Разработка специализированной микроЭВМ с микропрограммным управлением

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Информатики и вычислительной техники»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Организация ЭВМ и систем»

Тема: «Разработка специализированной микроЭВМ с микропрограммным управлением»

Выполнили:

студенты гр. ИВТ-319

Панченко Ю.Н.

Некрасов В.Н.

Проверил:

к.т.н., доцент Нестерук В.Ф.

Омск 2012

Содержание

Задание на курсовое проектирование

.Структура внешнего интерфейса

2.Алгоритмы функционирования микроЭВМ

.Структурная схема микроЭВМ

.Формат микрокоманд

.Разработка микропрограммы

.Функциональная схема микроЭВМ

.Диаграмма синхроимпульсов

.Временная диаграмма работы микроЭВМ

Список использованных источников

Приложение

Задание на курсовое проектирование

Тема задания: "Разработка специализированной микроЭВМ с микропрограммным управлением".

Исходные данные:

Код двоичных чисел - обратный немодифицированный;

Форма представления двоичных чисел - с плавающей запятой;

Способ реализации алгоритма - таблично - алгоритмический метод

умножения через таблицу квадратов;

Временные параметры реализации алгоритма - программный;

Форматы обрабатываемых слов - 16 разрядов, из них 1 - знаковый;

Внешний интерфейс - специализированный асинхронный;

Включается на правах периферийного процессора.

Элементная база: микропроцессорный комплект серии К584 и дополняющие интегральные микросхемы других серий.

Необходимо реализовать 2 коротки, 2 длинных и 3 логических операции. Осуществить системное, структурное и функциональное проектирование микроЭВМ, рассчитать технические параметры.

1.Структура внешнего интерфейса

Типовое функциональное распределение шин интерфейса внешней системы (ВС), для которой проектируемая микроЭВМ является периферийным сопроцессором, приведено на рисунке 1.

Рис.1.Структура внешнего интерфейса.

ГТ - сигнал «готовности». Выдается микроЭВМ с целью инициализации цикла обмена с внешней системой.

ШД - совмещенная шестнадцатиразрядная двунаправленная шина данных и кода операции, причем, код операции передается по трем младшим битам этой шины.

ППД - сигнал «подтверждение получения данных», выставляется микроЭВМ как сигнал об удачном приеме данных для внешней системы.

ПД - сигнал «передача данных», оповестительный сигнал от внешней системы о передаче данных в микроЭВМ;

ПР - сигнал «передача результата», выставляется микроЭВМ как оповестительный сигнал о передаче данных для внешней системы.

ППР - сигнал «подтверждение получения результата», сигнал об удачном приеме данных внешней системой в микроЭВМ.

2.Алгоритмы функционирования микроЭВМ

3.Структурная схема микроЭВМ

Микропроцессорный комплект (МПК) типа К584 в плане структурной организации предполагает использование трех- или четырехмагистрального внутреннего технического интерфейса, с помощью которого объединяются все функциональные устройства микроЭВМ.

Структурная схема микроЭВМ приведена на рисунке 2.

Рис.2. Структурная схема микроЭВМ.

В таблице 1 указаны используемые сокращения.

В работе использованы функциональные блоки. К операционной части относятся: блок микропроцессоров (БМП) со схемой ускоренного переноса (СУП), которая введена для повышения быстродействия и функциональные устройства расширения ОЧ.

Табл.1. Используемые на схеме сокращения

Сокр.РасшифровкаРазделСокр.РасшифровкаРазделМВХВходная магистральМагистралиМУМагистраль управленияМагистралиМВВыходная магистральМагистралиМАМагистраль адресаМагистралиВИВнешний интерфейс-БМППБлок магистральных приемопередатчи-ковИЧ (Интерфейс-ная часть)М1, М2, М3Входные и выходная внутренние магистралиБМППТПТабличный преобразовательОЧ (Операционная часть)ШАШина адресаБМП, УПБРБуферный регистрОЧШВШина выходных данныхБМПДВШина выходных данныхБМП,ТПДВХШина входных данныхБМП, БРБСБлок синхронизации-МИШина входа микроинструкцииМЛУ, БМУ, БР,ТПУПУправляющая памятьУЧ (Управляющая часть)СИ 1,2,3СинхроимпульсыБСШДШина данныхУПШМКШина микрокоммандУПБМУБлок микропрограммного управленияУЧАМКАдрес микрокоммандБМУМЛУМультиплексор логических условийУЧЛУЛогические условияМЛУШУШина управленияБМПБМПБлок микропроцессоровОЧВХПВходной перенос (П)БМП!СД1Инверсия сигнала сдвига одинарного словаБМПСПМежсекционный переносБМП, СУПЧПЧастичный переносБМП, СУПСУПСхема ускоренного переносаОЧВПВыходной переносСУПМ1, МØЕдиничные константы для подключения режимов БМУМЛУ

