Реферат: Производственное издание

Производственное издание


М.Н.Ушкар

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
в радиоэлектронной аппаратуре


© Издательство «Радио и связь», 1988

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный этап развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) характеризуется широким применением методов цифровой обработки сигналов, реализуемых с использованием микропроцес­сорных средств. Однако ограниченные вычислительные возмож­ности существующих микропроцессорных средств не позволяют обеспечить требуемые параметры реализации большинства алго­ритмов обработки сигналов на одном микропроцессоре, что приво­дит к необходимости распараллеливания вычислений либо исполь­зования наряду с программными аппаратных средств. Выбор конк­ретной структуры построения микропроцессорного устройства об­работки радиосигналов зависит от особенностей реализуемого ал­горитма и конкретного набора микропроцессорных средств, на ба­зе которых предполагается реализовать исходный алгоритм. Это порождает множество вариантов построения микропроцессорных устройств, выполняющих функции некоторой части РЭА.

За последнее время появилось много работ отечественных и за­рубежных авторов, посвященных проектированию и применению микропроцессорных средств в различных отраслях техники, в том числе и в радиоэлектронике.

В данной книге приведены необходимые справочные сведения, методы и алгоритмы инженерного проектно-конструкторского син­теза микропроцессорных устройств обработки радиосигналов на ранних этапах разработки, включая по возможности весь комп­лекс вопросов от анализа заданного алгоритма до оценки конст­руктивных параметров его реализации на базе различных микро­процессорных средств. Предлагаемые алгоритмы формализованы и могут быть достаточно просто реализованы в виде пакета прог­рамм.

Большое внимание в книге уделяется вопросам создания спе­циализированных вычислителей на комбинационных схемах или аппаратным процессорам, работающим совместно с программируе­мыми микропроцессорными устройствами. Показана эффектив­ность этого известного приема для обеспечения высокой произво­дительности устройств.

Ограниченный объем книги не позволил подробно рассмотреть вопросы разработки и отладки программного обеспечения МПУ. Эти вопросы изложены в [9 — 12].

^ СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

d — динамический диапазон входного сигнала

FД — частота дискретизации

Fобр — интервал об;работки по частоте

H(пДw) — дискретная импульсная характеристика системы в частотной области

h(nДT) — дискретная импульсная характеристика системы во временной области

^ L — число этапов вычисления быстрого преобразования Фурье

l — разрядность микропроцессора

laцп — разрядность АЦП

N — размерность входного массива

р, Рдоп — удельная мощность рассеивания и ее допустимое значение

r — основание преобразования

S — площадь монтажной платы

S(nДw) — спектр дискретного входного сигнала

s(t), s(nДT) — непрерывный и дискретный входные сигналы

^ T — допустимое время выполнения программы микропроцессором

Tnp — время выполнения программы микропроцессором

Тс — длительность обрабатываемого сигнала

tу — время выполнения операции умножения

Y(nДw) — спектр дискретного выходного сигнала

ДF — ширина спектра анализируемого сигнала

Дf — полоса пропускания фильтра

бf — расстояние между центральными частотами соседних фильтров

б, бдоп — среднее квадрэтическое отклонение погрешности вычислений на выходе микропроцессора и его до­пустимое значение

Глава 1

^ МИКРОПРОЦЕССОРЫ — ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ


1.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ


Микропроцессорные средства (МПС) возникли в резуль­тате развития технологии и вычислительной техники. По своей су­ти микропроцессор — это устройство, представляющее собой одну «ли несколько больших интегральных схем (БИС), выполняющих -функции процессора ЭВМ. Являясь частью вычислительных уст­ройств, МПС используют и принципы их построения. Вместе с тем, существующий уровень развития полупроводниковой техноло­гии вносит свои коррективы в эти принципы. Например, разряд­ность и сложность микропроцессорных (МП) БИС определяются максимальными размерами кристаллов, изготовление которых мо­жет обеспечить технология производства.

При построении современных МПС используют, в основном, «следующие принципы: микропрограммное управление, модуль­ность построения, магистральный обмен информацией, наращивае­мость вычислительной мощности.

