Реферат: Микро ЭВМ на основе МПК - 1804

Проектирование микроЭВМ на основе микропроцессорного комплекта серии 1804

Введение.

Современный этап научно технического прогресса характеризуется широким применением электроники и микроэлектроники во всех сферах жизни и деятельности человека. Важную роль при этом сыграло появление и быстрое совершенствование элементной базы для разработки и проектирования различных периферийных устройств и устройств вычислительной техники.

Вычислительные машины и комплексы применяются в настоящее время практически во всех отраслях жизнедеятельности человека – связи и передачи данных, медицине и в быту, измерительных и контролирующих системах, в системах автоматического управления и многих других, где играют немаловажную роль и поэтому должны отвечать высоким требованиям, как точности, так и надежности.

Особую роль, с недавнего времени, стали играть и так называемые специализированные или бортовые компьютеры. Эффективность различных современных подвижных и стационарных систем зависит во многом и от их качества. Основное назначение этого класса вычислительных устройств – сбор самой различной информации, как о состоянии окружающей среды, так и возможно, о состоянии самого объекта, её обработка и передача более высокому звену управления объектом.

Процесс проектирования данного класса вычислительных устройств определяется целым рядом факторов, которые необходимо учитывать при построении такого устройства. Этими факторами могут служить:

степень подвижности объекта, несущего бортовой компьютер;

степень сложности алгоритмов вычислений, производимых им и их объем;

точность получаемых, обрабатываемых и выходных данных.

Обычно функционирование таких вычислительных устройств происходит не автономно (хотя не исключён и такой вариант), а под управлением различных более мощных и стационарных объектов или комплексов. В связи с эти сложность разработки структуры и программного обеспечения к таким устройствам требует существенных временных и материальных затрат.

Область применения подобного класса вычислительных устройств можно сказать всеобъемлющая. Практически на любом подвижном объекте возможно (или даже просто необходимо) применение бортового компьютера, который может предоставлять оператору или управляющему устройству – человеку или машине, данные об объекте управления или даже самостоятельно принимать какие-либо решения. Необходимо также сказать, что применение таких вычислительных устройств уже достаточно широкое, что доказывает перспективность их дальнейших разработок и применения в жизни.

1. Разработка архитектуры микрокомпьютера.

1.1 Проектирование алгоритмов, выбор состава макроопераций, проектирование задач.

При реализации данного курсового проекта проектируемая микро ЭВМ должна была решать следующие задачи:

• выполнение арифметической операции
  , где
  (
  - содержимое портов);
• тест ОЗУ методом “Обращение по прямому и дополняющему адресам”;

На основании этих самых алгоритмов была выбрана система команд проектируемой микро ЭВМ (система микроопераций).

Изложенные выше алгоритмы представлены далее в виде блок-схем.

Рис. 1. Арифметическая операция

Рис. 2. Тест ОЗУ.

На основании данных алгоритмов для микро-ЭВМ была выбрана следующая система команд (микроопераций):

mov Reg, операнд

mov Reg, Reg

mov Reg, Mem

mov Mem, Reg

add операнд (к аккумулятору)

add Reg (к аккумулятору)

inc Reg

dec Reg

inc Mem

dec Mem

cmp операнд

jz адрес

jmp адрес

neg Reg

mut Reg (аккумулятор на Reg)

div Reg (аккумулятор на Reg)

in Reg (в Reg номер порта)

out Reg (в Reg номер порта)

shr Reg (сдвиг регистра вправо)

shl Reg (сдвиг регистра влево)

and Reg, операнд

and Reg (Reg с аккумулятором)

or Reg (аккумулятор с Reg)

xor Reg (аккумулятор с Reg)

1.2 Разработка обобщённой структуры микро ЭВМ на основе алгоритмов решения задач.

С учётом вышеизложенных алгоритмов обобщённую структуру микро ЭВМ можно представить следующим образом (рис. 3.).

Рис. 3. Обобщённая структура микро ЭВМ.

1.3 Синтез операционных автоматов для процессорных элементов микро ЭВМ.

В качестве операционного автомата для процессорных элементов микро ЭВМ выберем операционный автомат М-типа.

Автоматы данного типа меньшую аппаратную сложность, однако, производительность вычислений уменьшается до одной операции за такт. Логические условия в автомате М-типа могут формироваться как в АЛУ, так и в самих регистрах – путём соответствующих выводов к управляющему автомату.

Далее синтезирован операционный автомат М-типа, реализующий арифметическую операцию, заданную в условии (
).

