Введение
Тема курсовой работы по дисциплине «Прикладнаятеория цифровых автоматов» – «Микропрограмные автоматы».
Цель курсовой работы – ознакомиться с основнымипонятиями; принципами микропрограммного управления; концепцией управляющего иоперационного автоматов; управляющими автоматами с жесткой и программируемойлогикой; научиться строить графы схем алгоритмов; проводить синтез управляющегоавтомата по граф-схеме алгоритма; строить УА с программируемой логикой наоснове ПЗУ и общей структурой микропроцессорного вычислительного устройства.
1. Основные понятия. Принцип микропрограммного управления
Рассмотренные методы иприемы синтеза дискретных устройств (ДУ) использовали их представление в видесовокупности двух основных блоков: комбинационного логического и блокаэлементов памяти. Такой подход обладает универсальностью и обеспечивает хорошиерезультаты при построении относительно несложных ДУ. Однако полученные на егооснове процедуры синтеза ДУ оказываются чрезмерно громоздкими и трудоемкими припостроении устройств средней и большой сложности, имеющих важное практическоезначение. Работа таких устройств обычно заключается в реализации некоторогоалгоритма обработки информации, т.е. в выполнении упорядоченнойпоследовательности определенных операций над поступающими данными. Припостроении таких ДУ целесообразно использовать принцип микропрограммногоуправления, состоящий в следующем:
1) любая операция, реализуемаяустройством, рассматривается как сложное действие, которое разделяется напоследовательность элементарных действий, называемых микрооперациями;
2) для управленияпорядком следования микроопераций используются логические условия хi, принимающие взависимости от результатов выполнения микроопераций значения 1 или 0;
3) процесс выполненияопераций в устройстве описывается в форме алгоритма, представленного в терминахмикроопераций и логических условий и называемого микропрограммой;
4) микропрограммаиспользуется как форма представления функции устройства, на основе которой определяютсяего структура и порядок функционирования.
Все сказанное можнорассматривать, как содержательное описание принципа микропрограммного управления.
2. Концепция управляющего и операционного автоматов
При использованииописанного принципа принято делить ДУ на две части: операционный автомат (ОА) иуправляющий автомат (УА) (рис. 1).
/>
Рисунок 1. Обобщеннаяструктурная схема микропрограммного дискретного устройства
ОА предназначен дляхранения поступающей информации D, выдачи результатов выполнения операций R, выполнения заданногонабора микроопераций, выработки значений логических условий Х=(x0, x1,…, xm), которые являютсяоповещающими сигналами для управляющего автомата. УА генерирует последовательностьуправляющих сигналов Y=(y1, y2,…, yn) в соответствии с заданной микропрограммой и со значениями логическихусловий X. Каждый управляющий сигнал инициирует выполнение соответствующеймикрооперации в ОА.
В общем случае ДУпредназначается для выполнения ряда микропрограмм, и на УА подается внешнийсигнал q,в соответствии с которым начинается выполнение той или иной микропрограммы.Если ДУ является частью системы обработки информации, то оно может такжеобмениваться специальными сигналами логических условий XB и управления YB с другими блокамисистемы.
В состав ОА входятглавным образом типовые функциональные узлы: регистры, счетчики, сумматоры,дешифраторы, шифраторы, арифметико-логические устройства (АЛУ), схемысравнения, блоки памяти, схемы пересылки данных и т.п. Число элементов памяти(ЭП), содержащихся в ОА, определяется разрядностью обрабатываемых данных nД, которая может бытьдостаточно большой. Однако трудоемкость и сложность проектирования ОА, какправило, слабо зависят от nД в силу широкого использования стандартных узлов.Таким образом, ОА является исполнительной частью устройства; его состав иструктура могут быть одинаковыми для реализации многих алгоритмов одногокласса.
Элементарный неделимыйакт обработки информации в операционном автомате, происходящий в течение одногомомента автоматного времени (одного такта работы автомата), называетсямикрооперацией. Примерами микроопераций могут служить «Сдвиг информации», «+1»,«Инверсия переменной» и т.д.
Если в операционномавтомате одновременно реализуется несколько микроопераций, то такое множествомикроопераций называетсямикрокомандой. Не исключен случай, когдамножество микроопераций, образующих микрокоманду, пусто. Реализация такоймикрокоманды в операционном автомате равносильна отсутствию выполнениякаких-либо элементарных операций. В случае синхронных дискретных устройствпустая микрокоманда интерпретируется как пропуск такта, когда никакие сигналыот управляющего автомата на операционный автомат не поступают.