Микропрограммное управление. Классическое вычислительное устройство состоит из арифметического устройства (АУ), устрой­ства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и уст­ройства в во да-вывода (УВВ); АУ и УУ образуют процессор лю­бой ЭВМ, т. е. ее управляющую и обрабатывающую части. УУ вы­рабатывает сигналы, под действием которых АУ выполняет все необходимые операции и действия. Существуют два метода по­строения УУ: с использованием комбинационных схем и микро­программного ЗУ. В первом случае каждое входное воздействие »а УУ жестко связано с выходным и их изменения возможны только при изменении электрической схемы УУ. Поскольку вход­ное воздействие — это команда МП, то использование такого ме­тода жестко фиксирует его систему команд; при этом достигается максимальное быстродействие УУ. Микропроцессоры, использую­щие комбинационные УУ, называют МП с фиксированным набо­ром команд. Примером такого МП является КР580ИК80.

В соответствии с микропрограммным принципом управления любая сложная операция делится на последовательность более простых действий. Такое простое действие называется микроопе­рацией и выполняется за один такт работы АУ. Для задания оче­редности следования микроопераций вводятся специальные пе­ременные, называемые логическими условиями. Совокупность микроопераций, выполняемых за один цикл (несколько тактов) рабо­ты устройства, называется микрокомандой (МК). Микрокоманда представляет собой двоичное я-разрядное слово, содержащее код операции (КОП), выполняемой АУ, а также коды адресов исход­ных данных и результата. Микрокоманда поступает на вход АУ, которое дешифрует ее и вырабатывает управляющие сигналы. Эти сигналы стробируются импульсами внутреннего блока синхрони­зации, который формирует временные такты выполнения микро­операций. Микрооперации жестко связаны со структурой АУ и не могут быть изменены.

После выполнения действия, определенного КОП, АУ инфор­мирует об окончании выполнения микрокоманды. Каждому АУ присущ только свой, конкретный набор МК, который называется системой микрокоманд.

Устройство, предназначенное для записи, хранения и считы­вания МК называется микропрограммным устройством управления (МУУ). В простейшем случае МУУ представляет собой БИС ПЗУ «ли ППЗУ, в которой записаны МК- Для считывания этих МК необходимо устройство формирования адреса, например счет­чик. Любую операцию можно представить последовательностью МК (микропрограммой). Необходимо отметить два основных от­личия микропрограммного управления от жесткого: смена выпол­няемой операции обеспечивается заменой микропрограммы; при считывании каждой МК требуется обращение к ПЗУ, что снижает быстродействие УУ. Итак, микропрограммное управление заменя­ет аппаратные средства программными и обеспечивает высокую гибкость, но при снижении быстродействия.

Минрокомандный уровень управления АУ является самым низ­ким уровнем, доступным разработчику МПУ. Микрокоманда наи­более полно отражает структуру АУ, в силу чего реализация опе­раций с помощью микропрограмм является оптимальной в смыс­ле экономии памяти и повышения быстродействия. Наряду с этим МК представляет собой достаточно мелкую детализацию выпол­няемой операции, например «обнулить регистр», «содержимое ре­гистра переслать в аккумулятор» и т. д. Поэтому для программи­рования сложных алгоритмов, которыми являются алгоритмы об­работки сигналов, потребовалось бы составить микропрограммы,, содержащие сотни, тысячи микрокоманд. Отладить такую микро­программу очень сложно.

Для повышения уровня детализации выполняемой операции вводится командный уровень управления. Символом этого уровня является команда, которая представляет собой (как и микроко­манда) m-разрядное двоичное слово (обычно m


Рис. 1.1. Структурная схема микропрограммного устройства управления


Структурная схема МУУ изображена на рис. 1.1. Команда, считанная из ЗУ, поступает на .регистр команд и далее на блок управления. В соответствии с принятыми сигналами блок управле­ния формирует адрес первой МК микропрограммы, соответствую­щей принятой команде. Этот адрес через регистр поступает в ЗУ МК. Считанная из ЗУ МК состоит из двух частей: операционной (или собственно микрокоманды, которая поступает на АУ) и ад­ресной, которая поступает на блок управления. Приняв адресную часть МК, блок управления формирует адрес следующей МК. Виовь считанная МК имеет свою адресную часть, которая посту­пает на блок управления. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет считана последняя МК данной программы. После этого МУУ готово к приему следующей команды. Длина микро­программы определяется разрядностью кода адреса следующей МК. В табл. 1.1 приведены типовые команды процессора, выпол­ненного на микросхемах серии К589, и число МК, содержащихся в этих командах [4, 6].

