30501-1 (Схема микропроцессора), страница 3

Формирование адреса очередной микрокоманды выполняется с помощью условных и безусловных переходов. В каждой текущей микрокоманде содержится поле микроинструкции БМУ, предназначенной для формирования адреса следующей микрокоманды. Адреса микрокоманды (всего 512) образуют матрицу (страницу), состоящую из 32 строк и 16 столбцов. Каждый адрес определяется номером той строки и того столбца, на пересечении которых он находится. Под адрес строки отводится пять разрядов (МА₈ – МА₄), а под адрес столбца четыре разряда (МА₃ – МА₀). Девятиразрядный адрес микрокоманды, выработанный логикой следующего адреса, загружается в регистр адреса микрокоманд, а из него выдается в память микрокоманд по десяти выходным шинам.

Блок микропрограммного управления обеспечивает хранение текущего значения на выходе переноса ЦПЭ (С0, СП0) и управляет информацией на входе переноса (С1, СП1). С помощью двух групп микроинструкций осуществляется управление признаками - установка и их выдача. Схема обработки признаков содержит три триггера: С и Z и триггер - защелку Ф, в которой запоминается текущее состояние выхода переноса ЦПЭ. Логическая схема признаков совместно со схемой переноса ЦПЭ используется для выполнения арифметических и сдвиговых операций.

Сигнал в двоичном коде на входах УА используется для формирования адресов строки и столбца и вида микроопераций, выполняемой БМУ. По четырем микроинструкциям производятся безусловные переходы, по остальным - условные. Для формирования адреса следующей микрокоманды при безусловных переходах используется адрес текущей микрокоманды, который хранится в регистре адреса и ряд битов микроинструкции УА₀-УА₆: при условных переходах - адрес текущей (предыдущей) микрокоманды и содержимое регистров С, Z или Ф либо код старших разрядов К₄-К₇. Для выработки следующего адреса микрокоманды по содержимому данных на шинах К₄-К₇ используется часть адреса текущей микрокоманды и несколько разрядов кода на шинах УА.

Управление схемой обработки признаков (C, Z и Ф) осуществляется с помощью микроинструкции на входах УФ₀ – УФ₃. Информация на входе Ф записывается в триггер Ф и затем в триггер С или Z. По входу ЗМ дается разрешение на запись информации со входов К в регистр адреса микрокоманд. Разрешение на прерывание выдается с выходной шины СРП при микроинструкции ПЕРЕХОД В НУЛЕВУЮ СТРОКУ, что означает конец выполнения микропрограммы (команды). Обычно сигнал с шины СРП подается на входную шину СРП блока приоритетного прерывания. Этот блок может ответить на прерывание выдачей сигнала подтверждения прерывания, что блокирует выдачу следующего выбранного адреса строки из БМУ. Тогда при выдаче нового адреса микрокоманды на линию адреса строки можно подавать адрес извне минуя БМУ, что позволяет перевести микропрограмму на программу обработки прерывания. Измененный адрес строки, переданный на адресные линии микрокоманд, не изменяет содержимого регистра адреса микрокоманд. Таким образом, последующая функция перехода будет использовать адрес строки в регистре адреса микрокоманды, а не измененный адрес строки.

Цикл БМУ составляет 85 нс. Имеется возможность адресации 512 микрокоманд (предусмотрена возможность наращивания числа адресуемых микрокоманд). Корпус микросхемы типа ДИП с 40 выводами.

Схема ускоренного переноса (СУП) предназначена для формирования групповых переносов при совместном использовании с ЦПЭ в многоразрядных сумматорах. Микросхема позволяет объединить до восьми ЦПЭ, т. е. образовать 16-разрядный сумматор.

Схема имеет 17 информационных входов, 8 информационных выходов и один управляющий вход, позволяющий управлять выходом самого старшего переноса.

В каждом ЦПЭ формируются сигналы подготовки сквозного переноса, которые подаются в схему ускоренного переноса, а она в свою очередь вырабатывает сигналы переносов, поступающие в ЦПЭ. Если в каждом разряде 1, то сигнал подготовки также 1 и через данную секцию происходит перенос от младшей к старшей. Так как схема ускоренного переноса генерирует сигналы переносов во все ЦПЭ одновременно вне зависимости от разрядности, то время суммирования многоразрядных слов существенно сокращается по сравнению с последовательным межсекционным переносом

Многорежимный буферный регистр (МБР) содержит восемь D – триггеров-защелок, имеющих выходные буферы на элементах с тремя состояниями, схему управления записью и считыванием информации и схему формирования запроса прерывания.

