§24.3.5. Архитектурные особенности построения управляющей микро-эвм на базе мпк серии к587

При проектировании управляющей микро-ЭВМ, работающей в режиме реального времени, разработчик стремится выполнить противоречивые требования: достичь максимума быстродействия при минимальных аппаратных затратах, мощности и габаритно-весовых характеристиках. Так как управляющая микро-ЭВМ предназначена для решения группы заранее известных задач, как правило, в реальном масштабе времени, то подход к ее разработке должен отличаться от подхода к разработке универсальной микро-ЭВМ и при этом для ЭВМ того же класса быстродействие должно быть выше, а аппаратные затраты — ниже.

Описываемая управляющая микро-ЭВМ спроектирована исходя из следующих соображений, в основном традиционных для микро-ЭВМ: использование интегральных схем в основном большей степени интеграции (для обработки информации—только БИС); принцип управления — микропрограммный; информационная структура должна состоять из необходимого, возможно меньшего числа устройств (операционных блоков, памяти разных типов, регистров), объединенного возможно большим числом буферизованных связей, что должно обеспечивать обмены информацией между несколькими функциональными узлами сразу и выполнение операций обработки информации и вычислений параллельно несколькими соответствующими узлами (при условии программного обеспечения такого распараллеливания); совмещение ПЗУ микрокоманд и программ, с одной стороны, обусловленное спецификой управляющей ЭВМ — решением группы заранее известных задач, с другой — наличием БИС ППЗУ или ПЗУ большой емкости; предварительная подготовка микрокоманд и данных арифметических устройств; специальная подготовка системы команд — должны быть в наличии только нужные для задач данного класса команды, группы часто встречающихся команд целесообразно объединять в одну команду; для минимизации времени выполнения программы целесообразно использовать микрокомандный уровень ее представления, но при этом возникают неоправданные сложности отладки программы и модернизации имеющегося алгоритма. При реализации программы на командном уровне минимизируется емкость ПЗУ, но возрастает время выполнения задачи.

Наиболее целесообразны следующие способы реализации программы: а) на период отладки — командное представление; б) после отладки — командное представление частей программы, не критичных ко времени их выполнения, и представление команд в виде их макрорасширении на микрокомандном уровне для частей программ, критичных ко времени исполнения.

Для аппаратурной реализации этого необходимо иметь группу микрокоманд, выполняемых таким же способом, что и команды.

Можно сказать, что архитектура оптимизирована, если процессорные БИС выполняют микрокоманду за микрокомандой без простоев, а магистрали обеспечивают подачу команд и данных с темпом, соответствующим минимальным циклам ввода — вывода процессорных БИС, и все время заняты.

Архитектура описываемого процессора не полностью отвечает такому критерию оптимальности, однако разработана исходя из изложенных выше принципов. В качестве элементной базы использован МПК серии К587 и ИС серии К564, соответствующая ему по логическим уровням, технологии, быстродействию. Схема процессора приведена на рис. 24.6. В состав его входят ПЗУ, регистр адреса ПЗУ (РгА ПЗУ), регистр данных ПЗУ (РгД ПЗУ), регистр адреса ОЗУ (РгА ОЗУ), устройство управления (УУ), два мультиплексора (МС1 и МС2), операционное устройство, состоящее из арифметического устройства АУ (К587ИК2) и арифметического расширителя АР (К.587ИК.З). На схеме приведены только информационные магистрали, управляющие сигналы с У У на все остальные устройства процессора условно не показаны.

Рис. 24.6. Схема управляющей микро-ЭВМ на МПК

Постоянное запоминающее устройство ПЗУ используется как микрокомандная память, память констант и таблиц и память программ. Оперативное запоминающее устройство хранит входные данные промежуточных результатов и результатов вычислений. Устройства объединены двумя двунаправленными магистралями К.1 и К.2 и рядом однонаправленных. Регистр адреса ОЗУ может загружаться из АУ через канал микропрограммно или из РгД ПЗУ при расшифровке команды, РгА ОЗУ выполняют роль регистра адреса ОЗУ, регистр адреса константы при считывании ее из ПЗУ, а также как адрес ВУ при обращении к нему. Регистр адреса ПЗУ — микрокомандный счетчик адреса, его можно загружать при расшифровке команды или микрокоманды безусловного перехода или модифицировать путем выдачи признаков результата операции АУ каналу КЗ при выполнении микрокоманды условного перехода. Возможно считывание из ПЗУ путем выдачи адреса из РОН АУ по каналу К.2 через МХ1 на накопитель ПЗУ.

Способы взаимодействия совокупностей устройств при выполнении микрокоманд или расшифровке команд определяются потребной системой команд с учетом возможностей структуры. После определения необходимого набора команд и микрокоманд для выполнения этой системы команд эти способы взаимодействия устройств реализуются схемотехникой устройств управления.

Для обеспечения максимального быстродействия необходимо стремиться к тому, чтобы цикл работы процессора стал близок к циклу работы АУ и АР. С этой целью приходится разрабатывать УУ с рациональной системой команд и отказываться от использования БИС УП и ОИ, так как они в значительной мере удлиняют цикл МП.

Устройство управления должно по сигналам синхронизации с процессорных БИС вырабатывать сигналы, обеспечивающие предварительную подготовку микрокоманд и данных. Если применять достаточно быстродействующую постоянную память, например серии К.556 (время выборки не более 100 нс), то первую часть сформулированного критерия оптимальности — равенства цикла процессора времени выполнения микрокоманды процессорной БИС для микрокоманд без ветвления для данной структуры — можно считать выполненной. Вторая часть критерия оптимальности оценивает объем аппаратуры, необходимой для такого эффективного функционирования процессорных БИС, и так как вариантов структур можно предположить множество, а формального алгоритма их синтеза нет, то говорить о том, что задача решена с минимальными аппаратурными затратами, не следует. Однако для достижения этой цели были применены такие меры. как использование БИС, микропрограммность, совмещение ПЗУ микрокоманд и программ.