Микрооперации возбуждаютсявыходными сигналами управляющего автомата, а их последовательность во времениопределяется функциями перехода управляющего автомата.
Совокупность микрокоманди функций перехода образует микропрограмму. Таким образом, для описаниямикропрограммы необходимо задать множество микрокоманд и функций перехода,определяющих порядок их выполнения. Для описания микропрограмм удобноиспользовать язык граф-схем алгоритмов (ГСА).
3. Управляющие автоматы с жесткой и программируемойлогикой
Объем оборудования УАзависит от сложности реализуемого алгоритма и от структуры этого автомата,которую можно выполнить в трех вариантах.
1. УА с жесткой (схемной,произвольной) логикой, при которой переключательные функции, необходимые дляформирования заданной последовательности управляющих сигналов У, реализуются спомощью логических элементов с произвольными связями (обычно с применением схемс малой и средней степенями интеграции). Здесь используется аппаратный подход креализации устройства.
2. УА с хранимой в памяти(гибкой, программной) логикой, при которой сигналы У вырабатываются на основесовокупности управляющих слов, хранимых в памяти автомата. В этом случаесоставленные микропрограммы используются в явной форме и обычно записываются впостоянные запоминающие устройства (ПЗУ), выполненные на основеполупроводниковых БИС большой емкости, что позволяет обеспечить регулярностьструктуры УА и его компактность; здесь используется аппаратно-программныйподход к реализации устройства.
3. УА на основепрограммируемых логических матриц (ПЛМ), в которых заданные функции реализуютсяс помощью БИС ПЛМ, что позволяет сочетать многие достоинства первых двухвариантов.
Таким образом,использование принципа микропрограммного управления позволяет упорядочить и упроститьпроцедуру логического проектирования ДУ, обеспечить регулярность их структуры,а также открывает возможность широкого применения современных БИС. Принцип микропрограммированияприменяется при создании микропроцессоров и устройств на их основе. Это нетолько позволяет упорядочить управление, но и дает возможность формироватьсистему команд микропроцессоров по своему усмотрению, исходя из имеющейсясистемы микрокоманд.
Рассмотрим порядокпроектирования микропрограммного ДУ, который состоит из следующих основныхэтапов:
Запись алгоритма.
По описанию отдельныхалгоритмов, реализуемых устройством, составляется их формализованная запись ввиде граф-схем алгоритмов (ГСА). Для этого составляется список необходимыхмикроопераций Уj, и соответствующих им управляющих сигналов уj, а также логическихусловий хi; Далее при необходимости производится минимизация числа вершинГСА и составляется объединенный ГСА, являющийся формой здания ДУ для выполненияследующих этапов.
Построение ОА.
В общем случае ОА можетбыть построен по канонической схеме автомата и содержит три основные части:блок элементов памяти для хранения операндов, а также промежуточных и конечныхрезультатов; комбинационную схему, реализующую набор микроопераций;комбинационную схему, вырабатывающую значения логических условий. Как ужеотмечалось, при построении ОА целесообразно применять типовые узлы, а такжестремиться использовать отдельные узлы для выполнения нескольких микроопераций.
Построение УА.
Сначала выбирают вариант структурыУА, учитывая требования быстродействия, допустимый объем аппаратуры и другиеограничения. Далее осуществляется синтез УА в соответствии с процедурой,зависящей от принятой структуры автомата.
В результате выполнения этих этапов составляют структурные схемыОА и УА и переходят к техническому проектированию, которое включает вопросыпрактической реализации схемы устройства на выбранной элементной базе, введениенеобходимых развязывающих, усиливающих и формирующих каскадов, компоновкудеталей на платах, составление монтажных схем и выдачу техническойдокументации.
4. Граф-схемы алгоритмов
ГСА – это ориентированныйсвязный граф, задающий последовательность выполнения операций данного алгоритмаи содержащий ряд операторных и условных вершин, а также одну начальную и однуконечную вершины. Операторной называется вершина, – которой сопоставляется однаили несколько микроопераций и отмечается соответствующими управляющимисигналами У, а условной – вершина, которой сопоставляется некоторое логическоеусловие X.