Доля МК обращения к ЗУ составляет 20 — 40%, это дает воз­можность работать нескольким МП с общей памятью без взаим­ных помех.

Итак, использование микропрограммного управления при по­строении МПУ обработки сигналов позволяет разрабатывать сис­темы команд и языки, ориентированные на структуру реализуе­мых алгоритмов, повышать быстродействие за счет параллельной работы нескольких микропроцессоров с общей памятью.

Таблица 1.1 ^ Содержание команды
Число МК

Содержание команды

Число МК

Сложение

20

Возврат

5

Вычитание

21

Переход

7

Деление

35

Сдвиг влево

2

Умножение

34

Сдвиг вправо

3


Модульный принцип построения. Этот принцип предполагает разделение электрической схемы МПУ на функционально завер­шенные модули. Исходя из классической схемы вычислительного­устройства, любое МПУ должно включать как минимум микро­процессор, ЗУ и УВВ. Конструкция модуля представляет собой либо функциональную ячейку (ФЯ) (см. § 2.3), либо микросборку (МСБ), либо СБИС. Современные модули МПУ чаще всего вы­полняются в виде ФЯ. Приведенный выше состав модулей позво­ляет построить универсальное МПУ. При решении вопроса о функ­циональном составе модулей МПУ необходимо учитывать много­функциональность (универсальность) и специализацию модулей. Повышение универсальности модулей обеспечивает сокращение их. номенклатуры, снижение затрат на проектирование. Специализа­ция модулей является средством достижения соответствия струк­туры МПУ выполняемым алгоритмам и тем самым повышения быстродействия, а следовательно, и эффективности применений1 МПУ в РЭА.

Модульный принцип конструирования МПС дает возможность, разработчику выбирать только необходимые ему модули и посте­пенно наращивать функциональные возможности МПУ. Иногда при проектировании МПУ, реализующих конкретные алгоритмы, для обеспечения требуемых характеристик достаточно небольшой фрагмент алгоритма реализовать аппаратно. Конструирование спе­циального модуля или БИС для реализации такого фрагмента может оказаться неоправданно дорогим. Целесообразно на моду­ле МП установить специальный соединитель для подключения ма­лых модулей, реализующих конкретные функции. Такой подход был реализован в микромодульных платах iSBX [3].

Для расширения функциональных возможностей одноплатной микро-ЭВМ разработаны три модуля: последовательного ввода­вывода iSBXx25i, параллельного ввода-вывода iSВХх350 и арифметического процессора с плавающей точкой iSВX332. При­менение таких модулей увеличивает гибкость одноплатной микро-ЭВМ. Для обеспечения аппаратной специализации системы разра­ботана переходная плата iSBXyx960=5, содержащая пять гнезд шины iSBX, к которым разработчик может подключать специаль­ные аппаратные модули.

Модульный принцип построения позволяет повысить эффектив­ность применения МПС для конкретных задач. Это достигается выбором типа и числа модулей, учитывающих особенности решае­мого алгоритма. Например, микро-ЭВМ «Электроника С5-12» в минимальной конфигурации представляет собой микропроцессор, содержащий ПЗУ емкостью 1КХ32 и ОЗУ емкостью 128X16. Микро-ЭВМ может использоваться совместно с модулями «Элект­роника С5-121» — АЦП (число каналов 115, время преобразования 10 мс, погрешность 0,4%), «Электроника С5-125» — модуль внеш­него ОЗУ емкостью 8К байт, «Электроника C5-I123» — модуль со­пряжения с устройством ввода-вывода и некоторыми другими.

Комбинируя модули, можно получать вычислительные средства различного назначения. Приведем некоторые из них: микро-ЭВМ+ +ОЗУ — минимальная конфигурация одноплатной микро-ЭВМ с относительно большим объемом памяти, микро-ЭВМ + АЦП — применяется в измерительных приборах, цифровых следящих сис­темах.

Магистральный принцип обмена информацией. Некоторые вы­воды МПС должны соединяться с различными внешними устрой­ствами. Это обеспечивается объединением выводов МПС в магист­рали (шины) и мультиплексированием во времени обмена инфор­мацией между модулями. Весь информационный поток, циркули­рующий в МПС, обычно разбивается на три группы: адреса, дан-яые и управление. В соответствии с этим выделяют шину данных, шину адресов и управляющую шину. Применяя последовательно временное мультиплексирование, можно построить МПС с трех-, двух- и однотипной структурой.

