Разработка устройства с использованием микропрограммного устройства управления (МПУУ)

Операция УП. Устанавливаются значения РгМаски (РгМ) в соответствии со значениями признакового триггера и в зависимости от результата операции (блоки 48-56) в соответствии с таблицей 1.5.

Таблица 1.5– Значение РгМаски в зависимости от результата операции

Результат операции	Пр Тр	РгМаски
БП	00	1000
>0	01	0100
<0	10	0010
=0	11	0001

 

Анализ соответствия значений регистра маски и значения разрядов с 6 по 9 РгК (блок 57). При этом, если маска не будет совпадать со значением регистра маски, то СчК увеличится на 2 (блок 58) и далее выполняется переход на следующую команду.

При совпадении значении регистра маски, осуществляется переход в соответствии с проанализированной (блоки 59-61) видом адресации (блоки 62-75).

 

Операция БП.

Для БП значение маски М = 1111, а значение ПрТр = 11. Если эти условия выполняются, то далее анализируется значение РгМ со значением, хранящемся в РгК в разрядах с 6 по 9.

 

3     Разработка МПУУ

3.1  Разработка структуры МПУУ

 

Для разработки структуры УУ необходимо определить набор основных блоков. В состав УУ входят:

• регистр команд (РгК) – хранит текущую команду;
• регистр адреса микрокоманды (РгАМк) – хранит адрес следующей микрокоманды;
• управляющая память (УП) – хранит последовательность микрокоманд (микропрограмму);
• регистр микрокоманд (РгМк) – хранит текущую микрокоманду;
• схема формирования адреса следующей микрокоманды (СхФАМк) – предназначена для формирования адреса следующей микрокоманды, используется, если есть условные переходы.

Работа МПУУ определяется последовательностью синхросигналов (СС), поступающих на вход УУ. “1” – единичное значение СС определяет такт, нулевое значение определяет паузу между тактами. Входные и выходные переменные остаются неизменными в течение такта и изменяются в паузе.

Рассмотрим такт t. СС=1. В РгАМк хранятся входные переменные S(t), Z(t) и переменные U(t). РгМк содержит управляющие сигналы U(t). В этом же такте эти сигналы поступают в ОУ. Во время паузы, т.е. СС=0, по адресу формируемого в РгАМк с УП считывается микрокоманда и передается в РгМк. В выбранной микрокоманде берутся следующие значения переменных S(t+1) и U(t+1). Одновременно U(t+1) передается в РгАМк. Сюда же поступают и сигналы S(t+1) с ОУ.

Структура УУ представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 -  Структурная схема МПУУ

 

2. Формат микрокоманды

 

Формат микрокоманды состоит из двух частей: операционной части и адресной части. В операционной части указывается последовательность управляющих сигналов, которые необходимо подать на входы ОУ (микрооперации). В адресной части указывается адрес следующей микрокоманды.

Для удобства дальнейшей разработки МПУУ, все микрооперации кодируются следующим образом:

Таблица 1.6  Таблица управляющих сигналов

 

№ МОП	Микрооперация	№ МОП	Микрооперация
V1	РгАОП:=0	V26	РгМ:=0100
V2	РгИОП:=0	V27	РгМ:=1000
V3	РгАРОН:=0	V28	РгМ:=1111
V4	РгИРОН:=0	V29	операция умножения по алгоритму Мак-Сорли с младших разрядов
V5	СчК:=0	V30	РгА:=0
№ МОП	Микрооперация	№ МОП	Микрооперация
V6	СчА:=0	V31	РгВ:=0
V7	РгРезул:=0	V32	РгСМ:=0
V8	РгАОП:=СчК	V33	ТрЗн1:=Рг1[0]
V9	СчК:=СчК+2	V34	ТрЗн2:=Рг2[0]
V10	РгИОП:= Чт[РгАОП]	V35	РгА[0]:=0
V11	РгК:= РгИОП	V36	РгВ[0]:=0
V12	РгАРОН := РгК[6..9]	V37	РгА:=Рг1
V13	РгИРОН := Чт[РгАРОН]	V38	РгА:=Рг1
V14	Рг1:= РгИРОН	V39	РгА[0]:=1
V15	РгАОП:= РгИРОН	V40	РгВ:=Рг2
V16	Рг1:= РгИОП	V41	РгВ:=Рг2
V17	СчА:=РгИРОН	V42	РгВ[0]:=1
V18	СчА:= СчА+2	V43	СМ:= РгА + РгВ + 1
V19	РгИРОН:= СчА	V44	ПрРез:=СМ[0..1]
V20	Зп[РгАРОН]:= РгИРОН	V45	РгСМ:= СМ
V21	РгАРОН := РгК[12..15]	V46	РгСМ[0]:=1
V22	Рг2:=РгИРОН	V47	РгСМ[0]:=0
V23	Рг2:=РгИОП	V48	РгРезул:= РгСМ
V24	РгМ:=0001	V49	РгАОП:= РгК[6..9];
V25	РгМ:=0010	V50	РгИОП:= РгРезул
		V51	Зп[РгАОП]:= РгИОП

