Методические указания по микропроцессорным системам

площадь на кристалле, отводимую под функциональные элементы, и тем самым

увеличивает функциональные возможности МП и МПС.

В трехшинном МП при определенной внутренней организации РОН возможно

выполнение операций за один такт, включая выборку операндов из РОН и запись

результата в один из регистров. Достоинства: высокое быстродействие и

отсутствие буферных регистров, недостаток ( большая площадь шин на

кристалле.

Двухшинная организация при меньшей площади шин требует введения одного-

двух буферных регистров и операции выполняются за два такта.

Организация МП на основе одной шины позволяет максимально усложнить

архитектуру МП, однако требует введения двух-трех буферных регистров и трех

тактов для выполнения операций.

При использовании магистральной организации МПС возникает сложность в

подключении выходов нескольких элементов к одной шине (к одному проводнику

общей шины). Известны три следующих способа решения этой задачи.

Логическое объединение (рис. 1.4, а) ( выполняется с помощью схемы

ИЛИ, на входы которой поступают сигналы от разных источников информации,

предварительно проклапанированные сигналами управления на входах схем И.

[pic]

Рис. 1.4. Способы подключения устройств к общей шине

Объединение с помощью схем с открытым коллектором (рис. 1.4, б)

характеризуется электрическим соединением выходов нескольких логических

элементов. Часто этот способ называют «монтажным ИЛИ» или «монтажным И».

Объединение с использованием схем с тремя состояниями (рис. 1.4, в)

отличается именно таким характером нагрузки. В отличие от обычных ключевых

схем здесь возможен третий режим, при котором оба транзистора одного

каскада (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) закрыты. В этом случае со стороны выхода

каскад обладает высоким сопротивлением и практически не влияет на

состояние общей шины. Если в состоянии высокого сопротивления будут

находиться оба каскада, то общая шина может использоваться произвольно

любыми внешними по отношению к МП устройствами. Этот способ широко

используется при организации прямого доступа к памяти и при построении

мультипроцессорных систем.

Кроме широко известных устройств внешней (ЗУ команд и ЗУ данных) и

внутренней (РОН) памятей, для которых характерен адресный принцип общения,

в МП МПС обычно предусматривается возможность работы с так называемой

магазинной памятью (стеком), при обращении к которой не требуется указание

адреса. Возможная организация магазинной памяти представлена на рис. 1.5.

[pic]

Рис. 1.5. Организация стека

Выборка одной из ячеек матрицы памяти осуществляется через дешифратор

адреса (ДСА) по адресу, находящемуся на реверсивном счетчике адреса,

называемом указателем стека (УС). Начальное значение адреса поступает в УС

на вход А. В процессе работы состояние УС при каждой записи уменьшается, а

при каждом чтении увеличивается на единицу. Управление режимами записи и

чтения выполняет местный блок управления (МБУ).

При записи входное слово Х поступает на регистр слов (PC) и

записывается в матрицу памяти по адресу, который в данный момент был

установлен в УС. С небольшой задержкой после записи информации содержимое

УС уменьшается на единицу, подготавливаясь к следующей записи, так что УС

постоянно указывает на пустую ячейку.

При чтении МБУ сначала вырабатывает сигнал, увеличивающий содержимое

УС на единицу, а затем ( сигнал чтения информации из матрицы памяти. В

результате на выходных цепях стека появится слово Х, которое было записано

последним. Принцип работы стека может быть сформулирован как «последним

записан – первым прочитан» (Last In First OUT ( LIFO). Ввиду отсутствия в

коде команд записи (чтения) адресного поля уменьшается разрядность этих

команд и время их выполнения.

В МПС используются два вида стека: встроенный и автономный. Встроенный

стек полностью размещается на кристалле МП. Емкость (глубина) стека здесь

не может быть большой (обычно 16-32 слова). При организации автономного

стека в качестве матрицы памяти используется внешнее по отношению к МП ОЗУ,

а на кристалле располагается лишь УС с разрядностью, равной разрядности

шины адреса; глубина стека может быть равна адресуемой емкости памяти

(обычно 64 К). Для компенсации снижения быстродействия в некоторых МП с

автономным стеком реализованы аппаратная запись и восстановление при

прерываниях содержимого ПС, аккумулятора и регистра состояния.

Работа МПС сопровождается интенсивным обменом информацией между МП,

ЗУ, УВВ. Эффективность решения задач МПС в значительной степени

определяется организацией этого обмена и структурой связи между МП, памятью

и УВВ. Для организации обмена между указанными устройствами вводится

понятие интерфейса – это система шин, вспомогательной аппаратуры и

алгоритмов, реализованных на этой аппаратуре. В функции интерфейса входят:

дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование

форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к памяти или

УВВ, электрическое согласование сигналов.

Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная

мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению

средств интерфейса между различными устройствами:

- устройством управления памятью и вводом-выводом, входящим в состав

МП;

- непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным

звеном между МП, памятью и УВВ;

- специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ.

Различают следующие способы организации связи между МП и УВВ в МПС:

программный обмен данными по командам условного перехода; обмен данными по

сигналам прерывания; обмен данными в канале прямого доступа в память;

подключение устройств ввода-вывода к МП.

При программном обмене данными по командам условного перехода МП

программным путем должен определить, готово ли периферийное устройство к

выполнению операций ввода-вывода до того, как начнется программная передача

данных. Внешнее устройство должно иметь аппаратурные средства для выработки

информации о внутреннем состоянии статусной информации. МП считывает эту

информацию, передает ее во внутренний регистр-аккумулятор, анализирует и на

основе результата анализа принимает решение о готовности устройства

(рис.1.6).

МП может находиться в режиме программного ожидания (готовности)

внешнего устройства, выполняя команды блоков 1 и 2. После обнаружения

состояния готовности МП передает данные по командам блоку 3, а затем

приступает к работе по продолжению основной программы.

[pic]

Рис. 1.6. Алгоритм программного обмена

На рис. 1.7 приведен пример обмена данными по командам условного

перехода. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при передаче данных имеет

трехуровневые выходные каскады, передача данных с которых осуществляется по

сигналу “Разрешение выдачи” (РВ). По сигналу “Начало преобразования” (НП)

АЦП начинает преобразования мгновенной амплитуды входного аналогового

сигнала в восьмиразрядный код. По окончанию преобразования выдается

управляющий сигнал “Конец преобразования” (КП).

Сигналы НП, КП и РВ считываются МП из байтового выходного регистра

данных. Сигналы Д7 – Д0 имеют правильное значение, если соблюдена

последовательность выдачи управляющих сигналов НП, КП и РВ согласно

временной диаграмме. Сигнал с дешифратора адреса ДСА

[pic]

Рис. 1.7. Схема подключения АЦП к МП при программном вводе данных

вместе с сигналом операции МП Чт/Зп по сигналу импульса синхронизации С

определяет генерацию необходимого управляющего сигнала. По сигналам АНП

=АРВ = 1 осуществляется запуск АЦП; по сигналам АРВ = АКП = 1 – считывание

и ввод в МП значения сигнала КП. Этот сигнал через трехуровневый каскад

вводится в МП по шине Д7. Поэтому команда “Условный переход по знаку

результата” определит либо окончание преобразования (КП=1), либо

необходимость перехода к новому циклу анализа (КП=0). При сигнале КП=1

командой “Прочитать данные по адресу АРВ” осуществляется ввод информации с

АЦП в МП.

Для организации обмена данными по сигналам прерывания от внешних

устройств в МП должны быть предусмотрены специальные аппаратурные средства

анализа состояния внешних устройств. Если они обнаруживают готовность к

обмену какого-либо внешнего устройства, то сигнализируют об этом блоку

управления МП, который завершает текущую операцию, передает на хранение в

память всю информацию внутренних регистров данных и управления и переходит

к подпрограмме обслуживания прерывания. Основная часть этой подпрограммы –

команды передачи данных между МП и конкретным внешним устройством. В конце

нее имеются программы восстановления состояния МП, которое существовало к

началу прерывания.

Если необходимо осуществить обмен между внешним устройством и памятью,

то нет необходимости пересылать данные через МП, так как в противном случае

затраты времени МП будут очень большими. Можно ввести в МПС контроллер

прямого доступа в память, который берет на себя управление передачей.

Построение канала ПДП является альтернативой программному обмену, поэтому и

в данном случае справедливы общие закономерности балансировки программно-

аппаратурных средств. Средства канала ПДП могут быть подключены параллельно

процессору (рис.1.8, а), с передачей функции арбитража ОЗУ.

[pic]

Рис. 1.8. Схема подключения КПД к ОЗУ в МПС

Однако при этом усложняются схемы управления ОЗУ, появляется второй

информационный канал, состоящий из информационных МД и МА и управляющих

сигналов МУ. Поэтому в МПС решается задача разделения единого

информационного канала между МП и КПД в память посредством использования

свойств трехуровневого состояния информационных подмагистралей. МП во время

передачи информации по КПД переводит выходные схемы управления всех

магистралей в высокоомное состояние и изолируется от остальной части

системы, что аналогично обрыву его информационного канала (рис. 1.8, б).

Способы подключения внешних устройств к МП определяются возможностями

его корпуса, аппаратурно-программных средств, количеством и особенностями

устройств ввода-вывода. Запрос на простое прерывание привлекает внимание МП

к внешней системе и требует анализа ее состояния.

Если несколько устройств ввода-вывода (УВВ) подключены к своим

индивидуальным аппаратурным ресурсам (радиальный интерфейс) (см. рис.1.9,

а), то внутри МП необходимо иметь мультиплексор для последовательного

опроса всех УВВ. В случае подключения многих УВВ к одному уровню прерывания

при простом прерывании требуется обзор всех причин прерывания и выделения

активного УВВ.

Последовательное расположение подпрограмм анализа причин прерываний

УВВ в программе может считаться приоритетным, если не задан другой

алгоритм. Следовательно, первое активное устройство, обнаруженное

программой прерывания, получает ресурс на обслуживание. Аппаратурно этот

алгоритм реализуется в “цепочечной” схеме подключения УВВ (рис.1.9, б).

[pic]

Рис.1.9. Схемы подключения УВВ к МП МПС

Векторное прерывание возникает в том случае, когда УВВ, выставившее

запрос на прерывание, посылает после выполнения запроса адрес ячейки, где

расположена программа прерывания данного УВВ (рис.1.9, в).

Многоуровневые групповые системы (рис.1.9, г) прерывания требуют

наличия в МП несколько входов и могут быть векторными, приоритетными или

обзорными.

Принципиальные отличия в организации структуры микропроцессора МПС от

организации структуры процессора классической ЭВМ (наличие нескольких

внутренних шин, РОН, стека и т.п.) приводят к особенностям функционирования

МП при организации процессов обработки информации и управления этими

процессами.

Процесс обработки информации осуществляется в МПС с помощью его

центрального устройства ( микропроцессора, типовая структура которого в

самом общем случае состоит из АЛУ (см. рис. 1.10, а), набора регистров

общего назначения (РОН), буферного регистра (БР) и регистра сдвига (Рсдв).

Представленная структура обладает очень широкими возможностями:

содержимое любого РОН может быть передано на БР и на Рсдв, а стандартное

четырехразрядное АЛУ (рис. 1.10, б) может выполнить 16 логических и 32

арифметических операции над содержимым обоих регистров; результат может

быть записан в любой из РОН.

[pic]

Рис. 1.10. Типовая структура МП

При подаче соответствующих управляющих сигналов в этой системе,

например, возможны:

- передача данных из одного РОН в другой (транзитом через БР и АЛУ);

- увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого из РОН путем

изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного

результата в тот же регистр;

- сдвиг содержимого любого РОН путем передачи любого выбранного из РОН

числа в Рсдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.

Очевидно, что для выполнения этих и других операций очень важно

распределение подаваемых управляющих сигналов во времени. Например, для

передачи данных из одного РОН в другой требуется два такта: 1 такт:

адресация РОН, выборка содержимого РОН, прием выбранного слова в БР; 2

такт: адресация РОН, запись в РОН информации через АЛУ. Из этого примера

видно, что при определенной последовательности управляющих сигналов будет

выполняться определенная операция над данными, хранимыми в РОН. При этом

необходимо выполнять два требования (см. рис. 1.11): обеспечение анализа

логических условий и ветвление процесса; сохранение сигнала арифметического

переноса из АЛУ (триггер Т1) и выходного бита Рсдв (триггер Т2) , т.к. они

могут понадобиться при выполнении следующей операции.

С этими изменениями становятся возможными операции над словами с

разрядностью, большей, чем разрядность АЛУ, РОН и вспомогательных

регистров.

[pic]

Рис. 1.11. Структура обрабатывающей части МПС

Наиболее полно организацию процесса обработки информации в МПС

отображает структурная схема МП, приведенная на рис. 1.12. Для упрощения

структуры МП и организации его работы признаки условий обычно хранятся на

специально выделенном регистре ( регистре признаков, разрядность которого

не превышает разрядности внутренних шин МП.

[pic]

Рис. 1.12. Структурная схема МП

В состав МП, помимо ранее рассмотренных устройств, введены регистр

результата (РР), мультиплексоры M1 ( M4, цепи анализа значений логических

условий и необходимые управляющие входы.

Рассмотрим назначение введенных мультиплексоров и соответствующих

управляющих сигналов, с помощью которых организован процесс обработки

информации в МПС.

Мультиплексор M1 ( мультиплексор цепи переноса: в зависимости от

назначения управляющего сигнала У6 (0 или 1) к входу переноса АЛУ

подключается или внешний вход, или выход триггера переноса T1.

Мультиплексор M2 ( мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входу

триггера сдвига T2 в зависимости от значения сигнала У14 выход старшего или

младшего разряда регистра Рсдв.

Мультиплексор M3 ( мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входам

старшего или младшего разрядов регистра Рсдв один их четырех выходов в

зависимости от комбинации значений сигналов У15 и У16 : выход М2 (У15 =У16

=0), выход триггера Т2 (У15 = 0, У16 =1), логическую единицу (У15 =1, У16 =

0), логический нуль (У15, У16 =1,). Первая комбинация соответствует

организации циклического сдвига, оставшиеся отличаются тем, что при сдвиге

содержимого Рсдв влево или вправо в освобождающийся заряд записывается,

соответственно, содержимое триггера T2, логическая единица или нуль.

Мультиплексор M4 ( мультиплексор анализа условий, подключающий к

выходу P в зависимости от комбинаций сигналов У8 и У9: выход старшего

разряда регистра PP; выход схемы ИЛИ-НЕ, единичное значение на котором

будет только при нулевом содержимом регистра PP; логическую единицу.

Устройство управления МПС должно выполнять две основные функции:

управление выполнением операций и выборку команд программы в нужной

последовательности, их дешифрацию и обработку. Существуют два подхода к

организации управления выполнением операций.

Первый заключается в том, что n управляющих входов МП объединяются в

отдельную n-разрядную шину, на которую для выполнения передачи и (или)

обработки информации на каждом шаге алгоритма необходимо подавать n-

разрядный вектор (микрокоманду). Этот способ позволяет легко реализовать

любой алгоритм, но поскольку на каждом шаге только некоторая часть сигналов

имеет единичное значение, а большинство - нулевое, то используется лишь

незначительная часть всех n разрядов. Проанализировав архитектуру и

назначение МПС, можно выделить группы сигналов, которые никогда

одновременно не вырабатываются, и использовать в каждой группе для

формирования управляющих сигналов дешифраторы. Такой способ организации

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7