Глава 11. МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОПРОГРАММИРОВАНИЕ

Наряду с однокристальными МП широкое применение находят многокристальные секционированные (или их еще называют разрядно-модульные) микропроцессоры (СМП). Для СМП характерны: модульность построения, магистральные связи между модулями и микропрограммное управление. СМП имеют разрядность 2, 4, 8, 16 и изготовляются обычно на основе технологии биполярных транзисторов.

11.1. СЕКЦИОНИРОВАННЫЕ МП

Рассмотрим базовую структурную схему СМП, приведенную на рис. 11.1. СМП состоит из модуля операционного устройства (ОУ); модуля устройства управления (УУ), содержащего в свою очередь: модуль памяти (обычно это ПЗУ) микрокоманд (ПЗУ МК) и модуль (блок) управления памятью микрокоманд (БУП МК); на входы УУ подаются код операции (КОП) и признаки условий (ПР).

Рис. 11.1

В зависимости от конкретной (разрабатываемой)

МПАС предъявляются соответсхвующие требования к МПС (по разрядности, быстродействию, сложности обработки информации и т.д.). Поэтому для СМП имеется возможность реализации каждого модуля в различных вариантах: на одной БИС; на нескольких однотипных БИС; на нескольких разнотипных БИС.

Рассмотрим краткую характеристику основных модулей СМП.

Модуль операционного устройства (ОУ) предназначен для осуществления обработки данных и адресов. В общем случае он включает несколько микропроцессорных секций (МС), каждая из которых представляет собой БИС, предназначенную для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность МП определяет возможность наращивания разрядности обрабатываемых данных или усложнения УУ микропроцессором при параллельном включении большого числа БИС.

Вне зависимости от разрядности ОУ в него входят блоки: арифметических и логических операций, памяти (сверхоперативной) на РОН и местное устройство управления.

При реализации модулей ОУ могут использоваться различные варианты (рис. 11.2) БЛУ и РОН:

объединены в одной БИС, поэтому число РОН не наращивается; выполнены в виде отдельных БИС и могут наращиваться независимо друг от друга: АЛУ — по разрядности, РОН — по разрядности и числу регистров;

дополнены БИС арифметических и других расширителей (АР) функций, выполняющих аппаратно сдвиги, умножение, деление и т. п. с целью повышения эффективности обработки информации.

Рис. 11.2

Модуль (блок) управления памятью микрокоманд (БУП МК) предназначен для приема команды (кода операции) и формирования последовательности адресов для памяти микрокоманд (микропрограмм) в зависимости от признаков результата, поступающих из ОУ, а также внутренних и внешних прерываний.

Модуль памяти (ПЗУ) микрокоманд (ПЗУ МК) предназначен для хранения управляющей информации (для всех модулей МП). Реализуется модуль на базе БИС ПЗУ, в том числе электрически программируемых (емкостью 1, 4, 16 К бит). Для организации конвейерного принципа микропрограммного управления на выходе модуля ПЗУ МК необходимо использовать дополнительные регистры.

Модуль обмена информацией с устройствами ввода-вывода (УВВ) предназначен для приема и выдачи информации (при обмене с УВВ), а также для организации приоритетной обработки информации при работе МП с внешними устройствами (ВУ).

В качестве достоинств СМП по сравнению с однокристальными можно отметить следующие:

повышенное быстродействие, на практике в 5 ... 10 раз; оно достигается за счет увеличения числа БИС и уменьшения степени их интеграции, что позволяет выделить на транзистор большую мощность, а следовательно, получить большее быстродействие, а также увеличить число выводов, в результате чего возможно построение структур без совмещения функций шин, что также способствует увеличению быстродействия СМП;

большую универсальность; если однокристальный МП имеет фиксированный набор команд, то СМП позволяет определить в процессоре свой собственный набор команд и соответствующую архитектуру аппаратных средств с тем, чтобы получить особые воможности или чтобы выполнить задачу с максимальной эффективностью; такая универсальность позволяет достичь высокой степени оптимизации процессора под данное применение;

наращиваемость; осуществляется наращиванием или длины слова МП последовательным соединением требуемого числа микропроцессорных секций (МС), или объема ПЗУ МК. одним из двух способов: горизонтальным или вертикальным;

возможность построения на базе СМП операционных устройств с распределенной обработкой информации путем введения дополнительных модулей, обеспечивающих аппаратное или микропрограммное выполнение операций типа умножения, деления, индексной арифметики, операций над числами с плавающей запятой и регистровых модулей для хранения информации.

Рис. 11.3

В то же время увеличение числа ИС и мощности потребления СМП в ряде задач проявляется как недостаток. Трудоемкость операций микропрограммирования также сдерживает применение СМП, если речь идет о разработке единичных изделий или небольших серий.

Учитывая преимущества и недостатки СМП, можно отметить следующее:

СМП реализуются на базе нескольких ИС: определенное число микропроцессорных секций, блок микропрограммного управления, ПЗУ микрокоманд и ряд других вспомогательных схем большой, средней или малой степени интеграции;

проектирование МПС с необходимыми для автоматической системы функциональными характеристиками можно осуществить, изменяя состав этих компонентов, способы их соединения, емкость и содержимое ПЗУ микрокоманд, вводя программный уровень управления и используя другие способы:

потенциальные возможности секционированных МП и МП К могут быть реализованы в полной мере, если разработчик МПАС. хорошо знаком со всеми особенностями их структурной и функциональной организации.

На рис. 11.3 приведена укрупненная структурная схема МПС на базе секционированного МП с микропрограммным управлением, оперативного запоминающего устройства ОЗУ и портов ввода-вывода ПВВ.