Блок-схема микроопераций, реализующая данную математическую операцию представлена ниже. (Рис. 4.)

Рис. 4.1 Блок схема микроопераций.

Рис. 4.2 Блок схема микроопераций.

Рис. 4.3 Блок схема микроопераций.

В структуре М-автомата использованы две шины данных ШД1 и ШД2. Они соединены с входами АЛУ А1 и А2 соответственно. Разделим множество операндов АЛУ на два подмножества исходя из условий.

Если регистры Ri и Rj операнды одной микрооперации, то они включаются в различные подмножества.

Каждое слово R должно принадлежать хотя бы одному из подмножеств.

Подмножества формируются таким образом, чтобы затраты на коммутацию были минимальные.

Для определения каждого из подмножеств построим таблицу выполняющихся микроопераций, и распределим регистры по шинам.

Результат произведенных действий поместим в таблицу.

	Содержание микроопераций	ШД1	ШД2
	Рг. I[3.0] := 1	-	1
	Рг. Т[23.0] := 0	-	-
	Рг. LN[23.0]:=0	-	-
	Рг. К[3.0] := 10	-	10
	Рг. Х[23.0] := Х	-	Х
	Рг. Х[23.0] := Рг. X[23.0] – 1	-	Рг. Х
	Рг. Р[23.0] := Рг. Х[23.0]	-	Рг.Х
	Рг. Чт.[23.0] := 0	-	-
	Рг. Дт.:=Рг.I.	-	Рг.I
	Рг.Дм.[23.0]:=Рг.Х[23.0]	-	Рг.Х
	Рг.Сч.[23.0] := 23	-	23
	Рг.Дм.[23.0] := Рг.Дм.[23.0] + Рг.Дт + 1	Рг.Дм.	Рг.Дт.
	Т3 := 1	-	-
	Т3 := 0	-	-
	Рг.Дм. := Рг.Дм.[23.0] + Рг. Дт. [23.0]	Рг.Дм.	Рг.Дт.
	Рг.Дм. := L1(Рг.Дм.[23.0].0)	Рг.Дм.	-
	Рг.Чт. := L1(Рг.Чт.[23.0].0)	-	Рг.Чт.
	Рг.Чт.[23.0] := Рг.Чт.[23.0] + 1	-	Рг.Чт.
	Рг.Сч.[23.0] := Рг.Сч.[23.0] – 1	-	Рг.Сч.
	Рг.Т. := Рг.Чт.[23.0]	-	Рг.Чт.
	Рг.LN[23.0] := Рг.LN[23.0] + Рг.Т.[23.0]	Рг.LN	Рг.Т
	Рг.I[23.0] := Рг.I[23.0] + 1	-	Рг.I
	Рг.См.[23.0] := 0	-	-
	Рг.Мн.[23.0] := Рг.Х[23.0]	-	Рг.Х
	Рг.Мт.[23.0] := Рг.Р[23.0]	-	Рг.Р
	Рг.Сч.[23.0] := 13	-	13
	Tд. := 0	-	-
	Рг.См.[23.0] := Рг.См.[23.0] + Рг.Мн.[23.0]	Рг.См.	Рг.Мн.
	Рг.См.[23.0] := Рг.См. + L1(Рг.Мн.[23.0].0)	Рг.См.	Рг.Мн.
	Рг.См.[23.0] := Рг.См. + Рг.Мн.[23.0] + 1	Рг.См.	Рг.Мн.
	Tд. := 1	-	-
	Рг.Мт.[23.0] := R2(00.Рг.Мт.[23.0])	-	Рг.Мт.
	Рг.Мн.[23.0] := L2(Рг.Мн.[23.0].00)	-	Рг.Мн.
	Рг.Х[23.0] := Рг.См.[23.0]	Рг.См.	-
	Рг.Х[23.0] := Рг.Х.[23.0] + 1	-	Рг.Х
	Рг.К. := Рг.К.[23.0] – 1	-	Рг.К.

Таким образом в первое подмножество попадают регистры:

Рг.Дм;

Рг.См;

Рг.LN.

Во второе подмножество попадают регистры:

Рг.Х;

Рг.I;

Рг.Дт;

Рг.Чт;

Рг.Т;

Рг.Сч;

Рг.Р;

Рг.Мн.;

Рг.Мт;

Рг.К.

Поставим в соответствие каждой микрооперации выполняемой функции оператор присваивания АЛУ. Эти операторы характеризуют действия, выполняемые непосредственно в АЛУ.

