Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

193 программирование позволяет оперативно изменять микропрограммы, изменяя тем самым функциональные свойства устройств ЭВМ.
По способу формирования управляющих функциональных сиг- налов - горизонтальное, вертикальное и смешанное микропрограмми- рование.
По способу кодирования микроопераций - прямое и косвенное кодирование.
По способу исполнения микрокоманд - одно- и многофазные микрокоманды.
5.2.6 Микропроцессоры и их программирование
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) находит в настоящее время все более широкое применение. Одной из причин этому является раз- работка интегральных схем, обладающих свойствами целой вычисли- тельной машины. К числу таких микросхем относятся микропроцес- соры, микроконтроллеры и процессоры обработки сигналов. Ядром этих устройств является процессор и схемы информационного обмена с внешней средой. Отличие заключается в предназначении инте- гральных микросхем. Микропроцессоры используются для создания универсальных вычислительных машин, микроконтроллеры – для управляющих в реальном масштабе времени специализированных вычислителей, а процессоры обработки сигналов – для специализиро- ванных вычислительных машин, предназначенных для выполнения различных преобразований сигналов, например, таких как быстрое преобразование Фурье (БПФ).
Таким образом,

194
За более чем тридцатилетнюю историю развития микропроцес- соров произошло значительное повышение производительности МП, изменение архитектурных принципов построения и технологии про- изводства. Но для того чтобы уяснить основные принципы функцио- нирования МП прежде всего необходимо рассмотреть структурную схему одного из первых микропроцессоров отечественного производ- ства серии К580. Этот по современным меркам скромный МП обра- батывает восьмиразрядные данные. Несмотря на то, что он обеспечи- вает адресацию только 64 Кбайт ячеек памяти, области его примене- ния по-прежнему чрезвычайно широки: более 90% практических за- дач обработки информации в бортовом РЭО могут быть решены на его основе.
Однокристальный микропроцессор К580ВМ80А с программным управлением (УУ с жесткой логикой) и фиксированной системой ко- манд предназначен для параллельной обработки 8-разрядной цифро- вой информации. По назначению относится к классу универсальных
МП и применяется в различных областях техники — от одноплатных контроллеров технологических процессов до персональных ЭВМ ма- лой производительности. Кристалл МП выполнен по n-МОП техноло- гии и содержит 4800 транзисторов. Быстродействие МП достигает
500 тыс.оп/с простых операций типа «регистр — регистр» при дли- тельности цикла 250 нс. Конструктивно МП выполнен в пластмассо- вом корпусе с 40 выводами. Для расширения функциональных воз- можностей разработано значительное количество микросхем под- держки, которые составляют микропроцессорный комплект (МПК)
К580, состоящий из 18 БИС.
Структурная схема МП КР580ВМ80А (рисунок 5.17) состоит из двух частей: операционной (ОП) и управляющей (УП). Обе части расположены на одном кристалле. Управляющая часть содержит не- доступную для пользователя управляющую память, в которую в про- цессе изготовления БИС записаны операции, определяющие состав команд МП.
Операционная часть МП построена на базе 8-разрядного АЛУ, на два входа которого подключены два 8-разрядных буферных реги- стра БР1 и БР2. Вход регистра БР1 соединен с внутренней магистра- лью МП, а вход регистра БР2 — с аккумулятором, выполняющим функции регистра накопителя.

195
Блок РОН содержит шесть 8-разрядных регистров, обозначае- мых буквами В, С, D, E, H, L, которые могут использоваться как оди- ночные 8-разрядные регистры и как регистровые 16-разрядные пары
ВС, DE, HL. Объединение регистров в пары дает возможность хра- нить 16-разрядные двоичные числа. Все регистры имеют трехразряд- ные кодовые обозначения. Регистровая пара обозначается кодом старшего регистра в паре. Например, регистр D имеет кодовое обо- значение 010. Буферные регистры БР1, БР2, а также 8-разрядные ре- гистры W и Z программно недоступны и служат для хранения данных при выполнении некоторых операций.
Рисунок 5.3 - Структурная схема МП КР580ВМ80А
Указатель стека SP и счетчик команд PC являются 16- разрядными регистрами и служат для хранения адресов ячеек памяти.

