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