БМП предназначен для арифметико-логической обработки и временного хранения информации, представленной в двоичном коде. В БМП может входить одна или несколько секций в зависимости от разрядности микроЭВМ. БМП имеет разделенную двойную шину данных входную (ВХШ) и выходную (ВШ). Микропрограммное управление осуществляется по шине микроинструкций (ШУ). БМП имеет выход частичного переноса (ЧП), на основе которого вырабатывается ВП (СУП).

СУП обрабатывает межсекционные переносы (СП), общий входной перенос (ВхП) и формирует выходной перенос БМП (ВыхП).

К системным устройствам относятся средства внешнего интерфейса на базе блока магистрального приемо-передатчика (БМПП) и блок синхронизации (БС).

БМПП предназначен для приема, хранения и передачи байтов информации между тремя двунаправленными магистралями, реализует паритетный контроль данных, проходящих с системной магистрали, а также осуществляет электрический контроль линий связи. БС формирует три синхроимпульса (СИ1, СИ2, СИ3) по которым осуществляется стробирование выполнения микроинструкций.

К управляющей части относятся блок микропрограммного управления (БМУ), управляющая память (УП), мультиплексор логических условий (МЛУ).

БМУ формирует последовательность адресов для УП. УП производит хранение микропрограмм и передачу микрокоманд. МЛУ производит коммутацию логических условий. БМУ на выходной шине адреса микрокоманды (АМК) формирует код адреса текущей микрокоманды, который поступает на вход ША УП. На выходную шину МК УП считывается соответствующая микрокоманда.

БР совместно с ТП применяются для обеспечения метода ускоренного умножения.

4.Формат микрокоманд

Микрокоманда содержит микроинструкции всех функциональных устройств и блоков, а так же сигналы взаимодействия с внешней средой при обмене через интерфейс внешней системы. В таблице 2 представлен формат микрокоманд разработанной микроЭВМ.

Табл.2.Полный формат микрокоманд.

414039383736 3534 2726 1312 1Ø98 ØПРПДГТРВ!СД1МИ ТПМИ БМППМИ БМУМИ МЛУВхПМИ БМП

Перед отображением исходного алгоритма в системе микрокоманд и отладкой микропрограмм определим системы символьного и двоичного кодирования микроинструкций отдельных блоков и микрокоманд в целом.

В таблицах 3-6 приведены таблицы соответствия для введенных дополняющих средств ТП, МЛУ, БР. Для МПК К584 в справочных технических материалах имеются таблицы БМПП, БМУ и БМП (табл.7-8).

Для однобитовых сигналов: ВхП, !СД1, РВ, ГТ, ПД, ПР, -единичное значение битовых сигналов закодировано символьными обозначениями, а нулевое значение - инверсиями символьных обозначений: !ВхП, СД1, !РВ, !ГТ, !ПД, !ПР. Символами "Х" указана возможность произвольного состояния битов.

В таблице 3 представлены операции в их двоичном обозначении для написания микропрограммы.

Табл.3. Таблица микроинструкций БР.

Мнемокод(МНК)КодПримечаниеЗПБР1запись в буферный регистрНОПØнет операций, хранение

Табл.4. Таблица микроинструкций ТП.

Мнемокод (МНК)КодПримечаниеЧМØØЧтение из младшей страницыЧС1ØЧтение из старшей страницыНОПX1Хранение, отсутствие операций.

Табл.5. Таблица микроинструкций МЛУ.

