессора, при активном С2- - к процессору. При пассивных уровнях - состояние «отключено»
29, 30 ТПР, ППР Линии сигналов требования и разрешения пре-рываний
31-46 ДАО - ДА 15 Двунаправленные линии передачи данных, адреса и команд

Внутри и внепроцессорный обмен информацией осуществляется по асинхронному принципу с помощью сигналов «Выдано» (В) и «Принято (Я). При этом сигналы «Принято» всех БИС объединены, а «Выдано» соединяются следующим образом: В1 СК и В АУ, В2 СК и В D1 - D3, ВЗ СК и В D4 и DS, При таком соединении сигналов синхронизации обеспечивается разделение во времени приема данных и команд и запрещение приема команды в D1 - DS при наличии разрешенного прерывания. Соединением выводов С и Ф1 АУ и СК с соответствующими выводами управляющей памяти обеспечивается синхронизация передачи-приема МК.
Код состояния АУ выдается в канал К2 и далее поступает в канал К2 D1 - D3. В регистр состояния (канал K2) D4 и DS поступают сигналы прерывания СК Лр1 - Пр4.
Сигналы R0 и Rl D1 - D5 предназначены для начального запуска процессора. При ошибочном обращении к магистрали СК вырабатывает сигнал Я, который переводит D1 - D5 в режим формирования микропрограммы прерывания, вызванной этим ошибочным обращением к магистрали.
Интерфейс системной магистрали процессора включает 46 линий (табл. 1.3), 30 из которых (1 - 10, 18, 19, 29-46) по назначению совпадает с соответствующими линиями интерфейса микро-ЭВМ «Электроника-60». Остальные линии (11 - 17, 20 - 28) являются дополнительными.
Система команд процессора включает все команды микро-ЭВМ «Электроника-60», а также команды расширенной арифметики с фиксированной точкой. Для повышения производительности процессора в микропрограммах применено совмещение во времени отдельных этапов выполнения команд: считывание последующей команды совмещено с выполнением текущей, считывание данных из памяти - с не зависящими от него операциями. Применяемый в процессоре МПК БИС К588 электрически совместим с микросхемами серий 564 (при напряжении питания 5 В) и микросхемами серии 530 (при подключении не более двух нагрузок). Для повышения нагрузочной способности выводов внешнего интерфейса БИС процессора их можно подключать к системной магистрали через приемопередатчик К588ВА1, обеспечивающий согласование с 20 ТТЛШ-нагрузками и работу на емкостную нагрузку до 300 пФ. Потребляемая процессором мощность в динамическом режиме около 100 мВт.
Развитие МПК ведется в направлениях, указанных в 1.1, а также путем [совершенствования технологии МОП-структур, что постепенно выдвигает КМОП БИС и СБИС в первые ряды не только по малой потребляемой мощности, но и по быстродействию