Составим таблицу соответствующих микроопераций:

Содержание оператора D	Приемник результата
	D := 000…01	D->Рг.I
	D := 000…0	D->Рг.Т.
	D := 000…0	D->Рг.LN
	D := 000…01010	D->Рг.К
	D := A2[23.0]	D->Рг.Х
	D := A2[23.0] + 111…1	D->Рг.Х
	D := A2[23.0]	D->Рг.Р
	D := 00..00	D->Рг.Чт
	D := A2[23.0]	D->Рг.Дт
	D := A2[23.0]	D->Рг.Дм.
	D := 000…010111	D->Рг.Сч.
	D := A1[23.0] + A2[23.0] + 1	D->Рг.Дм.
	D := 000…01	D->Т3
	D := 000…0	D->Т3
	D := A1[23.0] + A2[23.0]	D->Рг.Дм.
	D := L1(A1[23.0].0)	D->Рг.Дм.
	D := L1(A2[23.0].0)	D->Рг.Чт
	D := A2[23.0] + 1	D->Рг.Чт
	D := A2[23.0] + 1111…11	D->Рг.Сч.
	D := A2[23.0]	D->Рг.Т.
	D := A1[23.0] + A2[23.0]	D->Рг.LN
	D := A2[23.0] + 1	D->Рг.I
	D := 000…00	D->Рг.См.
	D := A2[23.0]	D->Рг.Мн.
	D := A2[23.0]	D->Рг.Мт.
	D := 000…01101	D->Рг.Сч.
	D := 000…00	D->Тд
	D := A1[23.0] + A2[23.0]	D->Рг.См.
	D := A2[23.0] + L1(A2[23.0].0)	D->Рг.См.
	D := A1[23.0] + A2[23.0] + 1	D->Рг.См.
	D := 000…01	D->Тд.
	D := R2(00.A2[23.0])	D->Рг.Мт
	D := L2(A2[23.0].00)	D->Рг.Мн.
	D := A1[23.0]	D->Рг.Х
	D := A2[23.0] + 1	D->Рг.Х
	D := A2[23.0] + 111…11	D->Рг.К.

Построим таблицу выбора источников операндов для АЛУ и таблицу выбора приемников результатов.

Таблица источников.

Источники		Сигналы управления
A1	A2	ai	bj
-	I	-	b1
-	T	-	b2
LN	-	a3	-
-	К	-	b4
-	X	-	b5
-	P	-	b6
-	Чт	-	b7
-	Дт	a9	b8
Дм	-		-
-	Сч	-	b10
-	Мн	-	b11
-	Мт	-	b12
См	-	a13	-

Таблица приемников.

Приемник	Сигнал управления
D->Рг.k	Dк
I	d1
T	d2
LN	d3
K	d4
X	d5
P	d6
Чт	d7
Дт	d8
Дм	d9
Сч	d10
Мн	d11
Мт	d12
См	d13
Тд	d14
Т3	d15

Выполним кодирование микроопераций наборами управляющих сигналов:

			-	-
			-	-
			-	-
			-	-
			-	-
				-
				-
			-	-
				-
				-
			-	-
			-	-
			-	-
			-
				-
				-
				-
				-
				-
			-	-
				-
				-
			-	-
			-	-
			-	-
				-
				-
			-
				-
				-

На основании полученных данных составим подмножества эквивалентных операторов:

;

;

Построим обобщенные операторы.

Класс

Для установки регистров

2. Класс

D = B1 + B2 + B3

При этом

Объединим классы k3, k4, k5, k7 в класс k8. Для этого обобщенный оператор примет вид:

Класс
:

D = B1 + B2

Класс
:

D = B1

Построим структурные схемы узлов, реализующих обобщенные операторы:

Класс
:

Класс
:

Класс
:

На основании полученных выше данных построим обобщенную схему операционного автомата. (Рис. 5).

Рис. 5. Обобщенная схема операционного автомата.

1.4 Разработка управляющих автоматов для процессорных элементов микро ЭВМ.

При синтезе управляющего автомата условимся о следующих допущениях – комбинаторный сумматор, использованный при синтезе операционного автомата формирует следующие признаки:

P – знак числа

Число больше нуля – P = “0”

Число меньше нуля – P = “1”

Z – признак нуля

Число равно нулю – Z = “1”

Число не равно нулю – Z = “0”

Для построения управляющего автомата произведем разметку ГСА (Рис. 6).

Рис. 6.1 Схема разметки ГСА.

