Разработка архитектуры специализированного микрокомпьютера

Содержание

Введение 

      Микропроцессорные БИС относятся к классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно-аппаратном принципе построении микропроцессорных систем, или микросистем (МС), - цифровых устройств или систем обработки данных, контроль и управления, построенных на базе одного или нескольких МП. Программно-аппаратный принцип построения МС является одним из основных принципов их организации и заключается в том, что реализация целевого назначения МС достигается не только аппаратными средствами, но и с помощью программного обеспечения – организованного набора программ и данных.

     При разработке микроЭВМ (МС общего назначения) приходится принимать во внимание большое число особенностей МП и микропроцессорных комплектов БИС: технологических, конструктивных, временных, энергетических, эксплуатационных, функциональных и др. Функциональные особенности характеризуют логическую организацию МП и микропроцессорных  БИС, принципы их построения, использования и взаимодействия.

     Основой элементной базы нашей микроЭВМ служит секционированный микропроцессорный комплект БИС с микропрограммным управлением серии К1804. Микропроцессорный комплект К1804 предназначен для построения блоков и узлов микроЭВМ, также другой радиоаппаратуры с высоким быстродействием. Благодаря модульности структуры, возможности параллельного наращивания, гибкости микропрограммного управления комплект обеспечивает построение устройств цифровой вычислительной техники различной архитектуры. Высокая производительность реализуется за счёт применения конвейерной обработки и полупроводниковой биполярной технологии на основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ).

     В состав серии включены микросхемы, реализующие функции арифметико-логических устройств, регистров общего назначения, схем ускоренного переноса и управления адресами микрокоманд, интерфейсных схем, схем управления прерываниями и другие. БИС микропроцессора выполнена в виде 4-х разрядной секции. Простое объединение нескольких секций позволяет получить систему с различной разрядностью кратной 4.

     Проектируемая микроЭВМ состоит из блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Это несколько усложняет процесс проектирования, т. к. все устройства микроЭВМ работают во взаимосвязи, ни одно из них не функционирует само по себе. Но это позволяет построить гибкую систему, легко адаптируемую к требуемым условиям. Проектирование ведется не только на аппаратном уровне, но и на программном, поскольку проектировщику приходится самому разрабатывать систему команд, что позволяет легко адаптировать микроЭВМ для решения того или иного класса задач.

     Наличие в проектируемой микроЭВМ системы  прерываний и интерфейса с внешними устройствами позволяет расширить область её применения.

     Изменение элементно-технологической базы привели  к изменению сложившихся принципов  проектирования вычислительной техники. На смену им приходят идеи проблемной ориентации систем, программной и конвейерной обработки информации, использования табличных методов обработки данных и принятия решений, развиваются принципы регулярности и однородности структур на различных уровнях организации, становится реальной возможностью идея создания адаптивно перестраиваемых вычислительных систем, конфигурация которых изменяется в процессе решения задачи с целью наиболее эффективной организации вычислительного процесса и обеспечения живучести системы. 
 
 

1. Разработка архитектуры

специализированного микрокомпьютера  

     1.1. Анализ известных  реализаций спецкомпьютеров,  критика аналогов проектируемой системы, формулирование требований  к  разрабатываемому микрокомпьютеру 

     С момента появления первых вычислительных машин, организация которых соответствовала концепции Дж. фон Неймана, и по настоящее время остается актуальным вопрос о повышении производительности вычислительных средств. В вычислительной машине Дж. фон Неймана, структура которой представлена на рисунке 1.1.1 ввод-вывод информации осуществляется через арифметико-логическое устройство (АЛУ), поэтому обработка информации прекращается на время ввода-вывода.

Рисунок 1.1.1.

     В целях повышения производительности вычислительных машин было  осуществлено совмещение во времени операций ввода-вывода и вычислений путем организации прямого доступа к памяти (ЗУ) вводе-выводе информации  устройств ввода-вывода (УВВ) (рисунок 1.1.1). Такая структура имеет существенный недостаток – снижение производительности из-за необходимости контроля и управления операциями ввода вывода со стороны устройства управления (УУ) машины.

Рисунок 1.1.2.