Любая вершина ГСА, кромевершины «Начало», имеет по одному входу. Вершина «Начало» входов не имеет.Вершина «Начало» и любая операторная вершина имеют по одному выходу. Вершина«Конец» выходов не имеет. Любая условная вершина имеет два выхода, помечаемыхсимволами «Да» и «Нет»: Вместо этих символов могут быть использованы цифры «1»и «О» соответственно. Изображение вершин «Начало», «Конец», операторной вершиныи условной вершины ГСА представлено на рис. 2.
/>
Рисунок 2-Графы схемыалгоритмов
ГСА составляют так, чтобыобеспечить выполнение необходимых операций и проверку логических условий всоответствии со словесным описанием алгоритма.
На основании перечнямикроопераций и реализующих их функциональных узлов составляется структурнаясхема ОА. Здесь широкими стрелками показаны шины, по которым передаетсяинформация, а тонкими – сигналы у, управляющие работой отдельных узлов или передачейинформации по шинам.
ГСА должна удовлетворятьследующим условиям:
1. Входы и выходы вершин соединяютсядруг с другом с помощью направленных всегда от выхода к входу.
2. Каждый выход соединен только с однимвходом.
3. Любой входсоединяется, по крайней мере, с одним выходом.
4. Любая вершина ГСА лежит, по крайнеймере, на одном пути из вершины «Начало» в вершину «Конец».
5. Один из выходов условной вершиныможет соединяться с ее входом, что недопустимо для операторной вершины. Такиеусловные вершины иногда называются возвратными.
6. В каждой условнойвершине записывается логическое условие из множества логических условий. Разрешаетсяв различных условных вершинах записывать одинаковые логические условия.
7. В каждой операторнойвершине записывается оператор, представляющий собой выходной сигнал илисовокупность выходных сигналов управляющего автомата. Разрешается в различныхоператорных вершинах записывать одинаковые операторы.
5. Содержательные граф-схемы алгоритмов
Обычно при проектировании различных устройств предварительносоставляется так называемая содержательная ГСА, в которой внутри условных и операторныхвершин записаны логические условия и микрооперации в содержательных терминах.
В качестве примера построимсодержательную ГСА устройства, вычисляющего функцию знака числа:
/>
Соответствующая содержательная ГСА представлена на рис. 3.
/>
Рисунок 3. СодержательнаяГСА функции определения знака числа
6. Синтез управляющегоавтомата по граф-схеме алгоритма
Конечный управляющийавтомат, реализующий микропрограмму работы дискретного устройства, принятоназывать микропрограммным автоматом. Как уже отмечалось, микропрограммаотображается с помощью ГСА. Рассмотрим последовательность этапов синтезауправляющего автомата по его ГСА.
1. Запись словесного алгоритмафункционирования операционного автомата (выполняемых операций) с учетомструктуры операционного автомата.
2. Построение содержательнойГСА функционирования операционного автомата.
3. Построение отмеченнойГСА с учетом типа автомата.
4. Построение графа переходов автоматаили таблицы переходов.
5. Проведение структурного синтезаавтомата по его графу переходов известными методами, например, с помощьюканонического метода структурного синтеза.
Построение отмеченной ГСАпроизводится по содержательной ГСА. Для автоматов Мили и Мура процедураразметки имеет различия.6.1 Построение отмеченной ГСА автомата Мили
Если необходимо построитьмикропрограммный автомат Мили, то содержательная ГСА управляющего автоматаразмечается в соответствии со следующими правилами:
1) символом состояния a1 отметить вход вершины,следующей за вершиной «Начало», а также вход вершины «Конец»;
2) входы всех вершин, следующих за операторными, должны бытьотмечены символами а с последовательными индексами;
3) если выход вершиныотмечается, то только одним символом;
4) входы различныхвершин, за исключением вершины «Конец», отмечаются различными символами;
5) содержательные терминымикроопераций и логических условий. заменяются их условными обозначениями: вкаждой операторной вершине последовательно проставляются символы выходныхсигналов, если в различных операторных вершинах записаны одинаковыемикрооперации, то разрешается их отмечать одинаковыми символами выходныхсигналов; если в различных условных вершинах записаны одинаковые логическиеусловия, то разрешается их отмечать одинаковыми символами входных сигналов.
