13.2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ СЕРИИ К588

Комплект выполнен по высококачественной низкопороговой КМОП-технологии и отличается сверхмалым потреблением энергии, достаточно высокими производительностью и помехоусточивостью. Особенностью организации комплекта является использование асинхронной системотехники, что позволяет строить МП без использования блоков синхронизации, в которых время исполнения различных микрокоманд зависит от реальных задержек в БИС. Элементы комплекта используют один низковольтный источник питания +5 В ±10 %. По уровням питающих напряжений все БИС комплекта сопрягаются со стандартными ТТЛ-схемами. БИС комплекта К588 работоспособны в диапазоне температур от —60 до +85 °С, а БИС комплекта КР588 от —10 до + 70 °С.

Данные МПК предназначены для построения встраиваемых и автономных МЭВМ, а также контроллеров различного назначения и распределенных систем управления объектами и технологическими процессами.

Основные принципы построения микропроцессорных БИС этого комплекта — наращиваемость, модульность, микропрограммное управление и автономность внутренней синхронизации — обеспечивают его функциональную гибкость при решении тех или иных практических задач.

В состав МПК серии К588 входят следующие БИС [31, 331:

ВС1 и ВС2 — арифметическое устройство;

ВУ1 и ВУ2 — управляющая память микропрограмм;

ВГ1 — системный контроллер;

ВР1 — арифметический расширитель;

ВР2 — арифметический умножитель;

ИР1 — многофункциональный буферный регистр;

ВА1 —магистральный приемопередатчик;

ВГ2 — контроллер памяти;

ВТ1 — селектор памяти (адреса);

ВН1 — контроллер прерываний;

ВТ2 — контроллер прямого доступа к памяти;

ВИ1 —двухканальный таймер;

ВА2 — приемопередатчик трансформаторной линии;

ВА3 — усилитель-ограничитель сигналов;

ВГ3 — кодек мультиплексного канала;

ВГ4 — контроллер аналого-цифрового преобразователя;

ВГ5 — контроллер цифроаналогового преобразователя;

ВГ6 — адаптер мультиплексного канала;

РЕ1 — ПЗУ с унифицированным интерфейсом.

Далее остановимся только на одном из компонентов этого МПК — на арифметическом устройстве (АУ). Модуль АУ - ВУ2 совместно с модулями управляющей памяти (УП) ВУ2 и системного контроллера (СК) ВГ1 используется для создания операционных блоков различных МП-средств, в том числе и для создания 16-разрядных МПС и МЭВМ.

Арифметическое устройство ВС2 представляет собой 16-разрядный автономный, асинхронный, микропрограммно-управляемый модуль обработки цифровой информации, представленной в двоичном (дополнительном) коде; оно осуществляет прием, оперативное хранение, обработку и выдачу цифровой информации. Структурная схема АУ приведена на рис. 13.1, а.

Рис. 13.1

Арифметико-логическая обработка данных выпол няется в соответствии с 12-разрядным кодом микрокоманды (МК), при этом формируется четырехразрядный код признаков результата операции (ПР).

А У включает следующие основные блоки:

регистр микрокоманд (РГМК), который предназначен для хранения 12-разрядного управляющего слова во время цикла выполнения микрокоманды; будем считать, что в него входят также соответствующие схемы дешифрации кедов МК, формирования и хранения управляющего слова; стробирование регистра осуществляется сигналами из блока синхронизации:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) — это 16-разрядное устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над операндами;

аккумулятор (А) — это 16-разрядный регистр для временного хранения машинного слова;

блок регистров общего назначения (РОН), представляет собой 16 шестнадцатиразрядных регистров, предназначенных для оперативного хранения данных;

регистр состояний (PC), это 16-разрядный регистр для хранения данных; в его четырех старших разрядах помещаются признаки результата (ПР): знака, нуля, переполнения и расширения (переноса), т. е. эти разряды служат для индикации состояния АЛУ; остальные 12 разрядов используются в ряде микрокоманд как РОН;

буфер данных (БД) предназначен для осуществления асинхронного приема и выдачи информации по 16-разрядной шине данных (Д);

блок синхронизации (БС) предназначен для формирования сигналов, определяющих цикл работы АУ;

буфер слова состояния (БСС) предназначен для временного хранения и выдачи в однонаправленную шину состояний старшего полубайта (четыре старших разряда) из регистра состояний.

Обмен данными между АЛУ и другими блоками АУ производится по внутренней шине. Прием микрокоманд и обмен данными между АУ и внешними устройствами (ВУ) по шине Д осуществляются асинхронно и сопровождаются квитирующими сигналами.

Полный цикл работы А У состоит из четырех фаз. последовательность выполнения которых определяется блоком синхронизации. Выполнение любой МК состоит из комбинации следующих фаз: прием, когда осуществляются прием и дешифрация микрокоманд по шине МК, а также операндов по шине Д в некоторых операциях;

чтение, когда считывается информация из источников (РОН, А, PC или БД) в АЛУ и ее обработка;

запись, когда завершается обработка данных в АЛУ и запись результата в приемник (РОН, А, PC или БД);

выдача, когда информация (результат операции) из БД передается (выдается) на шину Д.

Последовательность фаз выполнения конкретной МК определяет внутренний блок синхронизации, функционирование которого начинается с поступлением (отрицательного фронта) сигнала сопровождения микрокоманды (ВК).

Готовность АУ к приему микрокоманды в РГМК определяется установкой на его выходе сигнала завершения выполнения микрокоманды ЗИ (ЗИ-1).