МНККодМØМ1ПримечаниеАПДØØØ0!ПДПередача данных для анализа счетаАППРØØ10!ППРПодключение ПРБСЧØ1Ø00Безусловный счетБПØ1111Безусловный переходАВП1ØØ!ВП!ВПАнализ инверсии выхода переносаАСД11Ø1!СД1!СД1Арифметический сдвиг-11Ø--резерв для доп. условий111--

Табл.6. Таблица режимов МЛУ.

М1МØАдресРежимХØРАМК+1счет (СЧ)Х1РАМК-1ØØРАМК(А)+1принудительная адресация (ПА)1ØРАМК(А)+2Ø1РАМК(А)-111РАМК(А)

Табл.7. Таблица режимов БМПП.

МНКПримечаниеМ3:=(М2)Передача информации из магистрали М2 в магистраль М3М1:=(М3)Передача информации из магистрали М3 в магистраль М1НОПНет операции

Табл.8. Таблица режимов БМУ.

МНКПримечаниеСЧЕстественная адресацияПА:=(ХХХ)Принудительная адресация по адресу ХХХРКМ:=ШД(Ø-2), АТРПринудительная адресация по трем младшим битам

Табл.9. Таблица кодов операций.

Код операцииОперацияØØØсложениеØØ1вычитаниеØ1Øумножение (ускоренное)Ø11деление1ØØлогическое И1Ø1логическое ИЛИ11Øлогическое НЕ

5.Разработка микропрограммы

Из управляющей памяти сигнал ГТ попадает на магистраль управления, оттуда на М3 БМПП. Шина РВ стробирует выдачу сигнала.

Адресация типа АТР рассматривается по 3м битам, отстоящих на 32 бита друг от друга. Т.о. для используемых операций имеем:

®"+" на ØØF;

®"-" на Ø2F;

®"*" на Ø4F;

®"/" на Ø6F;

®"ИЛИ" на Ø8F;

®"И" на ØAF;

®"НЕ" на ØCF.

Микропрограмма представлена в приложении А.

6.Функциональная схема микроЭВМ

При функциональном проектировании структурная схема ЭВМ представляется на множестве интегральных схем. Нумерация шин в сборке раскрывается в таблице 10. Сведения об используемых микросхемах представлены в таблице 11. Функциональные схемы БМП, БМУ, БМПП и расширителей операционной части (БР и ТП) представлены в приложениях Б.1-Б.4.

Табл.10. Нумерация шин магистрали управления.

НомерНазначениеНомерНазначениеНомерНазначение1-9МИ БМП27-29МИ МЛУ35МИ БР1ØВход ПАЛУ(выходной перенос БМП)3ØПД36-43МИ БМПП11Выход ПАЛУ(выходной перенос БМП)31ППР44ГТ12Выход сдвига !СД132ПР45ПД13-26МИ БМУ33-34МИ ТП46РВ

Табл.11. Используемые микросхемы.

Позиционное обозначениеНаименованиеКол.ПримечаниеDD1-DD4К584ВМ14БМПDD5К1533ИП41СУПDD6К555ЛИ33ИЛИDD7К555 КП51МЛУDD8К584ВУ11БМУDD9-DD15К541РT27УПDD16К155ЛН15НЕDD17- DD 19К584ВВ13БМППDD20К155ЛА312И-НЕDD22, DD 24КР1656РЕ112ТПDD2, DD 23К589ИР122БРDD25- DD26К583АГ12Одновибратор DD27-DD28К155ВГ11БСDD29К555ЛЛ12И

7.Диаграмма синхроимпульсов

При использовании комплекта К584 рекомендован к применению универсальный контроллер синхронизации (УКС) серии К584ВГ1, на кристалле которого интегрированы генератор тактовых импульсов (ГТИ) и распределитель тактовых импульсов (РТИ). Максимальная частота колебаний ГТИ 20 МГц, поэтому 2dt=50 нс.

РТИ на базе ТИ циклически вырабатывает SØ-S9 тактовых импульсов, длительностью 2dt.

Запуск РТИ обеспечивается подачей низкого уровня CLR и высокого STR. Соотношение параметров d,C1,C2,RD3 и t2 задействуют полный цикл УКС, что можно увидеть на временной диаграмме (рисунок 3).

