Лекція №10
Принципи проектування мікропроцесорних систем
Зміна елементної бази, тобто поява ВІС та НВІС, привела до зміни принципів проектування обчислювальних засобів, які склалися в рамках попередньої елементної бази. До таких принципів належали:
1) жорстка структура;
2) послідовне централізоване керування;
3) лінійна організація пам’яті;
4) відсутність можливості адаптації структури до особливостей предметної області задач.
В основу побудови сучасних засобів обчислювальної техніки IV покоління покладені наступні принципи:
1) мікропрограмна організація керування;
2) модульний принцип побудови;
3) магістральний обмін інформацією;
4) регулярність структури.
Принцип мікропрограмного керування. Цей принцип забезпечує найбільшу гнучкість при організації багатофункціональних мікропроцесорних модулів і дозволяє здійснювати проблемну орієнтацію мікропроцесорних систем (МПС).
Розглянемо детальніше принцип мікропрограмної організації керування.
Класичний обчислювальний пристрій складається з наступних блоків:
АЛП - арифметико-логічний пристрій;
пристрій керування;
запам’ятовуючий пристрій;
пристрій вводу-виводу.
АЛП та ПК утворюють процесор будь-якого комп’ютера, причому АЛП - це виконуюча частина, а ПК - це керуюча частина (рис.10.1)
Арифметико- логічний пристрій
Пристрій керування
Процесор
Рис.10.1 Узагальнена структурна схема процесора
2
ПК виробляє сигнали під дією яких АЛП виконує всі необхідні операції і дії.
Існують два методи побудови ПК: на основі комбінаційних схем і за допомогою мікропрограмних ЗП (рис.10.2).
Методи побудови пристрою керування
На основі комбінаційних схем
На основі мікропрограмованих ЗП
Рис.10.2. Методи побудови пристроїв керування
В першому випадку кожна вхідна дія ПК жорстко пов’язана з вихідною і їх зміни можливі лише при зміні електричної схеми ПК. Оскільки вхідна дія це команда МП, то використання такого методу жорстко фіксує систему команд. При цьому досягається максимальна швидкодія ПК. МП, які використовують комбінаційні ПК, називають МП з фіксованим набором команд. До них належать МП КР580 і К1810.
У відповідності з мікропрограмним принципом керування будь-яка складна операція ділиться на послідовність більш простих операцій. Така проста операція називається мікрооперацією і виконується за один такт роботи АЛП. Сукупність мікрооперацій , які виконуються за один цикл роботи АЛП, називається мікрокомандою (МК). Цикл роботи АЛП - це декілька тактів.
Мікрокоманда представляє собою n-розрядне двійкове слово, яке включає код операції (КОП.), адресу даних і адресу результату. Кожному АЛП властивий свій набір мікрокоманд, який називається системою команд.
Пристрій, який призначений для зберігання, зчитування і запису МК називається мікропрограмним пристроєм керування (МПК). В найбільш простому випадку МПК –
це постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) або перепрограмований постійний запам’ятовуючий пристрій (ППЗП).
Мікропрограмний рівень-це найбільш низький рівень, доступний для розробника.
При реалізації складних алгоритмів роботи потрібні сотні або навіть тисячі мікрокоманд. Це значно ускладнює розробку і відлагодження програми.
Для підвищення рівня деталізації виконуваних операцій вводиться командний рівень керування. Основу цього рівня складає команда, яка представляє собою, як і
3 мікрокоманда, m-розрядне двійкове слово. Звичайно m > n . В загальному випадку формат команди повинен включати КОП., адреси операндів, над яким виконується операція і адреса результату. Кожна команда представляє собою послідовність мікрокоманд або мікропрограму.
Структурна схема МПК показана на рис.10.3.
Регістр МК
Регістр адреси наступої МК
Запам’ятовуючий пристрій МК
Регістр адреси МК
Блок керування
Регістр команди
Із запам’ятовуючого пристрою
До АЛП
Рис.10.3 Структурна схема мікропрограмного пристрою керування
Команда, яка зчитана з запам’ятовуючого пристрою , поступає на регістр команд і дальше на блок керування. У відповідності із прийнятими сигналами керування блок керування формує адрес першої мікрокоманди мікропропрограми, яка відповідає прийнятій команді.
Ця адреса через регістр адреси мікрокоманди поступає в запам’ятовуючий пристрій мікрокоманд. Зчитана зі запам’ятовуючого пристрою мікрокоманда складається із двох часин: операційної і адресної.