По шине МК информация (микрокоманды) передается только в одном направлении — в АУ, поэтому линии В К (выбор кристалла) и ЗИ (завершения исполнения МК), по которым передаются квитирующие сигналы в данном случае, являются однонаправленными.

Информация по шине Д может как приниматься, так и передаваться, поэтому линии КВ (квитирование выдачи информации по шине Д) и КП (квитирование приема информации по шине Д), по которым передаются соответствующие квитирующие сигналы, являются двунаправленными. При приеме данных в АУ сигнал КВ формируется внешним устройством и инициирует начало фазы ввода данных, сигнал КП служит квитанцией о приеме данных в АУ. При выдаче данных из АУ сигнал КВ инициирует начало фазы вывода данных в ВУ, сигнал КП служит квитанцией для АУ о приеме данных в ВУ.

Ограничений на время ответа не существует, что позволяет сопрягать АУ (такого типа) с устройствами любого быстродействия или использовать его в статическом режиме.

Арифметическое устройство реализует конвейерное выполнение МК, при котором операции приема и дешифрации следующей микроинструкции совмещаются с операциями по выполнению соответствующих действий с операндами и выдачей результата для предыдущей микроинструкции.

По завершении цикла предыдущей МК АУ переходит к фазе приема очередной МК при условии прохождения отрицательного фронта на выходе ВК.

Первая фаза приема цикла работы АУ состоит из следующих действий: приема очередной МК в РГМК, по окончании которого появляется отрицательный фронт сигнала на выходе ЗИ; дешифрация принятой МК; записи дешифрированного управляющего кода, которая осуществляется при условии окончания фазы записи результата для предыдущей МК. Если дешифрированная МК выполняется без приема из канала (шины) Д, то фаза приема на этом заканчивается. В противном случае АУ анализирует сигнал КП и принимает данные из шины Д. По окончании приема и появлении сигнала КВ фаза приема завершается.

При выполнении фазы чтения выбирается источник информации (операнд пересылается по внутренней шине), после чего начинается асинхронная обработка информации в АЛУ. В качестве операнда может служить содержимое РОН, А, PC или БД в зависимости от конкретной МК. Во время выполнения фазы записи заканчивается обработка информации в АЛУ и осуществляется запись результата в соответствующий приемник (РОН, А, ВС или БД). Если приемником является БД, то АУ устанавливает информацию на шине Д, сопровождая данные сигналом КП (КП = 0).

Обмен информацией осуществляется асинхронно по принципу квитирования. При выдаче информации источник устанавливает сигнал КП одновременно с данными. Приемник устанавливает сигнал КВ при завершении приема информации. Обмен информацией заканчивается, когда источник устанавливает сигнал КП = 1, а приемник отвечает сигналом КВ — 1.

В процессе выполнения фазы выдачи предыдущей МК могут выполняться все фазы до фазы записи в первой из следующих МК с выдачей информации или фазы приема в первой из следующих МК с приемом информации.

По наличию тех или иных фаз состав микрокоманд можно разделить на следующие виды.

1. Микрокоманды без обмена данными с шиной Д. В этом случае АУ готово к приему МК в РГМК, сигнализируя модулю УП установкой сигнала ЗИ (ЗИ = 1), а УП выдает МК (если она сформирована) на шину МК (рис. 13.1, б). По окончании приема МК модуль АУ устанавливает ЗИ = 0, начиная исполнение МК.

В то время как АУ выполняет текущую МК, УП формирует следующую МК. Закончив выполнение МК, АУ устанавливает ЗИ = 1 и начинает новый цикл приема и исполнения МК.

2. Микрокоманды с выдачей результата операции на шину Д. В этом случае начало цикла выполнения МК аналогично предыдущему вплоть до момента, когда АУ переходит к выдаче результата на шину Д. сопровождая ее установкой сигнала КВ = 0 (квитирование выдачи информации на шину Д). Одновременно с выдачей АУ может принять новую МК и приступить к ее выполнению. АУ выдает информацию на шину Д до получения ответного сигнала об окончании приема информации (КП = 1).

Если во время выдачи информации АУ получает следующую МК без обмена данными по шине Д, то МК выполняется независимо оттого. закончился цикл обмена предыдущей МК или нет. Если данная МК принята, но еще не закончился цикл выдачи данных предыдущей ЛАК, то АУ не устанавливает ЗИ = 0, а держит уровень ЗИ = 1 и ждет окончания выдачи (до появления КП = 0). Исли МК выдана, но еще не закончилась выдача информации в предыдущей МК, то АУ, окончив фазы чтения и записи и установив ЗИ = 1, останавливается до появления КП = 0. После этого АУ устанавливает КВ = 1 и при наличии КП = 1 выдает новую информацию.

3. Микрокоманды с приемом операнда по шине Д. В этом случае, приняв МК в РГМК, АУ после ее дешифрации переходит в режим ожидания приема информации с шины Д. Прием информации с шины начинается при появлении КВ = 0. Закончив прием операнда. АУ устанавливает КП = 0, ЗИ = 0. По положительному фронту сигнала КВ устанавливается КП = 1. После приема операнда АУ начинает выполнять МК. Окончание выполнения сигнализируется формированием сигнала .

4. Микрокоманды с приемом операнда и выдачей результата операции на шину Д. В этом случае выполнение ЛАК аналогично предыдущему случаю, но добавляется еще фаза выдачи результата операции на шину Д.