Рис.3. Диаграмма синхроимпульсов.

Окончательный вариант блока синхронизации представлен в приложении Б.5.

8.Временная диаграмма работы микроЭВМ

микропроцессор интерфейс синхроимпульс эвм

Временные диаграммы работы микроЭВМ получаем путем наращивания базовой группы временных диаграмм БМУ диаграммами временного поведения сигналов в возможных контурах управления. Для микросхемы БМУ временные параметры приведены в таблице

Временные параметры БМУ

ПараметрЗначение, нсОписаниеt1>=100Интервал действия низкого уровня синхроимпульса С1t2>=1400Длительность микрокомандного цикла, период синхронизацииt3>=400Время дешифрации микроинструкцииt4>=400Интервал действия низкого уровня синхроимпульса С2t5>=40Интервал предустановки микроинструкцииt6>=100Интервал удержания микроинструкцииt7>=200Интервал предустановки кода модификацииt8>=100Интервал удержания кода модификацииt9>=40 Интервал предустановки кода данныхt10>=100Интервал удержания кода данныхt11350Время задержки выдачи адреса микрокоманды

Для процессорной секции БМП используются следующие временные параметры, которые имеют привязку к положительному фронту синхроимпульса:

Временные параметры БМП

ПараметрЗначение, нсОписаниеT1>=100Интервал действия низкого уровня синхроимпульса СLKT2>=400Длительность микрокомандного цикла, период синхронизацииT3>=100Интервал предустановки микроинструкцииT4>=50Интервал удержания микроинструкцииT5>=60Интервал удержания входных данных DI и входного переноса CI предыдущего циклаТ6150Время задержки формирования частичных переносов в процессорной секции.T7250Время задержки формирования выходных данных в процессорной секцииT8100Время задержки формирования сигналов на выходной шине сдвига !SLR1Т9225Задержка выходного переноса в схеме ускоренного переноса SFCТ1025Время задержки формирования сигнала на выходных шинах мультиплексора

Завершающим этапом моделирования временных процессов в течение микрокомандного цикла является наращивание системы диаграммными осями, на которых отображается состояние шин интерфейсного блока БМПП, осуществляющего сопряжение шин внешнего интерфейса с внутренними магистралями микроЭВМ. БМПП имеет следующие временные параметры:

Временные параметры БМПП

ПараметрЗначение, нсОписаниеR1>=20Интервал действия низкого уровня синхроимпульса СLKR2>=70Длительность микрокомандного цикла, период синхронизацииR3>=15Интервал предустановки микроинструкцииR4>=15Интервал удержания микроинструкцииR535Задержка дешифрации MINSR6>=40Интервал предустановки данныхR7>=15Интервал действия низкого уровня синхроимпульса стробирования усилителей выходных магистралейR815Задержка установки выходных данныхR925Задержка трансляции данных

Временные диаграммы представлены в приложении В.

Список использованных источников

1.Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем : Справочник. В 2 т./ В.-Б. Б. Абрайтис, Н.Н. Аверьянов, А.И Белоус и др./ под ред. В.А. Шахнова. -М.: Радио и связь, 1988.-Т.1. - 368 с.: ил.

2.Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник. В 2 т./ С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов/ под ред. С.Т. Хвоща.-Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987.-640 с.: ил.

3.Нестерук В.Ф. Организация ЭВМ и систем: Краткий конспект лекций для дистанционной формы обучения.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005, 60с.

4.Нестерук В.Ф. Организация ЭВМ и систем: Методические указания к лабораторным работам для дистанционной формы обучения.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005, 31с.

.Нестерук В.Ф. Организация ЭВМ и систем: Учеб.пособие.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005, 52с.

6.Потапов В.И. и др. Основы компьютерной арифметики и логики/ В.И. Потапов, О.П. Шафеева, И.В. Червенчук - Омск: Изд-во ОмГТУ , 2004.- 172 с.

7.Цилькер, Б. Организация ЭВМ и систем / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. СПб.: Питер - 2007, 672 c.

Приложение

Рис. Функциональная схема БМПП

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ&#

Больше работ по теме: