ЛР3. Ознакомление с командами и интерфейсом макета МП-589. Выполнение тестовых задач

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.Баумана

В.И. Белоусова, В.И. Виноградов, С.Б. Спиридонов

Лабораторная работа № 3

по курсу "Вычислительные средства АСОИУ"

Ознакомление с командами и интерфейсом

макета МП-589.

Выполнение тестовых задач на программном эмуляторе.

Москва 2012 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Приведенные в пособии лабораторные работы проводят при изучении курса «Архитектура ЭВМ» с целью приобретения практических навыков проектирования вычислительных устройств и использования их в качестве управляющих устройств. Лабораторным стендом служит учебная микроЭВМ МП-589, реализованная на микропроцессорном комплексе К 589.

С помощью микроЭВМ студенты знакомятся со структурой вычислительного устройства, построенного по секционируемому принципу с микропрограммным управлением.

Учебная микроЭВМ имеет встроенный сетевой источник питания, средства отображения информации в магистралях и клавиатуру для ввода исходных данных и программ. Сменные платы внешних устройств позволяют подключать к микроЭВМ разнообразные устройства.

При выполнении работ студент должен руководствоваться порядком выполнения работ, изложенных в методических указаниях, а также рекомендациями преподавателя, проводящего занятия.

Результаты экспериментальной работы и самостоятельной теоретической подготовки по исследуемому вопросу защищаться должны студентом в индивидуальном порядке.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ МИКРОЭВМ НА СЕКЦИОНИРОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОЭВМ НА БАЗЕ СЕКЦИОНИРОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Микропрограммный принцип управления. Основное отличие микропроцессорных систем, построенных на базе секционированных микропроцессов (МП), от микропроцессорных систем, постро­енных на базе однокристальных МП, заключается в применении микропрограммного способа управления. Рассмотрим этот способ подробно.

В однокристальных МП дешифрирование кода команды произ­водят внутренние логические схемы, которые вырабатывают упра­вляющие сигналы, организующие выполнение команды. Поэтому система команд однокристального МП фиксирована и задается при разработке кристалла.

В секционированных МП дешифрирование кода команды и вы­работка управляющих сигналов производятся отдельным устрой­ством—микропрограммным устройством управления (УУ), кото­рое содержит, как правило, постоянное запоминающее устройство микропрограмм (ПЗУМП); в нем каждая команда представлена в виде микропрограммы, реализующей выполнение команды [57].

Таким образом, в секционированных МП дешифрирование кода команды и выработка управляющих сигналов производятся не вну­тренними логическими схемами, а специальным УУ под управле­нием микропрограммы, хранимой в ПЗУМП.

В результате этого в МП-системе, построенной на базе секцио­нированного МП, существует два уровня программирования: ко­мандный, на котором пользователь пишет программы, и микроко­мандный, микропрограммы которого составляет разработчик систе­мы.

В общем случае пользователь может и не знать, как реализует­ся та или иная команда, хотя при необходимости может изменить содержимое ПЗУМП, вводя новую команду или модифицируя уже имеющуюся.

Из вышесказанного следует, что программирование систем на базе микропрограммных секционированных МП с точки зрения пользователя имеет более широкие возможности вследствие того, что система команд может быть дополнена или изменена в зависи­мости от конкретного применения.

С
уществуют также микропрограммные системы, в которых от­сутствует командный уровень, а программирование ведется на уровне микрокоманд. Это позволяет составлять программы, обла­дающие наибольшей эффективностью, и получать максимальное быстродействие системы. Недостатком данного способа программи­рования является его сложность и трудоемкость, однако к нему зачастую приходится обращаться при построении систем, работа­ющих в реальном времени.

Наиболее полно возможности микропрограммной системы рас­крываются лишь для пользователя, знакомого с архитектурой и схемотехникой МП-системы, поэтому имеет смысл подробно рас­смотреть архитектуру и схемотехнику микропрограммной микро­ЭВМ, построенной на базе секционированного МП-комплекта серии К589.