 

 

 

 

Закодированные микрооперации являются управляющими сигналами, которые в свою очередь зависят от оповещающих сигналов (условий):

 

Таблица 1.7 - Входные сигналы

№	Микрооперации
U1	РгК[0..1] = 0
U2	РгК[4] = 0
U3	РгК[5] = 0
U4	РгК[10] =0
U5	РгК[11] = 0
U6	РгК[2]= 0
U7	ПрТр[0] = 0
U8	ПрТр[1] = 0
U9	РгК[3]= 0
U10	РгМ =РгК[6..9]
U11	ТрЗн1=0
U12	ТрЗн2=0
U12	ТрЗн2=0
U13 –	ПрРез[0]=0
U14	ПрРез[1]=0

 

Для построения схемы УУ упрощенная микропрограмма его работы в соответствии с приложением В, представляется в виде граф-схемы алгоритма. Каждой микрокоманде в алгоритме соответствует состояние автомата.

Q0 – Q75 – микрокоманды (состояния автомата);

V1 – V51 – управляющие сигналы УУ;

U1 – U14 – переменные, обозначающие условия, которые характеризуют состояния ОУ. Выполнение или не выполнение условий переходов из одного состояния в другое обозначается соответственно 1 или 0. Начало и конец микропрограммы обозначены одинаково – Q0. При этом автомат является циклическим, т.е. вырабатывает многократно повторяющуюся последовательность управляющих сигналов.

  Граф-схема алгоритма представлена в приложении Г.

Формирование операционной части микрокоманды производится горизонтальным способом. В операционной части указывается последовательность микроопераций. При таком способе формирования операционной части микрокоманды каждому разряду ставится в соответствие управляющий функциональный сигнал, т.е. определенная микрооперация. Таким образом, длина операционной части равна 51 микрооперации. Такой тип МПУУ в одном такте позволяет одновременно выполнять любой набор микроопераций, а наборы управляющих сигналов поступают в ОУ непосредственно из регистра микрокоманд без каких-либо промежуточных схем дешифрации, что приводит к экономии оборудования.

Формирование адресной части микрокоманды производится естественным способом. Если условие перехода выполняется, то счетчику адреса прибавляется 1 и переход осуществляется на следующую микрокоманду. Формат микрокоманды представлен на рисунке 2.1.

П

V1

V2

…

V14

V15

V16

…

V22

V23

…

V51

U1

U2

…

U14

A

 

   

Рисунок 1.6 - Формат микрокоманды МПУУ

На рисунке приняты следующие обозначения:

П – поле признака;

X –  поле условий;

А – адрес перехода при невыполнении условия.

Разрядность поля А определяется длиной микропрограммы (т.е. количеством ячеек ОП, которые она занимает).

Количество микрокоманд равно семидесяти пяти, следовательно, для их адресации в ПЗУ необходимо, в соответствии с формулой (1.4), не менее семи разрядов, т.е. необходимо учесть еще адреса и условия переходов при естественном способе задания адресной части.   

log275 ≤ 7        (1.4)

Разрядность поля Х, в соответствии с естественным способом формирования адресной части, составляет четырнадцать разрядов, каждый из которых соответствует условию U. Длина микрокоманды равна длине операционной части и полю признака, и равна пятидесяти одному.

Поле признака П указывает на то, используется операционная часть микрокоманды или адресная (0 – операционная, 1 – адресная).

В таблице загрузки ПЗУ указывается порядок следования микроопераций, в соответствии с графом на рисунке В.1. Объем таблицы ПЗУ равен количеству строк таблицы умноженных на количество столбцов, следовательно,

                         Vпзу = 138*(51+1) = 7176 байт.        (1.5)

Таблица загрузки ПЗУ представлена в приложении Д.