     Для более полного совмещения процессов  ввода-вывода  и обработки информации в состав машины был включен автономный канал ввода-вывода, представляющий собой специализированный процессор. Канал ввода-вывода функционирует параллельно с процессором обработки данных, обеспечивая прямой доступ к памяти, а также автономное управление операциями ввода-вывода.

     Дальнейшее  увеличение производительности вычислительных машин осуществлялось путем совмещения этапов выполнения операций и опережающего просмотра команд.

     Принципы  построения ЭВМ определяются, с одной  стороны, назначением и областью применения ЭВМ и, с другой стороны, элементной базой – набором элементов, который может быть использован для построения ЭВМ. Назначение ЭВМ – это выполнение вычислений на основе алгоритмов, и поэтому свойства алгоритмов предопределяют принципы построения ЭВМ.

     К числу важнейших свойств алгоритмов, наиболее существенно влияющих на организацию ЭВМ, относят:

- тип  и способ представления данных, с которыми оперируют алгоритмы;

- конечность  и элементарность набора операций, выполняемых при реализации алгоритмов;

- детерминированность  вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.

     Характерной особенностью специальных ЭВМ является то, что они создаются для реализации только конкретного алгоритма, разработка которого предшествует разработке аппаратной части ЭВМ, что позволяет выбрать оптимальный формат операндов, минимизировать набор операций, а также свести к минимуму детерминированность вычислительных процессов. Также узкая специализация позволяет четко специализировать структуру, в результате чего время решения задачи может быть сокращено в десятки и сотни раз.

     Важнейшим фактором, определяющим успех реализации высокопроизводительного устройства, является выбор элементной базы. Согласно заданию по курсовому проектированию это БИС серии 1804.

     Комплект  биполярных микропрограммируемых БИС  К1804 развивался в традиционных направлениях, связанных со специализацией микросхем по типам функций, реализуемых микро-ЭВМ и особенно её процессором. К таким относятся:

     - Микропрограммное управление (К1804ВУ1, К1804ВУ2, К1804ВУ3, К1804ВУ4, К1804ВУ5);

     - Арифметическая и логическая обработка данных с разрядностью кратной четырём (К1804ВС1, К1804ВС2, К1804ВР1);

     - Арифметическая и логическая обработка данных с фиксированной разрядностью 16, побайтная и побитовая (К1804ВМ1);

     - Выполнения сдвиговых операций в АЛУ (К1804ВР2);

     - Обработка и хранение признаков состояния (К1804ВР2);

     - Управление синхронизацией (К1804ГГ1);

     - Приоритетное прерывание (К1804ВН1, К1804ВР3);

     - Прямой доступ к памяти (К1804ВУ6, К1804ВУ7).

     Комплект биполярных микропрограммируемых БИС К1804 выгодно применять в специализированных вычислительных и управляющих устройствах при повышенных требованиях к их быстродействию (до 8 млн. коротких операций в секунду в контроллерах и 5 млн. – в процессорах ) при отсутствии доминирующих ограничений на энергопотребление устройства (10 –30 Вт).

      При построении спецкомпьютеров наибольшее развитие получают следующие принципы.

      Модульная организация систем. Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных и управляющих машин и систем на основе набора модулей. Под модулем в данном случае понимается конструктивно, функционально и электрически законченное вычислительное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать вычислительные или управляющие задачи заданного класса. Следует различать функциональные и конструктивные модули.

      Модульный подход при проектировании микро- и  мини-ЭВМ позволяет создать семейство ЭВМ, отличающихся друг от друга функциональными возможностями и характеристиками, способствует стандартизации элементов все более высоких уровней и сокращению затрат на проектирование систем, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения технических средств.

      Магистральный способ обмена информацией. Магистральный принцип обеспечивает обмен информацией между функциональными и конструктивными модулями различного уровня с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины. Обычно выделяются следующие магистрали: шины данных, шины адресные, шины управления. Адресные шины и шины данных обычно однобайтные или двухбайтные.

      Магистральный обмен информацией является одним  из аспектов обеспечения регулярности структуры МПС как на уровне БИС, так и на уровне связей между конструктивными модулями МПС.

      Применение  магистрального обмена позволяет минимизировать число связей между блоками, обеспечить разрядность операционного устройства управления путем сосредоточения большинства комбинационных схем в АЛУ и коммутаторах, обеспечить стандартизацию интерфейсов, сократить число выводов БИС.