Организация устройств управления

Организация устройств управления.

Адрес

http://90.189.213.191:4422/temp/nkpsis/tema_wt_tc23/lek16/lek16.doc инд: 2-124-3-16 дан

1. Принцип управления

2. Организация устройств управления

3. Устройство управления микропроцессора

4. Особенности программного и микропрограммного управления

5. Первые домашние микрокомпьютеры

1. Принцип управления

Принцип микропрограммного управления был предложен М. Уилксом в 1951 г и с того времени практически не претерпел никаких изменений. Согласно ему любое электронное устройство (начиная от самого современного микропроцессора и заканчивая электронными часами) может быть представлено в виде пары: устройство управления – операционное устройство, где на долю управляющего устройства приходится полный контроль работы операционного устройства (сюда входит анализ текущего состояния устройства, контроль параметров, принятие решений и т.д.). На долю операционного устройства приходится вся "грязная работа": непосредственно осуществление полученных команд и преобразование контролируемых величин (в том числе и своего состояния) в удобный для управляющего устройства вид. Подводный камень кроется в описании поведения управляющего устройства, собственно именно это и представляет наибольшую сложность (и наибольшие затраты на разработку и реализацию), по сравнению с которой любое сколь угодно сложное контролируемое устройство бледнеет; и именно разработка простых и эффективных устройств управления пожалуй является основным направлением схемотехники.

2 Организация устройств управления

Схематически пару управляющее устройство – операционное устройство можно представить следующим образом.

Как видно из рисунка, УУ (т.е. управляющее устройство) получает сигналы о текущем состоянии – вектор Х, и выдает управляющие сигналы – вектор У, переход из одного состояния в другое происходит по тактовым импульсам – Clock (т. е. схема является синхронной, что в общем-то необязательно).

Операционный же автомат контролирует поведение чего-то, а может быть только себя с выдачей результатов работы, на основе полученных сигналов.

На текущий момент можно выделить три группы управляющих автоматов:

 автоматы с жесткой логикой, например Мили(Mealy) и Мура(Moor);

 автоматы с программируемой логикой (на сегодняшний день изжили себя как класс и могут рассматриваться лишь в историческом контексте): автоматы с принудительной адресацией, естественной адресацией и соответственно комбинированной;

 композиционные устройства управления – объединяют преимущества двух предыдущих типов устройств, однако они, на мой взгляд, так же уже не актуальны на сегодняшний день.

Пусть их применение не всегда целесообразно, однако можно с уверенностью сказать, что элемент управления, выполненный в виде конечного автомата, будет наиболее быстрым и наиболее экономичным (если, конечно не придется вводить для него новую микросхему) решением.

Варианты схем управления представлены далее на рисунках.

3 Устройство управления микропроцессора

Поговорим о других распространенных устройствах управления – микропроцессорах и микроконтроллерах, первые используются в стационарных решениях и там где требуется большая вычислительная мощность, вторые же используются в портативных маломощных (как по питанию так и по вычислительной мощности) решениях; причем последние обладают дополнительным специфическим набором функций (в зависимости от специализации). Типичную структурную схему устройства использующего вышеназванное решение можно увидеть на рисунке ниже

Где ЦП – собственно процессорный элемент; ША, ШД, ШУ – шины адреса, данных, управления соответственно; ОЗУ – текущая память (обычно используется для хранения результатов работы); ПЗУ – обычно содержит набор команд определяющих работу ЦП; В/В 1 … В/В N – устройства вода вывода. При чем для микроконтроллера, эта схема будет несколько отличаться: так например память находится на одном кристалле с ЦП (а так же все прочие непоказанные устройства – контроллер памяти, портов ввода/вывода, прерываний и т.д.) устройства подключенные к портам ввода/вывода не могут самостоятельно управлять шиной и т.п.

Собственно программирование поведения микропроцессора (в дальнейшем МП)/микроконтроллера (в дальнейшем МК) выполняется записью необходимой информации в ПЗУ со стартового адреса. Собственно в этом и заключается еще одно отличие МК и МП – поведение МК практически полностью определяется содержимым его ПЗУ (в большинстве своем они в состоянии выполнять команды только из адресного пространства ПЗУ); МП же могут изменять свое поведениезагружая различные программы в ОЗУ, что делает их более гибкими. Однако это нельзя поставить в недостаток МК, т.к. они по определению являются компактными устройствами и не могут иметь большой объем памяти. МК и МП выпускаются в большом количестве и разнообразии для всевозможных задач, что делает возможным подобрать устройство наиболее подходящее по параметрам и соответственно облегчить жизнь разработчику.

К положительным сторонам МК и МП можно отнести сравнительную простоту разработки решений на их базе – наличие большого числа стандартных схем сопровождения, простоту программирования, наличия специализированных программных продуктов для них, стандартность большинства решений (для проектирования большого числа проектов управляющая часть не понесет никаких изменений). К недостаткам можно отнести то, что даже при разработке минимальной схемы необходимо будет весь необходимый минимум микросхем – сателлит (различные контроллеры и т.д.).

Еще одна система управления появившаяся сравнительно недавно – управление с помощью ЭВМ.

Коды операции команд программы, воспринимаемые управляющей частью микропроцессора, расшифрованные и преобразованные в ней, дают информацию о том, какие операции надо выполнить, где в памяти расположены данные, куда надо направить результат и где расположена следующая за выполняемой команда.

Управляющее устройство имеет достаточно средств для того, чтобы после восприятия и интерпретации информации, получаемой в команде, обеспечить переключение (срабатывание) всех требуемых функциональных частей машины, а также для того, чтобы подвести к ним данные и воспринять полученные результаты. Именно срабатывание, т. е. изменение состояния двоичных логических элементов на противоположное, позволяет посредством коммутации вентилей выполнять элементарные логические и арифметические действия, а также передавать требуемые операнды в функциональные части микроЭВМ.

Устройство управления в строгой последовательности в рамках тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора (такт - минимальный рабочий интервал, в течение которого совершается одно элементарное действие; цикл - интервал времени, в течение которого выполняется одна машинная операция) осуществляет: выборку команды; интерпретацию ее с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса операнда (операндов);установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов; генерацию управляющих импульсов и передачу их на управляющие шины функциональных частей микроЭВМ и вентили между ними; анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.

4 Особенности программного и микропрограммного управления

В микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов: программный и микропрограммный.

Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.

При микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код - микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

Для ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:
1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;

2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени

5 Первые домашние микрокомпьютеры

Схема ПК «Специалист» построена по классической технолгии ПМУ

Схема РК-86

В настоящее время ПК данных типов морально и физически устарели. Можно увидеть как они работают на эмуляторах.

Контрольные вопросы:

Перечислить основные типы управляющих автоматов. Дать характеристики типам.
Нарисовать структурную базовую схему микропроцессора. Перечислить основные узлы и шины.
Перечислить основные принципы микропрограммного управлении (ПМУ). Дать понятие алгоритма.

На принципиальной схеме ПК показать основные узлы и шины ( ЩА ШД ШУ ВВ )

5 Самостоятельная работа. Скачать с каталога данных файл emu.rar Распаковать и выполнить эмуляцию персональных компьютеров: Специалист РК86 и на выбор.

Дать сравнительную оценку вычислительных задач, вычислительной мощности, конструкции и области применения.

Оценка 1…3 - ответ 3, вопрос 4 оценка 4, вопрос 5 оценка 5. При ответах разрешается использовать компьютер с отображением схем и программ.

Электронные источники:

Подготовил Шабронов А.А. тс +7-913-905-8839 shabronov@ngs.ru

Ред.2018-12-17