196
При обращении к памяти в качестве адреса может использоваться и содержимое любой регистровой пары блока РОН. Содержимое счет- чика команд инкрементируется (увеличивается на единицу) после вы- борки содержимого любой ячейки памяти. Сформированный в PC ад- рес очередной ячейки памяти записывается в 16-разрядный регистр адреса РА и выдается на шину адреса системы через буфер адреса БА.
МП имеет 16-разрядную ША и обеспечивает адресацию к памяти, со- держащей 2 16
= 64 Кбайт памяти.
АЛУ МП выполняет арифметические, логические и сдвиговые операции над 8-разрядными двоичными числами. Базовой операцией
АЛУ является операция сложения двоичных чисел. Все арифметиче- ские, логические и сдвиговые операции выполняются при участии ак- кумулятора. Результат операции размещается в аккумуляторе. Обмен информацией МП с внешними устройствами (ВУ) возможен только через аккумулятор. МП имеет возможность выполнения операции с двухразрядными десятичными числами. С этой целью каждая деся- тичная цифра размещается в тетраде любого регистра МП. Коррекция двоичных чисел, необходимость которой возникает при выполнении арифметических операций над десятичными числами, выполняется специальной схемой десятичной коррекции СДК.
Восьмиразрядный регистр признаков РП используется для хра- нения признаков результата операции, выполняемой в АЛУ. Содер- жимое пяти задействованных в настоящее время разрядов РП, назы- ваемых флагами, имеет следующее назначение: флаг переноса C устанавливается в состояние, соответствующее переносу из старшего разряда при выполнении арифметических опе- раций или операций сдвига; флаг нулевого результата Z устанавливается в состояние лог.
«1», если результат операции в АЛУ или в любом РОН равен нулю; флаг знака S устанавливается в состояние лог. «1», если резуль- тат операции в АЛУ или любом РОН отрицательный; флаг четности P устанавливается в состояние лог. «1», если ко- личество единиц в разрядах четно; флаг дополнительного переноса AC устанавливается в состояние лог. «1», если при выполнении операций АЛУ возникает перенос из четвертого разряда.
РП подключен к внутренней магистрали МП, что позволяет с помощью специальных команд переслать его содержимое в память

197 системы. Это необходимо, например, при вызове подпрограммы, ко- гда состояние МП необходимо запомнить в стеке.
Управляющая часть МП содержит восьмиразрядный регистр команд РК, дешифратор команд и управляющее устройство. При вы- полнении команды программы, содержащейся в памяти системы, код команды через буфер данных БД и внутреннюю магистраль МП запи- сывается в РК для дальнейшей обработки в дешифраторе команд и управляющем устройстве. Управляющее устройство, работа которого тактируется двумя импульсными последовательностями Ф1 и Ф2, вы- рабатывает три группы управляющих сигналов, необходимых для реализации четырех режимов работы МП: режима начальной уста- новки, ожидания, прямого доступа к памяти и прерывания.
Сигналы, определяющие состояние шины данных:
С — выходной сигнал высокого уровня, стробирует появление на ШД «слова состояния»;
ПМ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждает готов- ность МП к приему данных;
ВД — выходной сигнал низкого уровня, сообщает, что МП вы- дал информацию на ШД.
Сигналы, определяющие рабочий цикл микропроцессора:
ГТ — входной сигнал высокого уровня, сообщающий МП о го- товности ВУ к обмену данными. При подаче на вход ГТ сигнала низ- кого уровня МП переходит в состояние ожидания, которое продолжа- ется до момента появления на входе ГТ сигнала высокого уровня:
ОЖ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий пе- реход МП в состояние ожидания;
ЗХ — входной сигнал высокого уровня, обеспечивающий от- ключение МП от ШД системы за счет перевода буферов адреса БА и данных БД в высокоимпедансное состояние, характеризующееся практически бесконечным выходным сопротивлением;
ПЗХ — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий отключение МП от ШД;
СБР — входной сигнал низкого уровня, обеспечивающий на- чальную установку МП, при которой счетчик команд PC обнуляется, а сигналы ПЗХ и РПР сбрасываются. Содержимое РОН при этом из- меняется.
Сигналы управления прерываниями:
ЗПР — входной сигнал высокого уровня, запрещающий чтение

