Проектирование микроЭВМ на основе микропроцессорного комплекта серии 1804
управляющие сигналы, последовательное выполнение которых приводит к
выполнению команды в целом.
Данная система реализации команд получила название принципа
микропрограммной реализации команд и достаточно широко используется при
реализации конкретных вычислительных устройств благодаря своей гибкости и
производительности.
2.3 Проектирование УУ микро ЭВМ.
2.3.1 Процесс взаимодействия центральной и периферийной ЭВМ.
Очевидно, что разработанная микро ЭВМ является специализированной и
не стоит на вершине цепочки управления, а потому необходимо иметь алгоритмы
и средства, осуществляющие управление данной микро ЭВМ.
С учетом назначения разрабатываемого устройства (сбор и обработка
информации), процесс взаимодействия центральной и периферийной ЭВМ можно
обеспечить следующим образом: при поступлении запроса на прерывание от
центральной ЭВМ, программа-обработчик данного прерывания производит опрос
портов ввода-вывода данного прерывания и, в соответствии с алгоритмом
вычисления заданной арифметической функции (ln x), производит обработку
полученных данных. После этого периферийная ЭВМ инициирует запрос на прямой
доступ к памяти и по каналу ПДП пересылает полученные в результате расчетов
данные в ОЗУ центральной ЭВМ, после чего продолжает выполнение прерванной
программы.
Таким образом, алгоритм взаимодействия ПЭВМ и ЦЭВМ можно отобразить
следующей обобщенной блок-схемой, представленной на рис. 10.
[pic]
Рис. 10. Алгоритм взаимодействия ПЭВМ и ЦЭВМ.
2.3.2 Устройство управления микро ЭВМ.
При функционировании микро ЭВМ, в частности при выполнении
определенной программы возникает вопрос о времени выполнения определенных
микроопераций. Это связано с тем, что некоторые операции выполняются
быстрее, другие – медленнее. Поэтому встает вопрос о методах синхронизации
некоторых блоков микро ЭВМ для избежания сбоев и ложных срабатываний.
Очевидным и наименее сложным является метод тактирования элементов ЭВМ
тактами, длительность которых больше максимального времени выполнения
микроопераций. Однако из-за неэффективности данного способа (возможно
значительное время простоя микро ЭВМ) применение этого метода оказывается
неэффективным.
Для построения более эффективных вычислительных устройств может
использован следующий метод: предлагается ввести в состав схемы микро ЭВМ
схему управления длительностью такта. Структурная схема такого решения
может быть представлена как показано на рис. 11.
[pic]
Рис.11. Структурная схема схемы управления длительностью такта.
В этом случае в Рг.Мк. выделяется определенное поле, которое и
определяет время выполнения микрокоманды.
Чтобы избежать излишней громоздкости схемы управления длительностью
такта при большом количестве команд с различным временем исполнения, имеет
смысл разбить их на группы и применять к каждой группе первый алгоритм.
3. Проектирование структуры микро ЭВМ.
3.1 Проектирование памяти микро ЭВМ.
3.1.1 Проектирование локальной памяти процессорного элемента.
В локальной памяти процессорного элемента хранится микропрограммная
интерпретация команд (микрокоманд) компьютера. Очевидно, что количество
микросхем модулей памяти определяется двумя факторами:
- разрядностью ПЗУ;
- разрядностью регистра микрокоманд.
-
С учетом заданной микросхемы (556РТ14), функциональную схему локальной
памяти процессорного элемента можно представить, как показано на рис. 12.
Адрес с выхода СУАМ поступает на адресные входы блока ПЗУ, и на
выходных шинах микросхем появляется микрокоманда, поступающая в Рг.Мк.
[pic]
Рис. 12. Функциональная схема локальной памяти процессорного элемента
3.1.2 Проектирование системы ПЗУ и ОЗУ.
Очевидно, что прикладные программы и другое служебное программное
обеспечение находится в оперативном запоминающем устройстве, причем
необходимо часть памяти организовать на ПЗУ. В этом случае в нем можно
разместить наиболее часто используемые программы, например тест памяти и
программу для расчета заданной арифметической операции. С учетом того, что
данная микро ЭВМ является специализированной, в ПЗУ можно разместить и
обработчики прерываний, которые могут произойти от внешних устройств
(портов) центральной ЭВМ или устройства управления.
Обобщенную структурную схему ОЗУ можно представить как показано на
рис. 13. Подробная принципиальная схема приведена в приложении 1.
3.1.3 Разработка системы адресации.
В разрабатываемой микро ЭВМ поддерживаются следующие методы адресации:
- прямая;
- непосредственная;
- автоинкрементная;
- относительная.
Для поддержки перечисленных методов адресации в структуре микро ЭВМ
предусмотрен ряд аппаратной поддержки (наличие дополнительных управляющих
регистров).
Рассмотрим данные методы адресации и их аппаратную поддержку более
подробно.
1. Прямая адресация.
При считывании команды из памяти в регистр команд вместе с кодом
операции попадает адрес первого операнда в выполняемом действии, который
может быть передан в блок обработки данных через регистр Рг.ADR. (при
наличии соответствующих управляющих сигналов в Рг.Мк.), второй адрес
операнда необходимо получить считав в регистр входных данных следующее
слово команды из памяти.
2. Непосредственная.
При данном способе адресации в теле команды присутствует сам операнд.
Таким образом в регистр команд попадает только код операции, а параметр
считывается на следующем такте в регистр входных данных. При реализации
данного метода адресации дополнительного аппаратного оборудования не
требуется.
3. Автоинкрементная.
При данном способе адресации в качестве номера автоинкрементного
регистра используется одно из полей считанного в регистр команд слова. Для
аппаратной поддержки данного способа адресации используется регистр с
возможностью переключения его выходных шин в третье состояние (высокого
сопротивления), выходы которого коммутируются на адресные входы А и В блока
обработки данных (МПС).
[pic]
Рис. 13 Структурная схема ОЗУ.
4. Относительная.
При реализации данного метода адресации были учтены следующие
обстоятельства: При считывании слова из оперативной памяти в регистр команд
попадает поле (смещение) адресуемого операнда. Это поле может быть передано
в блок обработки данных для вычисления исполнительного адреса, в случае,
если выставлены разрешающие сигналы в Рг.Мк. Передача этого поля в БОД
осуществляется через регистр ADR, который коммутируется на входы данных МПС
и имеет возможность переключения своих входных шин в состояние высокого
сопротивления.
Обобщая все выше сказанное, можем представить регистр команд в виде,
показанном на рис. 14.
|Поле кода операции |Адрес операнда |
| |Номер автоинкрементного регистра |
| |Смещение операнда. |
Рис. 14. Регистр команд.
3.2 Разработка системы ввода-вывода и системы прерываний.
3.2.1 Разработка системы ввода-вывода.
Для адресации портов ввода-вывода будем использовать младшую адресную
часть шины адреса и введем идентификатор обращения к портам (памяти). Для
передачи (считывания) в порт данных будем использовать младшую часть шины
данных.
В этом случае укрупненная функциональная схема портов ввода-вывода
может быть представлена в виде, как показано на рис. 15.
[pic]Рис. 15. Функциональная схема портов ввода-вывода.
3.2.2 Разработка системы прерываний.
При функционировании микро ЭВМ возможно возникновение ситуаций, когда
требуется немедленное вмешательство процессора. Такими ситуациями для
проектируемого устройства могут быть:
- запрос данных от центральной ЭВМ;
- запись новой информации в порт ввода-вывода;
- другие запросы от устройства управления.
При появлении запроса на прерывание, контроллер прерываний через
приоритетный шифратор выдает на ПНА номер вектора прерывания и ведет счет
вложенных прерываний. При достижении двух уровней вложенности прерываний
контроллер игнорирует все запросы вплоть до окончания обработки последнего
произошедшего прерывания.
Структурная схема такого контроллера представлена на рис. 16.
[pic]
Рис. 16. Структурная схема контроллера прерываний.
3.3 Проектирование системы ПДП.
В некоторых случаях возникает необходимость в передаче данных без
помощи процессора. В этом случае является необходимым использование системы
прямого доступа к памяти. Применительно к разрабатываемой микро ЭВМ
использование системы ПДП необходимо при запросе от центральной ЭВМ на
передачу ей данных. В этом случае процессор отключается от шины и все
функции по формированию управляющих сигналов берет на себя контроллер
прямого доступа к памяти (ПДП). С учетом этого и структуры памяти
центральной ЭВМ (память динамическая на основе микросхем 565РУ6),
структурная схема контроллера ПДП может быть представлена, как показано на
рис. 17.
[pic]
Рис. 17. Структурная схема контроллера ПДП.
3.4 Разработка внутреннего интерфейса микрокомпьютера.
Совокупность аппаратных средств, предназначенных для связи отдельных
частей микрокомпьютера называют внутренним интерфейсом ЭВМ.
Во внутреннем интерфейсе можно выделить следующие основные части:
- шина адреса (для управления адресными элементами микро ЭВМ);
- шина данных (для обмена операндами);
- шина управления (совокупность управляющих сигналов для заданного
режима работы).
В разрабатываемой микро ЭВМ все вышеперечисленные компоненты
используются, что позволяет упростить протоколы обмена и максимально
увеличить производительность.
4. Разработка микропрограммного обеспечения.
4.1 Микропрограммная интерпретация команд языка компьютера.
Всякая команда из системы команд микро ЭВМ представляет собой
некоторый набор микроопераций прошитых в ПЗУ микрокоманд, которые
выполняются в случае считывания данной команды в регистр команд. При этом
отдельные микрооперации попадают в регистр микрокоманд, который по сути
дела т выставляет управляющие сигналы ко всем управляемым элементам микро
ЭВМ, обеспечивая тем самым корректное выполнение заданной отдельной
микрооперации и команды в целом.
Для демонстрации порядка выполнения команд в виде некоторой
последовательности микрокоманд рассмотрим формат регистра микрокоманд:
|№ |Название |Назначение |
|п/п | | |
|0-3 |UI0 - UI3 |Инструкция для УСА |
|4-15 |D0 - D11 |Адрес для перехода в СУАМ |
|16-24 |I0 – I8 |Инструкция для МПС |
|25 - |A, B |Адресные входы БОД |
|32 | | |
|33 – |SI0 – SI12 |Операция СУСС |
|45 | | |
|46 |C0 |Входной перенос в МПС |
|47 |[pic] |Разрешение выдачи с DI |
|48 |[pic] |Разрешение выдачи с ADR |
|49 |[pic] |Разрешение выдачи с RON |
|50 |[pic] |Разрешение выдачи с A, B с Рг.Мк. |
|51 |[pic] |Разрешение на запись в DO |
|52 |[pic] |Разрешение выдачи с DO |
|53 |[pic] |Разрешение на запись в Рг.А |
|54 |[pic] |Разрешение на выдачу А |
|55 |[pic] |Обращение к портам ОЗУ |
|56 |[pic] |Чтение – запись |
|57 |[pic] |Запрос на PDP |
|58 |[pic] |Запрет сдвигов |
Таким образом, разрядность регистра микрокоманд – 58 разрядов.
Следовательно, для реализации ПЗУ микрокоманд потребуется 15 микросхем
556РТ14.
Рассмотрим микропрограммную реализацию некоторых команд микро ЭВМ
(макрокоманд):
MOV REG, операнд
|1)|1110|XXXXXXXXXXX|011000|XXXX|0000|XXXXXXXXXXXXX|1111 011 001 101 |
| | |X |011 | | | | |
|2)|1110|XXXXXXXXXXX|011000|XXXX|XXXX|XXXXXXXXXXXXX|0010 111 111 101 |
| | |X |111 | | | | |
Аналогичным образом строятся все микрокоманды.
4.2 Разработка программы арифметической операции.
Программа вычисления ln x в командах данной микро ЭВМ будет выглядеть
следующим образом:
| |MOV |R1, |1 |
| |MOV |R2, |0 |
| |MOV |R11,|0 |
| |MOV |R3, |0 |
| |MOV |R4, |X |
| |DEC |R4 | |
|M6: |MOV |R5, |R4 |
|M1: |MOV |R6, |0 |
| |MOV |R7, |R1 |
| |MOV |R12,|R4 |
| |MOV |A0, |R7 |
| |SUB |R7 | |
| |CMP |0 | |
| |JA |MZ | |
| |MOV |R14,|1 |
| |JMP |M3 | |
|MZ: |MOV |R14,|0 |
|M3: |SHL |R12 | |
| |MOV |R0, |R12 |
| |SUB |R7 | |
| |CMP |0 | |
| |JA |M4 | |
| |SHL |R6 | |
| |ADD |R7 | |
| |MOV |R12,|R0 |
| |JMP |M5 | |
|M4: |SHL |R6 | |
| |INC |R6 | |
| |MOV |R12 |R2 |
|M5: |DEC |R8 | |
| |MOV |R0, |R8 |
| |CMP |0 | |
| |JZ |M6 | |
| |MOV |R2, |R6 |
| |MOV |R0, |R11 |
| |INC |R1 | |
| |MOV |R13,|0 |
| |MOV |R9, |R4 |
| |MOV |R10,|R5 |
| |MOV |R0, |R9 |
| |MUL |R10 | |
| |MOV |R4, |R0 |
| |NEG |R4 | |
| |DEC |R3 | |
| |MOV |R0, |R3 |
| |CMP |0 | |
| |JZ |M7 | |
| |JMP |M0 | |
|M7 | | | |
| |END | | |
4.3 Разработка служебного программного обеспечения.
Текст программы теста ОЗУ:
|M0: |MOV |R0, |7FFF |
| |MOV |R1, |0 |
| |MOV |[R0], |R1 |
| |DEC |R0 | |
| |CMP |0 | |
| |JZ |M1 | |
| |JMP |M0 | |
|M1: |MOV |R1, |0 |
|M2: |MOV |R0, |[R1] |
| |CMP |0 | |
| |JNZ |ERROR | |
| |MOV |[R1], |111..1|
| | | |1 |
| |DEC |R5 | |
| |MOV |R0, |R5 |
| |SUB |R1 | |
| |MOV |R6, |R0 |
| |MOV |R0, |[R6] |
| |CMP |0 | |
| |JNZ |ERROR | |
| |MOV |[R6], |11..11|
| |MOV |R0, |R1 |
| |CMP |3FFF | |
| |JNZ |MZ | |
| |MOV |R1, |0 |
|M3: |MOV |R0, |[R1] |
| |CMP |0 | |
| |JNZ |ERROR | |
| |MOV |[R1], |0 |
| |MOV |R0, |R5 |
| |DEC |R0 | |
| |SUB |R1 | |
| |MOV |R6, |R0 |
| |MOV |R0, |[R6] |
| |CMP |0 | |
| |JNZ |ERROR | |
| |MOV |[R6], |0 |
| |MOV |R0, |R1 |
| |CMP |3FFF | |
| |JNZ |M3 | |
| |JMP |OK | |
|ERROR: |HALT | | |
|OK: | | | |
| |END | | |
Заключение.
Таким образом в процессе выполнения курсового проекта была создана
микро ЭВМ на комплекте серии 1804, позволяющая производить сбор и обработку
информации, имеющая свою универсальную систему команд, с возможностью
выполнения сложной арифметической функции.
Данная микро ЭВМ может быть использована в качестве периферийной
вычислительной машины или как автономный бортовой компьютер в тех областях,
где применение таких устройств является необходимым.
Страницы: 1, 2, 3
|