6.2 Построениеотмеченной ГСА автомата Мура
Если необходимо построитьмикропрограммный автомат Мура, то содержательная ГСА управляющего автоматаразмечается в соответствии со следующими правилами:
1) символом a1 отмечаются вершины«Начало» и «Конец»;
2) различные операторные вершины отмечаются различными символами;
3) все операторныевершины должны быть отмечены.
4) содержательные терминымикроопераций и логических условий. заменяются их условными обозначениями.
Содержательная ГСА (рис. 3.)после разметки по приведенному алгоритму представлена на рис. 5.
После получения отмеченной ГСА строитсяграф переходов автомата. Он имеет столько различных вершин, сколько различныхбукв аi с индексами имеется в отмеченной ГСА. Каждая вершина графапереходов автомата отмечается буквой а с соответствующим индексом.
Между двумя вершинами графа имеетсядуга, если на отмеченной ГСА между вершинами с метками ai и ak, имеется путь. Наддугой ставится входной сигнал, равный конъюнкции логических условий соответствующегопути в отмеченной ГСА. При этом выполнению логического условия соответствует переменнаябез отрицания, а невыполнению логического условия – переменная с отрицанием насоответствующей дуге графа переходов автомата.
Если в отмеченной ГСА между упомянутымивершинами с метками ai и аk имеется несколько путей, то в графе переходов автомата на дуге,связывающей аi и аk через символ дизъюнкции перечисляются все конъюнкции,соответствующие имеющимся путям.
Если строится граф переходов автоматаМура, то символы микроопераций (выходные сигналы управляющего автомата)записываются около соответствующих его вершин. Для автомата Мили символы микрооперацийзаписываются на соответствующих дугах при конъюнкциях логических условий,описывающих путь через операторную вершину с рассматриваемой микрооперацией.
Если в отмеченной ГСА имеетсябезусловный переход между операторными вершинами, т.е. путь, не проходящий ни черезкакие условные вершины, то на графе переходов автомата ему соответствует дуга,которой приписывается входной сигнал «1», показывающий, что данный переход вавтомате осуществляется при поступлении очередного синхросигнала.
В дальнейшем синтез проводится с помощьюописанного ранее метода структурного синтеза. Подчеркнем, что входнымисигналами синтезируемого структурного автомата являются конъюнкции булевых переменных(или дизъюнкции конъюнкций), каждая из которых отображает путь черезсоответствующие условные вершины отмеченной ГСА, а выходными сигналами – микрооперации,обозначающие либо вершины, либо дуги графа переходов автомата, в зависимости отего типа. Используя канонический метод структурного синтеза, можно построитьфункциональную схему автомата.
7. Построение УА с программируемой логикой на основе ПЗУ
В отличие от УА с жесткойлогикой, закон функционирования которого обеспечивается определенным образомсоединенными логическими элементами, в автоматах, построенных на основе ПЗУ,заданная микропрограмма реализуется в явной форме и хранится в памяти в видепоследовательности управляющих слов. Управляющее слово определяет порядокработы устройства в течение одного такта и называется микрокомандой (МК). Онасодержит информацию о микрооперациях, которые должны выполняться в данномтакте, и (или) об адресе следующей микрокоманды.
Формат МК в общем случаеможет иметь операционно-адресную структуру.Операционная Адресная
Микрокоманда можетсодержать следующие части:
У
1 m
X
1 L
A
1 P
P
1 k
– операционную частьY, состоящую из одного илинескольких полей, в каждом записывается номер выходного сигнала yj, вырабатываемого в данномтакте;
– адресную часть,состоящую из поля X, в которое записывается номер логического условия Xi (обычно единственного),проверяемого в данном такте;
/>
Рисунок 6.Обобщенная структурная схема управляющегоавтомата, построенного на основе ПЗУ
– а также из поля A, в которое записывается информацияоб адресе следующей МК;
– служебную часть Р,содержащую вспомогательную управляющую информацию.
Обобщенная структурнаясхема УА, выполненного на основе ПЗУ, дана на рис. 6.
Перед началом работы наУА подается сигнал СБРОС, устанавливающий все триггеры автомата и регистрамикрокоманд (РМК) в нулевое состояние. Этим обеспечивается занесениесодержимого нулевой ячейки ПЗУ в РМК при поступлении первого тактового импульсапосле подачи стартового сигнала В.
С помощью дешифратора ДШУвырабатывается соответствующий выходной сигнал yj, а с помощью ДШХопределяется номер логического условия Xi, проверяемого в данномтакте. В зависимости от значения Xi, прошедшего через схему выбораЛУ, и информации, поступающей из адресного поля А, устройство формированияадреса следующей МК (УФ АМК) вырабатывает адрес ячейки ПЗУ, содержимое которойбудет переписано в РМК в следующем такте. На УФ АМК может также поступатьвнешний управляющий сигнал V, обеспечивающий, например, выбор определенного алгоритмаиз тех, чьи микропрограммы хранятся в ПЗУ автомата.
Схема управления СУ (внекоторых вариантах УА она может отсутствовать) разрешает работу ДШУ или ДШХ взависимости от содержимого служебной части Р формата команд. В последнем тактевыполнения микропрограммы на выходе ДШК вырабатывается дополнительный сигналум+1, используемый как сигнал F, останавливающий работу автомата и осуществляющий сброс всехего триггеров.
Таким образом, структураУА с хранимой в ПЗУ логикой стандартна, и в этом заключается одно из преимуществрассматриваемой реализации автомата. Поэтому основные усилия направляются не наполучение структурной схемы, а на составление кодированной микропрограммы,которая записывается в ячейки ПЗУ, т.е. центр тяжести при разработке УАсмещается с аппаратных на программные средства.
Процедура построения УА схранимой логикой по имеющейся ГСА заключается в следующем.
1. Выбирают способадресации и формат микрокоманд, причем стремятся сократить число двоичных разрядовв формате МК, что, как правило, позволяет уменьшить объем оборудования ПЗУ. Приэтом учитывают реальное быстродействие отдельных узлов УА и необходимостьобеспечения заданного быстродействия автомата в целом. При необходимостииспользуют структурные методы повышения быстродействия УА.
2. Производят разметкуГСА в соответствии с правилами, которые определяются выбранным способомадресации.
3. Составляюткодированную микропрограмму в виде таблицы, строки которой соответствуютотметкам на ГСА.
4. Выбирают типы необходимых микросхем и составляют структурную ипринципиальную схемы автомата.
Выполнив перечисленныеэтапы, переходят к технической реализации УА, которая во многом зависит отспособа записи информации в используемое ПЗУ.
Рассмотрим особенности выполненияотдельных этапов указанной процедуры.
При построении УАиспользуются главным образом два вида адресации:
а) принудительная (вкаждой МК указывается адрес следующей МК);
б) естественная (адресследующей МК в явном виде указывается лишь в некоторых МК, а в остальныхслучаях он принимается равным увеличенному на единицу адресу предыдущеймикрокоманды).
Формат МК припринудительной адресации может содержать как два адресных поля АО, А1, (рис. 7.а) так и одно АО (рис. 7.б).
У
1 m
X
1 L
АО
1 Р
А1
1 Р
а)
У
1 m
X
1 L
A
1 Р
б)
Рисунок 7
В первом случае адресследующей МК определяется в зависимости от значения проверяемого в данном тактеусловия Xiследующим образом: в качестве адреса используется содержимое поля АО,если Xi=0, и поля A1 – если Xi= 1; безусловные переходы осуществляются по адресуАО.
Во втором случае переходыпри xi = 0, а также безусловные переходы осуществляются по адресу АО,а переходы при Xi= 1 осуществляются к ячейке ПЗУ с адресом А1= АО + 1.Добавление единицы к АО может быть осуществлено с помощью комбинационнойсхемы инкрементора в блоке УФАМК.
При использовании двухадресных полей АО и А1 разметка ГСА осуществляется следующим образом.
1. Начальная вершинаотмечается символом s0.
2. Каждая операторнаявершина, а также конечная вершина отмечаются символом Si, отличным от другихвершин. Если число выходных сигналов yj, записанных в некоторойвершине, превышает число операционных полей в формате команды, то число отметоку такой вершины увеличивают соответствующим образом.
3. Отмечается такжекаждая условная вершина, если ее вход связан с входом другой условной вершины;это вызвано тем, что в каждом такте анализируется только одно логическоеусловие xi.
Далее каждой отметке si сопоставляется ячейкаПЗУ с тем же адресом (номером) и таким образом составляется таблица содержимогоПЗУ. Эта таблица является основным результатом логического проектированияавтомата наряду с принципиальной схемой УА.