При выборе структуры МПУ необходимо учитывать следующее: при уменьшении числа шин увеличивается площадь кристалла или модуля, отводимая под функциональные элементы, и тем са­мым повышаются функциональные возможности МПС. Вместе с тем применение временного мультиплексирования обмена инфор­мацией приводит к снижению быстродействия и необходимости ис­пользования дополнительных буферных регистров.

В некоторый период времени только два устройства могут быть одновременно подключены к шине. Одно из них — ведущее, дру­гое — ведомое. Ведущим устройством обычно является МП. При обмене информацией между МП и ведомым остальные устройст­ва, подключенные к шине, не должны им мешать. Такое раздель­ное использование шины достигается различными способами под­ключения к ней выводов устройств. Известны три способа подклю­чения: логическое объединение, объединение с помощью схем с открытым коллектором и объединение с использованием схем с тремя состояниями [4].

Логическое объединение выполняется с помощью логических схем ИЛИ, И (рис. 1.2,а). На входы логических вентилей посту­пают информационные сигналы И1 — И4. Подключением этих сиг­налов к шине управляют сигналы У1 — У4, схема формирования которых приведена на рис. 1.2,6. На вход схемы поступают два адресных сигнала: Al и А2. Схема формирует четыре взаимоиск­лючающих управляющих сигнала У1 — У4. (Вместо этой схемы может быть использован любой дешифратор типа 1 из и на два вхо­да и более. Максимальное число подключаемых устройств опре­деляется числом входов логического элемента ИЛИ.

Объединение с помощью схем с открытым коллектором пред­полагает электрическое соединение выходов нескольких логиче­ских элементов, как это показано на рис. 1.2,в. В схемах с откры­тым коллектором отсутствует .нагрузочный резистор. Выходы схем с открытым коллектором объединены с использованием общего нагрузочного резистора RK. Выходной сигнал равен 0, если сигнал на любом из объединенных выходов равен 0, и 1, если сигналы на всех объединенных выходах равны 1. По аналогии с реализуемой логической функцией такой способ подключения называют «мон­тажным ИЛИ», или «монтажным И». При поступлении на вход управляющего сигнала 1, на выходе схемы ИЛИ появляется 1 (независимо от значения информационного сигнала И); в резуль­тате общий выходной сигнал не меняется. При (низком уровне управляющего сигнала сигнал на выходе схемы ИЛИ равен инфор­мационному. Итак, если один управляющий сигнал равен 0, а ос­тальные II, то общий выходной сигнал повторяет значение инфор­мационного входа схемы ИЛИ, имеющей низкое значение сигна­ла управления.

Для подключения устройств к шине с использованием схем с открытым коллектором требуется меньшее число логических эле­ментов, чем при логическом объединении. Однако шины на схе­мах с открытым коллектором (как и шины с логическим объеди­нением) имеют ограниченное применение. В основном, это обус­ловлено следующими причинами:

1. Значение выходного тока стандартной управляющей схемы, выполненной по ТТЛ-технологии, около 20 мА. Поэтому с по­мощью «монтажного ИЛИ» можно объединить сравнительно не­много (не более 20) схем с открытым коллектором.



Рис. 1.2. Структурные схемы подключения выходов нескольких микросхем к об­щей шине:

а — логическое объединение сигналов; б — схема формирования управляющих сигналов; в — подключение с помощью схем с открытым коллектором; г — подключение с помощью схем с тремя состояниями


2. Нагрузочный резистор занимает место на плате и потреб­ляет около 1 мА, когда шина находится в рабочем состоянии. На­личие этого тока еще больше снижает уровень сигнала в шине.

Объединение с использованием схем с тремя состояниями сво­бодно от недостатков, присущих рассмотренным выше способам. На рис. 1.2,г нагрузочными являются транзисторы VT1 и VT3. На входы транзисторов подаются управляющие и информационные сигналы. Каждая пара транзисторов управляет подключением од­ного устройства. При подключении устройства к шине транзистор­ной парой управляет информационный сигнал. Например, при по­даче лог. 1 на VT1 и лог. 0 на VT2 транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт; на шине — лог. 1. Если на VT1 подается 0, а на VT2 1, то на шине — лог. 0. Одновременно значение управляющего сиг­нала на входах транзисторов VT3, VT4 равно 0. Оба транзистора закрыты, и схема находится в третьем устойчивом состояния: «цепь разомкнута». В этом состоянии через схему протекает очень маленький ток. Шины с тремя состояними имеют следующие преи­мущества:

схема в состоянии «цепь разомкнута» потребляет ток не более 0,4 мА (схема с открытым коллектором около 2 мА), поэтому в схемах с тремя состояниями можно объединить гораздо больше выходов (до 50);

не требуется дополнительных логических схем. Микропроцес­сорные БИС имеют буферные схемы с тремя состояниями внутри кристалла, для этого предусматривается дополнительный вывод;

нет необходимости использовать нагрузочный резистор.

При разработке МПУ логическое объединение и объединение с помощью схем с открытым коллектором используются обычно при организации внутренних шин МП, модулей ОЗУ, ПЗУ и др. При организации внешних по отношению к МП шин обычно использу­ются схемы с тремя состояниями.

Наращиваемость вычислительной мощности МП С. Основным отличием МПС от других изделий вычислительной техники явля­ется реализация их в виде одной или нескольких БИС. Современные уровни развития полупроводниковой технологии и материа­ловедения позволяют производить БИС на кристаллах площадью» до 50 мм2. Небольшая площадь кристалла приводит к необходи­мости расчленения МПУ на отдельные БИС. Факторами, ограни­чивающими функциональную сложность этих БИС, являются чис­ло выводов и потребляемая мощность. Последний фактор особен­но важен для .быстродействующих МП БИС, выполненных по би­полярной технологии.

Современные МПК БИС включают несколько десятков БИС различного назначения. Разрядность МП БИС обычно составля­ет 4, 8, реже 16 бит. Микропроцессорные БИС с ограниченной разрядностью называются секционированными. Обеспечение тре­буемой разрядности проектируемых МПУ достигается путем объ­единения необходимого числа БИС. При этом обычно не требует­ся дополнительных аппаратных затрат, достаточно только объе­динить соответствующие выводы и цепи сигналов переноса. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в § 1.2. Детальный анализ проблем построения различных МПС на секционированном МПК БИС Ат2900 рассмотрен в [5].

Таким образом, основные принципы построения МПС: микро­программное управление, модульность построения, магистралыклй обмен информацией и наращиваемость вычислительной мощности позволяют разрабатывать МПУ, структура, система команд, быст­родействие и разрядность которых учитывают особенности реали­зуемых алгоритмов.


^ 1.2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ БИС


Микропроцессорные средства включают: МПК БИС, одно­кристальные и одноплатные микропроцессоры, микро-ЭВМ, микро­контроллеры, устройства ввода-вывода, хранения, отображения, коммутации информации и т. п. Основой построения МПС являют­ся: МПК БИС, микросхемы запоминающих устройств и преобра­зования вида информации (АЦП, ЦАП).

Микропроцессорный комплект БИС представляет собой набор электрически совместимых цифровых БИС, достаточный для по­строения различных МПУ. Существующие МПК БИС можно раз­делить на две группы: с фиксированной системой команд и сек­ционированные. Основное различие этих комплектов заключается в способе реализации устройства управления. В первом случае оно реализовано на комбинационных схемах и конструктивно объ­единено с арифметическим устройством в одной БИС. Это объе­динение представляет собой функционально законченный микро­процессор с фиксированной системой команд, ориентированной на широкий круг решаемых задач. Такие МПК обычно имеют стан­дартные отладочные средства и относительно развитое програм­мное обеспечение, что обеспечивает их широкое применение.

Примером однокристального микропроцессора является цент­ральный процессорный элемент КР580ИК.80. Особенности построения и реализации арифметического и управляющего устройств делают недоступным программисту микропрограммный уровень управления. Он оперирует командами, которые не может изме­нить. Вместе с тем проектирование конструктивно встраиваемых в РЭА МПУ предполагает их специализацию в соответствии с реа­лизуемым алгоритмом. Кроме того, как .будет показано в гл. 2, одним из основных требований, предъявляемых к МПУ, является реальный масштаб времени вычислений решаемых алгоритмов. Не­обходимость специализации системы команд и структуры проекти­руемых МПУ ограничивает применение однокристальных микро­процессоров в РЭА.

