9.4. УПРАВЛЕНИЕ И СИНХРОНИЗАЦИЯ МП

Для понимания работы МП в процессе обработки информации необходимо знать, на каких магистралях, в зависимости от каких управляющих сигналов и в какие моменты времени МП выдает ту или иную информацию, т. е. динамику процессов в МП. Особенно это важно при согласовании работы МП с внешними устройствами.

Выполнение команд в МП осуществляется в строго определенной последовательности, обусловленной рядом факторов, в том числе используемыми синхросигналами.

Машинный такт (Т) — это период синхросигналов. Его длительность может быть установлена в некоторых пределах. Например, в МП длительность Т может быть установлена произвольно в диапазоне 0,5 ... 2 мкс (при тактовой частоте генератора 2 МГц).

Машинный цикл (МЦ) — время, требуемое для извлечения одного байта информации из памяти (ОЗУ, ПЗУ) или выполнения однобайтовой команды (рис. 9.2). МЦ может состоять из нескольких машинных тактов. Например, для МП К580 МЦ составляет .

Рис. 9.2

Командный цикл (КЦ) — время выборки, декодирования и выполнения команды (рис. 9.2). В зависимости от типа команды КЦ может состоять из нескольких шинных циклов (для МП К580-1 ... 5 МЦ).

Простые команды, не требующие обращения к памяти, выполняются в течение одного МЦ, а более сложные — за несколько МЦ (в зависимости от степени сложности). Например, в МП К580 простые команды выполняются в течение одного МЦ за четыре Т, самые сложные (трехбайтовые) — в течение пяти МЦ за 18 тактов.

В целом выполнение операций в МП сводится к элементарным (не разложимым на более простые) преобразованиям информации в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов и синхросигналов тактового генератора. К таким элементарным преобразованиям или функциональным операциям относятся: передачи информации между узлами в блоках, сдвиги информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка различных признаков, условий и др., выполняемые за минимальный рабочий интервал, т. е. за один такт.

Для более четкого понимания и описания функционирования микропроцессора его, как и любое другое цифровое устройство, можно представить в виде двух частей: операционного и управляющего устройств (блоков).

Операционное устройство, основу которого в МП составляет АЛУ и ряд регистров, характеризуется совокупностью определенных в нем (указанных выше) элементарных функциональных операций, выполняемых в процессе передачи или преобразования информации.

Элементарную функциональную операцию (или их некоторую комбинацию), выполняемую за один тактовый интервал (машинный такт) и инициируемую одним функциональным управляющим сигналом (рис. 9.3, а), называют микрооперацией (МО).

Совокупность микроопераций, выполняемых за один тактовый интервал, называют микрокомандой (МК).

Главная отличительная особенность МК (по отношению к команде) заключается в том, что МК состоит из сигналов (или непосредственно определяет их появление), непосредственно воздействующих на те или иные входы функциональных элементов (например, на затворы транзисторов).

Рис. 9.3

В частности, МК может состоять из одной МО. Можно считать, что каждый разряд МК определяет появление соответствующего функционального сигнала управления.

Последовательность микрокоманд, обеспечивающая выполнение операции, задаваемой кодом команды, а точнее — ее операционной частью, т.е. кодом операции (КОП), называют микропрограммой (МПР).

Таким образом, процесс выполнения любой команды может быть описан некоторой микропрограммой и реализован за несколько машинных тактов, в каждом из которых выполняется одна микрокоманда, т. е. несколько (или одна) микроопераций.

Управляющее устройство предназначено для формирования совокупности управляющих сигналов, обеспечивающих выполнение всех микроопераций, составляющих ту или иную команду.

Последовательность выработки управляющих сигналов зависит от кода операции (т. е. от конкретной команды), от сигналов, поступающих из операционного устройства и несущих информацию об особенностях операндов, промежуточных и конечных результатах (признаках результата), а также от синхросигналов, задающих границы машинных тактов.

На схемах МП линии управления соединяют схемы управления со всеми узлами МП, а также (в рамках МПС) с внешними устройствами (памяти, ввода-вывода).

В целом устройство управления осуществляет: выборку команд программы в нужной последовательности, их дешифрацию и обработку полей команды; управление выполнением операций; синхронизацию работы отдельных элементов, узлов и блоков.

В МП используется два способа организации управления.

Схемный, жесткий или аппаратный способ управления (рис. 9.3, б) используется в однокристальных МП. Он характеризуется тем, что дешифрирование кода команды и выработка последовательности сигналов, необходимых для выполнения тех или иных операций, формируется внутренними, т. е. реализованными на кристалле, логическими схемами, представляющими собой специальный блок, на вход которого подается код соответствующей команды.

Управляющие сигналы вырабатываются в течение нескольких тактов, последовательность их формирования определяется совокупностью различных сигналов и условий, что предопределяет достаточно сложную в функциональном отношении структуру дешифратора команд и блока формирования сигналов управления.

Кроме того, недостатком такого способа управления является необходимость переработки схемы в тех случаях, когда решаемая задача требует изменения тех или иных команд или введения новых.

Однако в силу того, что схемы управления встроены в кристалл, эта задача неосуществима.

Основным достоинством такого способа управления является сравнительно высокое быстродействие.

Второй способ организации управления, называемый микропрограммным управлением (рис. 9.3, в), используется как в однокристальных, так и в многокристальных секционированных МП. В этом случае дешифрирование кода команды и выработка управляющих сигналов производятся микропрограммным устройством управления (УУ), которое содержит, как правило, постоянное запоминающее устройство микрокоманд (ПЗУ МК), в нем каждая команда представлена в виде микропрограммы, реализующей выполнение команды. Таким образом, при таком способе организации управления дешифрирование кода команды и выработка управляющих сигналов производятся под управлением микропрограммы, хранимой в ПЗУ МК.

В результате этого в МПС (МЭВМ) с микропрограммным УУ существует два уровня управления и соответственно программирования: командный, на котором пользователь пишет программы, и мнкрокомандный, или микропрограммный, микропрограммы которого составляет разработчик системы.

Хранение микрокоманд в специальном ЗУ позволяет при необходимости достаточно просто осуществлять замену микропрограмм, т. е. набора выполняемых микропроцессором команд.

Однако необходимость обращения к ЗУ микрокоманд в каждом такте ограничивает (снижает) быстродействие такого МП.

В общем случае пользователь может и не знать, как реализуется та или иная команда, хотя при необходимости может изменить содержимое ПЗУ МК, вводя новую команду или модифицируя уже имеющуюся.

Из сказанного следует, что программирование систем на базе микропрограммных УУ с точки зрения пользователя имеет более широкие возможности вследствие того, что система команд может быть дополнена или изменена в зависимости от конкретного применения.

Осуществляют также микропрограммные системы, в которых отсутствует командный уровень, а программирование ведется на уровне микрокоманд. Это позволяет составлять программы, обладающие наибольшей эффективностью, и получить максимальное быстродействие системы.

Недостатком данного способа программирования является его сложность и трудоемкость, однако к нему зачастую приходится обращаться при построении систем, работающих в реальном времени.

Наиболее полно возможности микропрограммной системы раскрываются лишь для пользователя, знакомого с архитектурой и схемотехникой МПС.

Рассматривая вопросы управления микропроцессором в целом, можно отметить следующее. Поскольку работа схем управления микропрограммируется, это свидетельствуете сходстве архитектуры системы управления МП с архитектурой некоторого МП специального назначения. Таким образом, можно сказать, что схемы управления — это своеобразный МП внутри МП.