Структурная схема микроЭВМ. Схема микроЭВМ, реализован­ной в лабораторном стенде МП 589 на основе микропроцессорных БИС серии К589, представлена на рис. 9.1. МикроЭВМ состоит из операционного блока ОБ, устройства управления УУ, образующих в совокупности микропроцессор (МП), блока оперативного запоми­нающего устройства ОЗУ, клавиатуры Кл, задающей режим работы микроЭВМ, клавиатуры КД для ввода шестнадцатеричных кодов исходных данных и рабочих программ и светодиодов индикации.

МикроЭВМ синхронизируется импульсами CLK генератора син­хронизирующих импульсов ГСИ, входящего в состав УУ.

Магистрали для обмена информацией с внешними устройствами выполнены с учетом возможностей микропроцессорных БИС, на ко­торых реализован ОБ. В МПК, серии К589 предусмотрена возмож­ность формирования четырех магистралей: В, D, А, М. В рассматри­ваемой микроЭВМ магистраль В (ВО — В7) используется для счи­тывания кодов шестнадцатеричной клавиатуры данных. Магистраль D (DO—D7) используется для обмена информацией между выход-дом ОБ, возможными внешними устройствами (ВУ) и входами ОЗУ. Магистраль А (АО — А7) формирует адрес ВУ, к которому обращается МП, или адрес ОЗУ. Магистраль М (МО — М7) обеспе­чивает передачу информации ОЗУ в ОБ и УУ.

Светодиодные индикаторы отражают коды, передаваемые по магистралям микроЭВМ А, D, М.

Для программного формирования кодов шестнадцатеричной кла­виатуры используются в качестве входных сигналов коды адресной магистрали АО, Al, A2, A3. Выходы клавиатуры КД подключены к шинам магистрали ВО, Bl, B2, ВЗ.

Клавиатура Кл режимов формирует управляющие сигналы УС для УУ, в соответствии с которыми микроЭВМ переходит в один из восьми предусмотренных режимов работы.

В микроЭВМ реализовано УУ с микропрограммной реализацией команд. При этом каждая команда представляется как последова­тельность микрокоманд. Микрокоманды выполняются с частотой поступления синхросигналов CLK. В процессе исполнения микро­команды ОБ выполняет одну из предусмотренных его схемотехни­ческой реализацией операций с содержимым внутренних регистров или внешних магистралей А, D, М, В в соответствии с кодом микро­инструкций F, К, CI. В результате выполнения микрокоманды формируются сигналы переноса СО, ОБ, выходные коды А иВ и пре­образуется содержимое внутренних регистров.

Микрокоманда содержит в своем составе совокупность микро­инструкций, обеспечивающих синхронную работу блоков микроЭВМ в соответствии с выполняемым действием. Например, микроинструк­ции СЕ, WR обеспечивают управление схемами ОЗУ в режимах за­писи и считывания информации. Микроинструкция IOR исполь­зуется для организации синхронного обмена информацией с ВУ.

С
овокупность микрокоманд, обеспечивающих выполнение си­стемы команд, принятой для каждой конкретной реализации мик­роЭВМ, записывается в ПЗУ микрокоманд, входящее в состав УУ.

В рассматриваемой микроЭВМ рабочая программа записывает­ся в ОЗУ в виде последовательности команд, соответствующей алгоритму решаемой задачи. Адрес исполняемой команды фиксиру­ется во внутренних регистрах ОБ, на которых организован про­граммный счетчик PC. .После выполнения очередной команды содержимое PC увеличивается на единицу (при последовательном исполнении команд) и по измененному содержимому PC из ОЗУ извлекается код очередной команды, по которому выполняется последовательность микрокоманд, соответствующих считанному коду команды.

Для работы с подпрограммами в микроЭВМ предусмотрена сте­ковая память, построенная на специально отведенных для стека ячейках ОЗУ и использующая в качестве указателя стека SP внут­ренний регистр ОБ.

При обращении к стеку в ячейку, адрес которой определяется содержимым SP, записывается адрес команды выхода из подпро­граммы и содержимое SP уменьшается на единицу. При возвраще­нии к основной программе содержимое SP увеличивается на еди­ницу и указывает адрес ОЗУ, в котором записан адрес команды вы­хода из подпрограммы.

Операционный блок. Представляет собой 8-разрядный блок об­работки данных (рис. 9.2). Реализован ОБ на 4 БИС центрального процессорного элемента (ЦПЭ) К589ИК02 и БИС схемы ускорен­ного переноса (СУП) К589ИКОЗ. Операционный блок имеет вход­ные шины: данных от внешних устройств В; данных из памяти М; кода микрокоманды F, кода маски К и выходные шины данных D и адреса А. Кроме того, ОБ имеет вход переноса CI и выход пе­реноса СО. Синхронизация работы ОБ осуществляется сигналом CLK.

Ц
ентральный процессорный элемент К589ИК02. Основой ОБ являются центральные процессорные элементы (ЦПЭ), представ­ляющие собой 2-разрядные секции обработки данных. Поскольку ОБ обрабатывает 8-разрядные операнды, используется 4 ЦПЭ. В общем случае для построения N-разрядного ОБ требуется N/2 ЦПЭ. Таким образом, выполнение ОБ в виде массива ЦПЭ позво­ляет гибко варьировать разрядностью ud в зависимости от конкретной задачи: от простейших 4- и 8-разрядных контроллеров до мощных 16- и 32-разрядных ОБ мини-ЭВМ. В этом заключается од­но из главных преимуществ секционированных МП перед однокри­стальными МП, которые не позволяют изменять разрядность обра­батываемых слов или допускают обработку слов с удвоенной раз­рядностью путем их последовательной обработки, т. е. с понижением быстродействия.

Массив ЦПЭ выполняет следующие операции: двоичной ариф­метики, логические операции И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, +1, —1, сдвиг влево и вправо, проверку разрядов слова или всего слова на 0.

ЦПЭ содержит: сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), состоящее из 11 регистров общего назначения (РОН); накапливающий регистр-аккумулятор (АС); регистр адреса памя­ти (RA); арифметико-логическое устройство (АЛУ); дешифратор ДШ микрофункций; мультиплексоры А и В.

Схема центрального процессорного элемента. Центральный про­цессорный элемент (рис. 9.3) выполняет арифметические, логиче­ские и регистровые функции 2-разрядного микропрограммного ОБ. Данные от внешних устройств поступают в ЦПЭ по шине В, дан­ные из ОЗУ — по шине М. Выходные данные от ЦПЭ во внешние устройства передаются по шине D, а адрес внешнего устройства или ячейки ОЗУ определяется шиной А. Внутри ЦПЭ данные хра­нятся в одном из 11 регистров СОЗУ или в АС. Данные от входных шин, регистров СОЗУ .или АС поступают на входы АЛУ через два внутренних мультиплексора А и В. Дополнительные входы и выходы переноса и сдвига вправо служат для организации переносов и сдвигов.

Управление работой АЛУ, СОЗУ и мультиплексорами произво­дит дешифратор ДШ микрофункций, декодирующий информацию на шине микрокоманд F.

Наличие двух входных шин В и М позволяет производить ввод информации в ЦПЭ из ОЗУ и внешних устройств по разным ши­нам, при этом повышается быстродействие в процедурах обмена информации, кроме того, информация на шинах может подготав­ливаться заранее.

Сверхоперативное ЗУ(СОЗУ) содержит 11 РОН, обозначенных RO — R9 и Т. Информация с выхода СОЗУ поступает через муль­типлексор А на вход АЛУ, а из АЛУ, в свою очередь, на вход СОЗУ.

Для запоминания результатов вычислений в ЦПЭ есть еще не­зависимый регистр АС-аккумулятор. Выход- АС подключен через мультиплексор А ко входу АЛУ, кроме того, выход АС подключен к выходному буферу (с тремя состояниями) магистрали. Переда­ча информации во внешние устройства и ОЗУ осуществляется че­рез АС по магистрали D.