Разметка ГСА прииспользовании единственного адресного поля АО осуществляется по этим жеправилам, к которым добавляется еще одно:
4. Присваиваютсядополнительные отметки s', и s», и т.д. каждой условной вершине, к которой подходитнесколько стрелок от других условных вершин, так чтобы общее число отметок утакой вершины было равно числу упомянутых стрелок.
Необходимость увеличениячисла отметок и числа используемых ячеек ПЗУ обусловлена ограничениями врасположении микрокоманд в ячейках ПЗУ из-за взаимной связи адресов АО иA1 = A0+ 1.Быстродействие УА несколько снижается по сравнению со случаем использованиядвух адресных полей за счет расхода времени на работу инкрементора. Однакоисключение поля Л, из формата МК позволяет уменьшить разрядность ПЗУ.
Дальнейшее сокращениеразрядности ПЗУ достигается путем перехода к естественной адресации микрокоманд,при которой обычно используются МК двух типов: операционные и управляющие.(рис. 8., а, б). Типы МК различаются по значению одноразрядногополя признака Р: {0, если МК операционная и 1, если МКуправляющая Y1 Y2
а) операционнаямикрокоманда1 X A
б) управляющаямикрокоманда
Рисунок 8
Вычисление адресаследующей МК производится с помощью счетчика микрокоманд (СМК), который предусматриваетсяв структурной схеме УА (рис. 9.). Операционная МК задает кодывырабатываемых сигналов уj и после ее выполнения автомат переходит к следующей МК попорядку их расположения в ячейках ПЗУ, т.е. осуществляет переход по адресу(СМК)+1, где СМК обозначает содержимое счетчика микрокоманд.
/>
Рисунок 9-Структурная схема УА на основе ПЗУ при использованииестественной адресации
УправляющаяМК, содержащая поле логического условия Х и адресное поле А,используется для изменения естественного порядка выполнения МК, т.е. дляосуществления условных и безусловных переходов в соответствии со значениемпроверяемого условия Xi. Если Хi=1,то переход осуществляется по адресу, записанному в поле А, для чего егосодержимое переписывается в СМК. Если Xi = 0 или осуществляется безусловныйпереход, то следующую МК выбирают по адресу (СМК)+1. Таким образом, каждый тактработы УА разделяется на ряд микротактов, в течении которых выполняютсядействия по формированию выходных сигналов yjи выработке адреса следующей МК.
Разметку ГСА осуществляютпо правилам, в которых учитывается то обстоятельство, что анализ Xi и выработка сигналов yjпроисходят теперь в разных тактах: начальная вершина отмечается символом s0, каждая из остальныхвершин получает отличную от других отметку si; каждая вершина, ккоторой подходит h стрелок, получает дополнительные отметки sij (1=1,2,…, h-1) так, чтобы общеечисло отметок у этой вершины стало равным h.
При составлениимикропрограммы основной отметке каждой операционной вершины ставится в соответствиеоперационная МК, а основной отметке каждой условной вершины – управляющая МК,реализующая условный переход. Каждой дополнительной отметке sij ставится в соответствиеуправляющая МК, реализующая безусловный переход в ячейку ПЗУ, соответствующуюосновной отметке si.
Составление таблицыначинают с отметки s1 и последовательно рассматривают вершины ГСА в направлениистрелок. При проходе через условную вершину сначала двигаются по направлениюстрелок, отмеченных нулем (поскольку такому движению соответствует естественнаяадресация МК). Адресные поля управляющих МК временно остаются незаполненными.Дойдя до конечной отметки, возвращаются вверх по таблице до первой управляющейМК незаполненным адресным полем и записывают в это поле адрес следующей попорядку свободной ячейки. Далее продолжают движение по ГСА от условной вершины,которой соответствует данная управляющая МК, в направлении дуги, отмеченнойединицей. Описанную процедуру возвращения вверх по таблице повторяют дозаполнения адресных полей всех управляющих МК, обеспечивая тем самымпрохождение всех путей на ГСА.
Сравнение рассмотренныхтрех вариантов реализации УА на основе ПЗУ с принудительной адресацией и двумяадресными полями, с принудительной адресацией и одним адресным полем, сестественной адресацией показывает, что наименьшую разрядность ПЗУ обеспечиваетвариант с использованием естественной адресации. При этом время реализациизаданного алгоритма оказывается наибольшим, в основном из-за увеличения общегочисла выполняемых микрокоманд. Если при выбранном способе адресации объемоборудования построенного УА оказывается чрезмерным или же быстродействиеавтомата недостаточно, то можно принять некоторые дополнительные меры.