 

4 Разработка  функциональной схемы МПУУ

Функциональная схема МПУУ, представленная в приложении Е, составлена по структуре МПУУ. Функциональная схема включает следующие элементы:

1. блок логических элементов, включающий элементы И, ИЛИ, НЕ;
2. шестнадцатиразрядный регистр РгК. Регистр содержит шестнадцать информационных входов, на которые подаются адреса команд сложения, сравнения и безусловного перехода, вход C, на который подаётся сигнал разрешения записи информации в регистр;
3. ОЗУ предназначенное для временного хранения адресов команд. На вход ОЗУ подаются сигналы, содержащие адреса команд сложения, сравнения и безусловного перехода. На выходе ОЗУ формируется адрес начала команды;
4. Мультиплексор MX, который принимает адреса текущих микрокоманд. На выходе мультиплексора образуется адрес следующей микрокоманды. В зависимости от значения сигнала на входе С выбирается либо адрес текущей микрокоманды (разряды 0-3), либо адрес следующей микрокоманды (разряды 4-11). Адрес следующей МК формируется на СМ или на СТ в зависимости от сигнала на нулевой линии УП (поле признака);      
5. управляющая память объёмом 7176 байт, состоящая из 138 строки разрядностью 52 бита. Выбор микрокоманды из памяти осуществляется по адресу микрокоманды, который поступает на адресные входы управляющей памяти с выхода мультиплексора MX;
6. регистр РгМК, на который поступает текущая микрокоманда. После прихода тактового импульса на вход С в регистре РгМК хранятся микрооперации, условия, и адреса перехода к соответствующим микрокомандам. Адрес следующей микрокоманды определяется блоком логических элементов в соответствии с выполнением или невыполнением условий.
7. регистр РгАМК, на информационные входы которого поступают сигналы с выхода РгМК – адрес следующей микрокоманды, на которую нужно перейти. С приходом сигнала на вход С в регистре РгАМК хранится адрес следующей микрокоманды.
8. счетчик CчА необходимый для организации естественного способа формирования адресной части микропрограммы. С помощью СчА изменяется адрес микрокоманды на единичку, т.е. осуществляется переход от одной микрокоманды к следующей.
9. два генератора G1 и G2. Частота генератора G2 меньше частоты генератора G1 в семьдесят шесть раз. Генератор G2 управляет работой регистра РгК, то есть обеспечивает своевременную выборку соответствующей команды. Также, генератор G2 обеспечивает сброс всех элементов схемы по завершению выполнения сорока-восьми микрокоманд. Генератор G1 управляет работой всех остальных элементов схемы, обеспечивая последовательное выполнение микрокоманд.

 

5   Разработка функциональной схемы УП

Функциональная схема УП разрабатывается как модуль программируемого ПЗУ (PROM). ПЗУ может работать в двух режимах: рабочий режим и режим программирования. Режим программирования используется для записи в ПЗУ исходной информации, то есть микропрограммы. Рабочий режим – это режим чтения информации из ПЗУ.

В рабочем режиме на вход модуля PROM подаётся адрес, а с выхода снимаются данные, считанные по этому адресу. Адресом является восьмиразрядный адрес микрокоманды, данные представляют собой саму микрокоманду, разрядность которой равна пятидесяти двум.

Таким образом, модуль программируемого ПЗУ представляет собой функционально законченное устройство, которое обеспечивает заданный информационный объем Vпзу = 7176  байт.

При построении ПЗУ используется микросхема (МС) КР536РТ5, условно-графическое (УГО) обозначение которой проведено на рисунке 1.7.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.7 – УГО микросхемы КР536РТ5

Выбор данной МС обусловлен тем, что данная МС относится к программируемым ПЗУ, и обеспечивает заданный объем памяти. Количество используемых микросхем определяется в соответствии с формулой 1.6.

,      (1.6)

где Nm – количество слов модуля памяти;

N – количество слов ПЗУ;

nm – количество разрядов модуля памяти;

nm – количество разрядов ПЗУ.

                                                 (1.7)

Т.е. для построения УП с организацией 138*52 потребуется шесть микросхем КР536РТ5. МС КР536РТ5 имеет ряд параметров, которые представлены в 1.8.

 

Таблица 1.8 – Параметры МС КР536РТ5

Параметр	Значение
Информационная емкость	4096 бит
Организация	512слов х 8 разрядов
Напряжение питания	5В±5%
Потребляемая мощность	Не более 1000 мВт
Время выбора	Не более 80нс
Диапазон температур	-10..+70  0С
Выход	Открытый коллектор
Совместимость по входу	С ТТЛШ
Совместимость по выходу	С ТТЛШ

 

Назначение выводов МС КР536РТ5 представлено в таблице 1.9.

Таблица 1.9 – Выводы МС КР536РТ5

Выводы	Назначение	Обозначение
1..8, 23	Адресные входы	А7 ..А0, А8
9..11, 13..17	Вход-выход данных	DIO0 .. DIO7
19, 20, 21	Выбор микросхемы	CS1, CS2, CS3
22	Напряжение питания	Ucc
24	Напряжение питания при программировании	UPR
12	Общий	0 В