Основной элементной базой конструктивно встраиваемых в РЭА МПУ являются секционированные МПК БИС, у которых в отли­чие от однокристальных микропроцессоров управляющее устрой­ство реализовано на принципах микропрограммного управления. Такой подход обеспечивает доступ разработчика к уровню микро­команд, что позволяет изменять команды и соответствующие им микропрограммы исходя из решаемых алгоритмов. Секциониро­ванные МПК имеют различные системы команд, разрядность, ти­пы интерфейса ввода-вывода и т. п. Проектируемые на основе сек­ционированных МПК МПУ обладают большой гибкостью, так как расширение функциональных возможностей обеспечивается изме­нением отдельных микрокоманд или заменой всей памяти микро­программ.

Построение арифметического устройства требуемой разряднос­ти осуществляется объединением 4-, 8- или 16-разрядных процес­сорных секций. Микропрограммное устройство управления выпол­няется на одной или нескольких БИС. Соединив между собой нес­колько БИС микропрограммного управления, можно увеличить объем микропрограммной памяти. Объединение арифметического и управляющего устройств позволяет получить базовую структуру микропроцессора. Подключение к ней специализированных БИС ввода-вывода, вспомогательных аппаратных микропроцессоров и других специализированных микросхем приводит к повышению производительности МПУ.

Использование секционируемых МПК обеспечивает гибкость проектирования как по аппаратным решениям, так и по реализа­ции требуемой системы команд. Однако при этом предполагается, что разработчик знает возможности и особенности всех микро­схем, входящих в состав МПК, принципы объединения их в уст­ройство, организацию синхронизации в устройстве; владеет мето­дами разработки и отладки микропрограмм. Вместе с тем работа на микропрограммном уровне создает и определенные трудности. Микропрограммный уровень определяется конкретными схемными решениями, поэтому программирование на этом уровне требует от разработчика знаний аппаратных особенностей МПК, учета временных соотношений и т. п. Кроме того, разработка оригиналь­ной .системы команд приведет к необходимости проектирования дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения, предназначенного для отладки программ. Это обуславливает уве­личение сроков [разработки и повышение стоимости МПУ, проек­тируемых «а основе секционируемых МПК БИС.

Микропроцессорные комплекты БИС отличаются своими харак­теристиками, основными из которых являются: число БИС в комп­лекте, число внутренних магистралей, разрядность, система мик­рокоманд, число регистров общего назначения, число уровней пре­рывания, быстродействие, число буферных регистров (портов) ввода-вывода (Явв, ЯВЫв) и др.

Число БИС в комплекте во многом определяет функциональные возможности МПК. Наличие в составе комплекта разнообразных специализированных БИС позволяет проектировать функциональ­но законченные МПУ при минимальном использовании микро­схем средней и малой степени интеграции. Если число специали­зированных БИС в МПК ограничено, то некоторые функциональ­ные узлы приходится проектировать на (микросхемах малой и сред­ней степени интеграция, что снижает плотность упаковки МПУ и ухудшает его конструктивные параметры. Кроме того, использо­вание специализированных БИС для аппаратной реализации не­которых сложных (с вычислительной точки зрения) функций по­вышает производительность МПУ.

Как было показано в § 1.1, число внутренних магистралей мик­ропроцессорных БИС колеблется от одной до трех. При выборе МПК необходимо учитывать, что уменьшение числа магистралей снижает процент использования площади кристалла под магист­рали, а также быстродействие этих микросхем.

Большинство современных МПК имеют разрядность 4, 8 или 16 бит. Ограничение разрядности обусловлено размерами кристал­ла и технологическими допусками изготовления логических эле­ментов. Биполярные секционированные МПК обычно имеют раз­рядность 4 и 8 бит. Разрядность МПК, выполненных по МОП-тех­нологии, достигает 16 бит.

Система микрокоманд (как и число БИС) определяет функ­циональные возможности МПК. Системы микрокоманд распрост­раненных МПК БИС, их (форматы, разрядность, особенности реа­лизации подробно рассмотрены в [6 — 12]. Отметим, что при выбо­ре типа МПК необходимо, чтобы его система микрокоманд соот­ветствовала решаемому алгоритму. При этом особое значение при­обретают микрокоманды, реализующие специальные функции, на­пример умножение, деление, нормализацию чисел и т. п. Эти функ­ции могут быть реализованы аппаратно на специализированных БИС, либо программно, например в МПК БИС КМ1804 [12]. Для ряда применений, не требующих высоких скоростей обработки ин­формации, программная реализация специальных функций может оказаться предпочтительней, так как не требует дополнительных аппаратных затрат.