Операційна частина, або власне мікрокоманда через регістр мікрокоманди поступає на АЛП і виконується. Адресна частина мікрокоманди поступає на регістр адреси наступної мікрокоманди і подається на блок керування. Прийнявши адресну частину блок керування формує адресу наступної мікрокоманди. Адреса знову
4 поступає на регістр адреси мікрокоманди. МК зчитується із запам’ятовуючого пристрою і т.д. Цей процес виконується до тих пір поки не буде зчитана остання мікрокоманда даної команди. Після цього мікропрограмний пристрій керування готовий до прийому наступної команди.
Модульний принцип побудови. Цей принцип полягає в побудові мікропроцесорних пристроїв на основі набору модулів. Під модулем розуміють конструктивно, функціонально і електрично закінчений мікроелектронний пристрій, який дозволяє самостійно або в сукупності з іншими модулями розв’язувати обчислювальні задачі або задачі керування заданого класу.
Якщо виходити із класичної схеми обчислювального пристрою, то будь-який мікропроцесорний пристрій повинен в мінімальному наборі включати: мікропроцесор, запам’ятовуючий пристрій і пристрій вводу-виводу. Конструкція кожного з цих модулів може представляти собою функціональну комірку, мікро зборку або НВІС. Сучасні модулі мікропроцесорних пристроїв найчастіше виконуються у вигляді функціональних комірок. Наведений вище склад модулів дозволяє побудувати універсальну мікропроцесорну систему. При вирішенні питання про функціональний склад модулів мікро програмної системи логічно враховувати багатофункціональність і спеціалізацію модулів. Підвищення багатофункціональності або універсальності модулів забезпечує скорочення їх номенклатури і зменшення затрат на проектування. Спеціалізація модулів є засобом досягнення відповідності структури МПС, виконуваним алгоритмам і тим самим підвищення швидкодії і ефективності застосування МПС.
Модульний принцип конструювання МПС дає можливості розробнику вибирати тільки необхідні йому модулі і поступово нарощувати функціональні можливості МПС.
Магістральний принцип обміну інформацією. Серед способів організації зв’язку елементів в середині модулів і між модулями в системі можна виділити два: за допомогою довільних зв’язків , які реалізують принцип „кожний з кожним” та за допомогою впорядкованих зв’язків, або магістральний, який дозволяє мінімізувати число зв’язків.
Магістральний спосіб обміну забезпечує обмін інформацією між функціональними і конструктивними модулями різного рівня за допомогою магістралей, які об’єднують вхідні і вихідні шини.
5
Весь інформаційний потік, який циркулює в МПС, звичайно розбивають на три групи: адреси, дані і керування. У відповідності з цим виділяють шину адрес (ША), шину даних (ШД) і шину керування (ШК). Застосовуючи послідовно принцип мультиплексування в часі можна побудувати МПС з одно-, двох-, або трьох шинною структурою.
Під мультиплексною шиною розуміють таку організацію шин, по якій в одні моменти часу передаються адреси, а в інші –дані.
При виборі структури МПС необхідно враховувати наступні міркування: при зменшенні числа шин збільшується площа кристалу або модуля, яка відводиться під функціональні елементи і тим самим підвищуються функціональні можливості МПС.
Проте застосування часового мультиплексування обміну інформацією, приводить до зниження швидкодії і необхідності використання додаткових буферних регістрів.
В деякий період часу тільки два пристрої можуть бути одночасно підключені до шини. Один з них керуючий, другий –керований. Керуючим пристроєм звичайно є мікропроцесор. При обміні інформацією між керуючим пристроєм і керованим інші пристрої не повинні їм перешкоджати. Таке роздільне використання шини досягається певним способом підключення до неї виводів пристроїв. Відомі три способи підключення: логічне об’єднання, об’єднання за допомогою схем з відкритим колектором і об’єднання за допомогою схем з трьома станами.
Логічне об’єднання і об’єднання за допомогою схем з відкритим колектором звичайно використовують при організації внутрішніх шин мікропроцесора, модулів
ОЗП, ПЗП і інш. При організації зовнішніх по відношенню до мікропроцесора шин використовують схеми з трьома станами.
Принцип регулярності структури. Під регулярністю розуміють повторюваність елементів структури і зв’язків між ними. Регулярність системи слід розглядати на різних рівнях її організації.
Застосування даного принципу дозволяє підвищити ефективність інтегрального виконання пристроїв внаслідок збільшення інтегральної густини, зменшення довжин зв’язків на кристалі, спрощення і скорочення часу топологічного і схемотехнічного проектування ВІС, спрощення процедур контролю топології.