198 кода операции очередной команды выполняемой программы и подго- тавливающий МП к выполнению команд программы обработки пре- рывания;
РПР — выходной сигнал высокого уровня, подтверждающий перевод МП в режим прерывания.
Цифровые
процессоры сигналов. Цифровые программируе- мые процессоры сигналов (ППС) или по-другому цифровые сигналь- ные процессоры (Digital Signal Processors) разрабатывались специаль- но для обработки сложных аналоговых сигналов большой размерно- сти цифровыми способами, поэтому они содержат специальные ап- паратные средства и команды. Спектр применения ППС очень широк и охватывает диапазон от простых традиционных модемов до радио- и гидролокационных систем, работающих в реальном масштабе вре- мени. Сегодня ППС уже применяются для построения специализиро- ванных БВМ типа Багет 55. Более подробно принципы построения и использования сигнальных процессоров изложены в восьмой главе.
5.3 Интерфейсные устройства БВМ
5.3.1 Назначение, классификация и основные характеристики интерфейсов
Существенной особенностью работы БВМ в составе авиацион- ного радиоэлектронного комплекса является интенсивный информа- ционный обмен между БВМ и системами комплекса. Время обновле- ния информации для большинства этих систем значительно больше, чем время выполнения команд или даже небольших программ в БВМ.
Поэтому управление процедурами обмена информацией со стороны процессора БВМ не целесообразно, поскольку приводит к фактиче- скому простою процессора и задержке в выработке управляющих сигналов для других систем.
Для организации обмена сначала в составе БВМ, а затем в виде отдельной конструкции были разработаны специальные устройства ввода-вывода (УВВ). В состав УВВ первых выпусков входило боль- шое количество аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразова- телей, поскольку элементы комплекса в большей степени работали с аналоговыми сигналами. При этом каждая новая совокупность систем
(абонентов) требовала разработки своего УВВ, так как стандартиза-

199 ция и унификация средств обмена аналоговыми сигналами затрудне- на.
С разработкой систем, использующих методы цифровой обра- ботки данных, развитием микропроцессоров и внедрением их в бор- товые системы появились возможности для стандартизации бортовых средств обмена. Особенно этому способствовали развитие шинной организации связей между элементами микропроцессорных систем, а также появление понятия «интерфейс».
Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «со- пряжение». Под стандартным интерфейсом в соответствии с ГОСТ
15971 понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализа- ции взаимодействия различных функциональных элементов в автома- тических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информа- ционной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.
Информационная совместимость – это согласованность взаимо- действий функциональных элементов системы в соответствии с сово- купностью логических условий, определяющих: структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последова- тельность их выполнения для различных режимов их функциониро- вания; способ кодирования и форматы данных, команд, адресной ин- формации и информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ог- раничение на их форму и взаимодействие.
Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспе- чения, их основные технико-экономические показатели – пропускную способность и надежность интерфейса, а также объем аппаратурных затрат на устройства сопряжения.
Электрическая совместимость – это согласованность статиче- ских и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение уст- ройств интерфейса и техническую реализацию приемо-передающих элементов.

200
Условия электрической совместимости определяют: тип приемо-передающих элементов; соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения; коэффициенты нагрузочной способности приемо-передающих элементов и значения допустимой емкости и резистивной нагрузки линии в устройстве и т.д.
Условия электрической совместимости влияют на скорость об- мена данными, конфигурацию размещения устройств и расстояние между ними, предельно допустимое число подключаемых устройств и помехозащищенность. Обычно тип приемо-передающих элементов и большинство условий электрической совместимости регламентиру- ется стандартом.
Конструктивная совместимость – это согласованность конструк- тивных элементов интерфейса для обеспечения механических и элек- трических соединений и замены схемных элементов, блоков и уст- ройств.
Условия конструктивной совместимости определяют типы внешних и внутренних соединительных элементов (разъемов), конст- рукцию печатных плат, модулей (типовых элементов замены), блоков, стоек и т.п.
Составными физическими элементами связей интерфейса явля- ются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называ- ется шиной, а вся совокупность линий – магистралью. В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информаци- онную и магистраль управления.
По информационной магистрали передаются коды данных, ад- ресов, команд и состояний устройств. Аналогичные названия при- сваиваются соответствующим шинам интерфейса.
Магистраль управления информационным каналом служит для организации обмена, формирования необходимого набора управляю- щих сигналов в соответствии с протоколом работы интерфейса.
Классификация интерфейсов в соответствии с ГОСТ 26.016 представлена в таблице 5.5.