Число регистров общего назначения (РОН) определяет ем­кость внутренней сверхоперативной памяти МП и колеблется от 2 до 16. Увеличение числа РОН в МПК дает возможность хранить в них большее число исходных данных и промежуточных резуль­татов вычислений. При этом в микропрограмме вычислений будут шире использоваться микрокоманды типа регистр-регистр, а сле­довательно, уменьшится число обращений к ЗУ. Быстродействие выполнения такой микропрограммы будет выше.

Прерывание представляет собой процедуру обмена данными с внешними устройствами. При этом инициатором обмена является внешнее устройство, которое посылает сигнал «Запрос на преры­вание». Получив этот сигнал, МП приостанавливает выполнение основной программы и переходит к реализации специальной под­программы обмена, называемой подпрограммой обработки преры­ваний. Эта подпрограмма выключает ряд действий, описание ко­торых можно найти в [10, 13]. Число уровней прерывания опре­деляет число внешних устройств, способных обращаться к микро­процессору и обмениваться с ним информацией. Этот параметр имеет особое значение при использовании МПК для построения систем сбора и распределения данных, характеризующихся боль­шим числом датчиков информации, имеющих различный приори­тет.

Параметром, характеризующим быстродействие МПК, обычно является время цикла выполнения простейшей микрооперации. По­скольку микрокоманды состоят из последовательности микроопе­раций различной длины, то время цикла выполнения микроопера­ций дает очень относительное представление о реальном времени реализации микрокоманд. Один из методов определения времени выполнения микрокоманд приведен в Приложении. При совмест­ном включении нескольких арифметических и управляющих уст­ройств с различным быстродействием такт работы всего МПУ оп­ределяется длительностью такта устройства, обладающего мень­шим быстродействием.

Число буферных регистров (портов) ввода-вывода является па­раметром, характеризующим структуру МПК БИС. Для секциони­рованных МПК характерно использование многопортовых струк­тур (обычно двух-трех). Увеличение числа портов ввода-вывода приводит к уменьшению длительности цикла выполнения микро­команды, упрощает построение МПУ, реализованных по «конвей­ерной» структуре. Остальные параметры МПК такие же, как и у Других цифровых микросхем. Это прежде всего уровни напряже­ний логических сигналов (U0 и U'), потребляемая мощность, ус­тойчивость к изменениям напряжения питания, коэффициент объе­динения по входу, коэффициент разветвления по выходу (нагру­зочная способность), помехоустойчивость и др.

Функциональная сложность МПК БИС определяется макси­мальными размерами полупроводниковых кристаллов, изготовле­ние которых может обеспечить современный уровень развития тех­нологии. Небольшие размеры кристаллов (до 50 мм2) требуют уп­рощения структур и ограничения разрядности БИС. Для опреде­ления содержимого внутренних регистров МП требуются специ­альные программы, обеспечивающие вывод содержимого регистров из МП. Большее число выводов БИС упрощает разработку МПУ. Однако корпуса, имеющие большее число выводов, занима­ют большую площадь на плате. Ограниченное число внешних вы­водов приводит к необходимости использования одних и тех же выводов для нескольких целей, например для ввода и вывода данных.

При построении МПУ необходимо обеспечить электрическое сопряжение между микросхемами МПК БИС. Условиями правиль­ного сопряжения являются одинаковые представления логических О и 1 (U°, U1) и обеспечение допустимой нагрузки на каждый вы­ход. При построении МПУ на одном или электрически совмести­мых МПК БИС первое условие выполняется и задача электриче­ского сопряжения сводится к обеспечению допустимой нагрузки на каждый выход. Для МПК, выполненных по биполярной техно­логии, это условна может быть записано в виде неравенства [4]


I1макс1вых, I0макс0вых, (1.1)


где I1вых — значение тока, отдаваемого в нагрузку; I'макс — мак­симально допустимый ток нагрузки, при котором напряжение на выходе соответствует U1; I°ВЫХ — ток микросхемы; I°макс — макси­мально допустимый ток нагрузки, при котором напряжение на вы­ходе соответствует U0.