Так, для уменьшенияобъема ПЗУ находят рациональное разбиение полного множества выходных сигналов yj на подмножества, каждомуиз которых выделяется свое операционное поле У так, чтобы общее число разрядовоперационной части формата МК было наименьшим. Сокращение длины адресной частиформата МК можно получить страничной организацией (сегментацией) ПЗУ.
При этом ПЗУ разбиваетсяна сегменты по 2q ячеек в каждом и адрес каждой формируется издвух частей: из адреса (номера) соответствующего сегмента и адреса ячейки внем. Специальной микрокомандой адрес сегмента, в пределах которого осуществляетсяработа, записывается в отдельный регистр или счетчик, а в последующих МКуказывается лишь адрес ячейки в сегменте.
Основным средствомповышения быстродействия УА является организация опережающей выборки микрокоманд,т.е. организация конвейерного режима работы микропрограммного ДУ. При этомпроцесс выборки и дешифрации следующей МК совмещается во времени с процессомвыполнения предыдущей МК в ОА.
Другие возможностиповышения быстродействия УА заключаются в параллельной выборке нескольких МК,которые затем обрабатываются в порядке, диктуемом микропрограммой, а также ворганизации параллельного анализа нескольких логических условий приосуществлении сложных переходов. Однако, эти меры требуют существенногоувеличения объема оборудования.
8. Общая структура микропроцессорного вычислительного устройства
При создании современной радиоэлектронной аппаратуры используются триосновные подхода к реализации дискретных устройств (ДУ): аппаратный, программныйи аппаратно-программный. При аппаратном получают ДУ с традиционной «жесткой»логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие устройств, но требуеттрудоемкой разработки индивидуальной структуры ДУ.
При программном ДУ реализуется в виде программы для готовойуниверсальной ЭВМ, в качестве которой можно использовать микроЭВМ,предназначенную для встраивания непосредственно в разрабатываемые блоки.
Аппаратно-программный подход предполагает разработку какпрограммных, так и аппаратных средств. Сюда относится реализация ДУ в видеавтомата с микропрограммным управлением и хранимой в ПЗУ программой, а такжепостроение ДУ на основе микропроцессора (МП). Этот вариант открывает широкие возможностидля применения современных БИС и позволяет в наибольшей степени согласоватьразрабатываемые аппаратно-программные средства с особенностями решаемых задач.
Микропроцессорпредставляет собой функционально законченное цифровое устройство, выполненное ввиде одной или нескольких БИС и предназначенное для выполнения операций пообработке информации и управлению в соответствии с хранимой в памяти программой.Необходимо отметить, что термин «микропроцессор», несмотря на широкое распространение,не имеет строгого определения. Это обусловлено прежде всего наличием большогочисла сильно различающихся между собой типов МП, а также их постоянным развитием.
В узком смысле МПсовпадает с центральным процессорным элементом (ЦПЭ) вычислительного устройства,выполненным на основе БИС. ЦПЭ обычно используется в качестве основногоэлемента микропроцессорного вычислительного устройства МПВУ, схема которогопредставлена на рис. 10.
МПВУ минимальнойконфигурации содержит ЦПЭ, блоки ПЗУ и ОЗУ, генератор тактовых импульсов ГТИ иблок интерфейса (ИФ), через который осуществляется связь с внешнимиустройствами (ВУ). Будем считать, что МПВУ, представляющее собой специализированноевычислительное устройство, используется в аппаратуре для выполнения некоторогозаданного алгоритма обработки информации (или совокупности алгоритмов).
/>
Рисунок 10. Обобщеннаяструктурная схема микропроцессорного вычислительного устройства
Поэтому основнаяпрограмма работы МПВУ записывается в ПЗУ, которое служит также для храненияразличных подпрограмм, констант, таблиц и других данных, известных уже на этапепроектирования устройства. ОЗУ используется для хранения данных, поступивших изВУ или подготовленных для выдачи в ВУ, а также промежуточных результатоввычислений и некоторой адресной информации.
Блок ГТИ, выполняемый,как правило, на основе кварцевого генератора, предназначен для выработки серийтактовых кварцевого генератора, предназначен для выработки серий тактовыхимпульсов и некоторых вспомогательных сигналов, необходимых для работы ЦПЭ исинхронизации других блоков системы.
Интерфейс представляетсобой совокупность шин для передачи информации, электронных схем, специальныхсигналов и алгоритмов, управляющих обменом информации. Блок интерфейса служитдля сопряжения сигналов МПВУ и ВУ по временным и электрическим параметрам, атакже в необходимых случаях для преобразования данных и управления обменом.
К основным узлам ЦПЭотносятся: управляющее устройство (УУ) с регистром команд (РК) и дешифраторомкоманд (ДШК); арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором (А),который является основным рабочим регистром; блок регистров общего назначения(РОН) со счетчиком команд (СК).
Связь между блоками МПВУосуществляется с помощью ряда шин: шины адреса (ША), шины данных (ШД), шиныуправления (ШУ), шины команд (ШК).
Возможны различныеварианты организации шин: используется одна двунаправленная шина данных, либодве одно направленные (одна из которых является входной для ЦПЭ, а другая – выходной),шина команд может совмещаться с шиной данных при обеспечении временного разделениясигналов и т.д.
Обобщенно процессвыполнения команды в МПВУ можно разбить на две фазы: фазу выборки кода командыи фазу ее исполнения. Фаза выборки состоит из трех шагов: сначала адрес командыиз СК выставляется на ША, затем происходит выборка кода команды из ПЗУ ипередача его через ШК или ШД в регистр команд ЦПЭ, после чего производитсядешифрация этого кода в ДШК.
В соответствии с кодомкоманды УУ начинает вырабатывать последовательность управляющих сигналов,необходимых для ее выполнения. Фаза выполнения команды начинается с подготовкиоперандов (т.е. обрабатываемых данных), которая заключается в определенииместоположения операндов и их размещении в требуемых узлах, после чего ЦПЭпереходит к выполнению операции, заданной кодом команды. В это время в СКформируется адрес следующей команды и вся описанная последовательность работыМПВУ повторяется. Более детально процесс работы МПВУ рассматривается приизучении конкретных серий микропроцессоров.
В зависимости оттребований реального применения МПВУ в минимальную конфигурацию системы могутбыть введены: контроллер приоритетных прерываний (КПП); контроллер прямогодоступа к памяти (КПДП); программируемый параллельный адаптер (интерфейс) ППА);программно-управляемый связной интерфейс (ПСИ); программируемый таймер (ПТ), ит.п.
Блок КПП способствует организации работы МПВУ в реальном временитем, что дает возможность осуществить временное ВУ, вызвавшего прерывание. БлокКПДП позволяет ускорить обмен массивами данных между ВУ и ЗУ за счет исключенияЦПЭ из цепи передачи информации. Блоки ППИ и ПСИ позволяют организовать обменмежду ЦПЭ и В У информацией, представляемой соответственно в параллельном и последовательномкодах. Блок ПТ служит для выработки временных задержек программируемойдлительности и меток времени, что способствует организации работы МПВУ вреальном времени.
Для реализации этихблоков во многих микропроцессорных комплектах БИС предусмотрены соответствующиеинтегральные схемы. Кроме перечисленных типовых блоков в МПВУ могут вводитьсянестандартные блоки, специально разработанные для решения конкретных задач.
Выводы
В процессе выполнения курсовой работы мы ознакомилисьс ссновными понятиями и принципами микропрограммного управления; концепциейуправляющего и операционного автоматов; управляющими автоматами с жесткой ипрограммируемой логикой; научились строить графы схем алгоритмов; проводитьсинтез управляющего автомата по граф-схеме алгоритма; строить УА спрограммируемой логикой на основе ПЗУ и общей структурой микропроцессорноговычислительного устройства.
Литература
1. Самофалов К.Г., Романкевич А.М., и др. Прикладнаятеория цифровых автоматов. – Киев. «Вища школа» 1987.
2. Соловьев Г.Н. Арифметическиеустройства ЭВМ. – М. «Энергия». 1978.
3. Савельев А.Я. Прикладнаятеория цифровых автоматов – М. «Высшая школа». 1987.
4. Каган Б.М. Электронныевычислительные машины и системы. – М. Энергоатомиздат. 1985.
5. Лысиков Б.Г. Арифметическиеи логические основы цифровых автоматов. – Минск. «Вышэйшая школа». 1980.