Рассматриваемый регистр обладает универсальными возможностями: он может использоваться в качестве буферного регистра для выхода на магистраль, формирования двунаправленных магистралей, построения адаптеров параллельного интерфейса.

В зависимости от уровней управляющих сигналов МБР может работать в двух режимах: входном и выходном. Это позволяет создавать с помощью МБР двунаправленные магистрали, Если на входе ВР единица, то МБР работает в выходном режиме и выходные буферы открыты, т.е. МБР выдает информацию в выходные шины. Если на входе С - единица, на выходе ВР - нуль и выбран данный МБР, т.е. на входе ВК1 - нуль, а на входе ВК2 - единица, то МБР работает во входном режиме, т.е. выполняется запись в МБР с входных шин D, выходные буферы закрыты и на выход информация не выдается.

Когда МБР находится во входном режиме (сигнал ВР – нуль), сигнал С может использоваться для синхронной записи данных в информационные триггеры и установки триггера в прерывающее состояние. Время цикла МБР составляет 50 нс.

Блок приоритетных прерываний. БПП служит для выработки сигнала запроса на прерывание в процессорной системе. При установки системы в исходное состояние низким уровнем сигнала (“Уст. 0”) триггер запроса на прерывание вырабатывает сигнал прерывания ЗП. Для организации системного сброса этот триггер устанавливается в непрерывающее состояние подачи сигнала R, при этом одновременно сбрасываются информационные триггеры. Сигнал ЗП позволяет подавать сигнал R непосредственно на входы R₀ – R₇ микросхемы БПП.

Шинные формирователи. Блоки шинных формирователей предназначены для подключения модулей к магистрали. Типичная задержка на ШФ и ШФИ - 20нс, корпус схемы типа ДИП с 16 выводами.

Описание структурной схемы микропроцессора.

В состав МП (рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке (2) приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменятся от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.

Регистр – аккумулятор (“накопитель”), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяется разрядностью регистра.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.

Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды.

Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.

Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата, перевыполнения и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.

Рассмотрим более подробно основные части микропроцессора (рис. 2).

Внутренняя шина данных соединяет собой основные части МП.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схеме используется три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности слов, которыми оперирует МП. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядов указаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).

Шина данных МП работает в режиме двунаправленной передачи, т. е. по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно. В этом случае требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП и внешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple – многократный, множественный), иногда называемый многоточечным, - режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.

Мультиплексор – устройство, которое выбирает данные от одного, двух (или более) входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход. Схема мультиплексора состоит из двухвходовых логических элементов И – ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Промышленностью выпускаются мультиплексоры, которые могут входить в состав , а также в виде отдельных БИС (например, восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.).

Демультиплексор – устройство, выполняющее противоположную мультиплексору функцию, - подает данные, подводимые к его входу, на один (или более) выходной информационный канал.

Мультиплексоры и демультиплексоры позволяют компоновать из микропроцессорных элементов микроЭВМ для любой длины машинного слова. Предположим, что задача обработки данных заключается в сложении двух операндов, каждый из которых представляет собой восьмиразрядное двоичное число – байт.

Восьмиразрядное арифметически – логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции. На первый вход АЛУ поступает байт из восьмиразрядного аккумулятора, а на второй вход – из восьмиразрядного промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор. Такая организация удовлетворяет одноадресной организации микропроцессора. Для нее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе, адрес которого задан неявно. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда, содержащегося, например в одном из восьми регистров общего назначения (РОН). К АЛУ подключены регистр признаков, предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции (на рис. 2 не показана), позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.

В состав микропроцессора входят также указатель стек, счетчик команд, буферный регистр адреса, ОЗУ. Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту), остальные шесть РОН – регистры B, C, D, E, H и L – служат ячейками внутренней памяти, называемой сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ). В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ, результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарное расположение регистров B и C, D и E, H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, называемую обработкой “удвоенной точности”. Обмен данными с РОН (считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор, причем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров по сигналу УУ.

В левой части рис. 2 расположены регистр команд, дешифратор кода операции и УУ (хотя дешифратор относится к УУ, он нарисован отдельно для большей наглядности). Стековый регистр адреса на рисунке отсутствует, так как стек представляет собой определенную зону ОЗУ.

Обмен информацией между регистрами и другими блоками микропроцессора производится через внутреннюю шину данных, причем передачи команд и данных разделены во времени. Связь с внешней шиной данных осуществляется через буферный регистр данных.