Рис. 6.2 Схема разметки ГСА.

Рис. 6.3 Схема разметки ГСА.

 

	000000		000001	1	-	-
	000001		000010	1		D5
	000010		000011	1		D5 D6
	000011		000100	1		D4
	000100		000101	1		D4 D6
	000101		000110	1		D4 D5
	000110		000111	1		D4 D5 D6
	000111		001000	1		D3
	001000		001001	1		D3 D6
	001001		001010	1		D3 D5
	001010		001011	1		D3 D5 D6
	001011		001100	1		D3 D4
	001100		001101			D3 D4 D6
			001110			D3 D4 D5
	001101		001111	1		D3 D4 D5 D6
	001110		001111	1		D3 D4 D5 D6
	001111		010000	1		D2
	010000		010001	1		D2 D6
	010001		010011			D2 D5 D6
			010010			D2 D5
	010010		010100	1		D2 D4
	010011		010101	1		D2 D4 D6
	010100		010110	1		D2 D4 D5
	010101		010110	1		D2 D4 D5 D6
	010110		010111			D2
			010000
	010111		011000	1		D2 D3
	011000		011001	1		D2 D3 D6
	011001		011010	1		D2 D3 D5 D6
	011010		011011	1		D2 D3 D4
	011011		011100	1		D2 D3 D4 D6
	011100		011101	1		D2 D3 D4 D5
	011101		011110	1		D2 D3 D4 D5 D6
	011110		011111			D1
			100000			D1 D6
			100001			D1 D5 D6
			100011			D1 D5
			100010			D1 D5
	011111		100010	1		D1 D5
	100000		100010	1		D1 D5
	100001		100011	1		D1 D5 D6
	100010		100110	1		D1 D4 D5
	100011		100110	1		D1 D4 D5
	100100		011110	1		D2 D3 D4 D5
	100101		100100	1		D1 D4
	100110		100101			D1 D4 D6
			100111			D1 D4 D5 D6
	100111		101000	1		D1 D3
	101000		101001	1		D1 D3 D6
	101001		000000			-
			001000			D3

Обобщая полученные данные можно построить общую схему управляющего автомата (Рис. 7).

Рис. 7. Общая схема управляющего автомата.

2. Разработка структурной схемы микро ЭВМ.

2.1 Эмуляция ОА в микропроцессорной среде с разрядно-модульной организацией.

Для достижения требуемой разрядности при использовании микропроцессорной секции К1804ВС1 необходимо объединить между собой шесть микропроцессорных секций. Функциональная схема объединения МПС приведена на рис. 8.

При эмуляции ОА в микропроцессорной среде будем использовать следующие соглашения:

Рис.8 Функциональная схема объединения МПС.

Сигналы, поступающие на МПС:

А(4 разр.), В(4), I(9), D(24),
(1)

Для реализации микроопераций ОА необходимо подать на МПС следующие наборы сигналов (в соответствии с форматом):

Адрес с выхода СУАМ поступает на адресные входы блока ПЗУ, и на выходных шинах микросхем появляется микрокоманда, поступающая в Рг.Мк.

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.

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).

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.

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.

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.

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:

№ п/п	Название	Назначение
0-3	UI0 - UI3	Инструкция для УСА
4-15	D0 - D11	Адрес для перехода в СУАМ
16-24	I0 – I8	Инструкция для МПС
25 - 32	A, B	Адресные входы БОД
33 – 45	SI0 – SI12	Операция СУСС
46	C0	Входной перенос в МПС
47		Разрешение выдачи с DI
48		Разрешение выдачи с ADR
49		Разрешение выдачи с RON
50		Разрешение выдачи с A, B с Рг.Мк.
51		Разрешение на запись в DO
52		Разрешение выдачи с DO
53		Разрешение на запись в Рг.А
54		Разрешение на выдачу А
55		Обращение к портам ОЗУ
56		Чтение – запись
57		Запрос на PDP
58		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	XXXXXXXXXXXX	011000011	XXXX	0000	XXXXXXXXXXXXX	1111 011 001 101
2)	1110	XXXXXXXXXXXX	011000111	XXXX	XXXX	XXXXXXXXXXXXX	0010 111 111 101

Аналогичным образом строятся все микрокоманды.

4.2 Разработка программы арифметической операции.

Программа вычисления ln x в командах данной микро ЭВМ будет выглядеть следующим образом:

4.3 Разработка служебного программного обеспечения.

Текст программы теста ОЗУ:

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.