Нагрузочная способность по переменному току МПК БИС, вы­полненных по МДП функционально-технологическому принципу, существенно ниже нагрузочной способности по постоянному току и фактически определяется максимальной емкостью Сн.макс, которую можно подключить к выходу схемы:


CД< Cн.макc, (1.2)


где Сн — емкость нагрузки, складывается из входных Свх и выход­ных Свых емкостей входов (выходов) микросхем, подключенных к данному выходу, и емкости монтажа См.

Для сопряжения МПК БИС, имеющих различные уровни на­пряжений логических сигналов, используются специальные схемы, называемые усилителями-трансформаторами уровней напряжений. Например, микросхема К1800ВА4 позволяет сопрягать МПК ЭСЛ и ТТЛ. Наиболее распространенными являются цифровые микро­схемы вообще и МПК БИС в частности, выполняемые по принци­пам транзисторно-транзисторной логики. Поэтому некоторые мик­росхемы, выполняемые по другим принципам, могут объединять в кристалле буферные трансформаторы уровней, обеспечивающие по выходу и входу ТТЛ-уровни напряжений логических сигналов.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает различные МПК БИС. Технические характеристики и описания этих комплектов приводятся в [6, II4 — 16]. Из известных и освоен­ных в производстве МПК БИС для использования в РЭА наиболь­ший интерес представляют МПК БИС серий К588, К1800, КР1802, КМ1804. Состав и основные характеристики микросхем, входящих в эти МПК, приведены в табл. 1.2. Подробное описание МПК БИС содержится в [54].

Микропроцессорный комплект БИС КР1802 выполнен по ТТЛШ-функционально-технологичеокому принципу. Электрически программируемая логическая матрица КР556РТ1 позволяет (раз­работчику записать в «ее оригинальную систему команд, в (Наи­большей степени учитывающую специфику конкретного примене­ния. Наличие матричных умножителей КР1802ВРЗ — КР1802ВР5, а также сумматора на четыре входа обеспечивают значительное повышение производительности МПУ при выполнении арифмети­ческих операций. В § 2.1 приведены примеры построения некото­рых устройств обработки сигналов на МПК КР1802. Важнейшими особенностями МПК (с точки зрения обработки сигналов) явля­ются [16]:

многопортовая структура БИС. Микросхемы обработки (КР1802ВС1, КР1802ВР1, КР1802ВР2) имеют два порта ввода-вывода; БИС параллельных умножителей КР1802ВРЗ — КР1802ВР5 — три порта, БИС обмена информацией (ОИ) КР1802ВВ1 — четыре, а БИС сумматора — пять портов ввода-вывода. Через эти парты может одновременно осуществляться вы­борка операндов и выдача результатов обработки. Такая органи­зация БИС ориентирована на эффективное выполнение двухопе-рандовых операций, составляющих большинство (до 80%) всех операций обработки;

использование регистров общего назначения вне обрабатываю­щих БИС обеспечивает большее быстродействие МПУ, объединяю­щих несколько разнотипных БИС обработки информации, а так­же расширяет возможности разработчиков в применении регист­ров для реализации различных системных функций;

обеспечение конвейерной обработки информации. В БИС об­работки информации каждый порт ©вода-вывода имеет регистр, на котором фиксируются операнды или результат. Последователь­ное объединение этих БИС и управление их входами-выходами позволяет проектировать устройства с конвейерной организацией обработки. Это обеспечивает проектирование МПУ, быстродейст­вие которых определяется временем одного цикла БИС (около 150 нс). Подробное описание МПК БИС КР1802 приведено в [6].

Микропроцессорный комплект БИС КМ1804 выполнен также по ТТЛШ-функционально-техналогическому принципу. Архитекту­ра МПК предусматривает параллельное наращивание разряднос­ти, микропрограммное управление, конвейерную обработку. Эти архитектурные особенности обеспечивают высокую гибкость при­менения МПК КМ 1804 при построении различных МПУ. В отли­чие от МПК КР1802 в составе МПК КМ1804 нет БИС, аппаратно реализующих арифметические операции. Вместе с тем МПК КМ1804 отличается большим функциональным разнообразием БИС и, что особенно важно, включает большое число БИС, пред­назначенных для построения интерфейсных схем ввода-вывода. Комплекты КР1802 и КМ1804 электрически совместимы. Совместное их использование позволит проектироват