Многотактное микропрограммное устройство управления Советский патент 1987 года по МПК G06F9/22 

13323

зовано при пос троении микропрограмми- руемых контроллеров для АСУ технологическими процессами. Цель изобрете- тения - повышение быстродействия, Многстактное микропрограммное устройство управления содержит блок памяти 1, регистр 2 адреса, регистр 3 микрокоманд, счетчик 4, мультиплексор 5, группу схем сравнения 6.1-6.п, группы дешифраторов выходным микроприказов 7.1-7,п и дешифраторов вида микроопераций 8.1-8,п,

. , 1 . .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении микропрограмми руемьк контроллеров для АСУ техноло- гическими процессами.

Цель изобретения - повышение быстродействия ,

Сущность изобретения заключается в реализации дисциплины организации нанопрограммного управления. Множество микроопераций, формируемых устройством, делится на три типа: микрооперации типа а, которые начинаются со считыванием микрокоманды в регист микрокоманды и не заканчиваются с окончанием микрокоманды; микрооперации типа б, которые начинаются со считыванием микрокоманды в регистр микрокоманд и заканчиваются после определенного нанотакта внутри микрокоманды; микрооперации , т ипа в, которые начинаются после определенного нанотакта в данной микрокоманде и заканчиваются в определенный нано- такт следующей микрокоманды.

Каждому типу микроопераций поставлен в соответствие код. Вся совокупность микроопераций, кроме того, де- лится на группы так, чтобы в течение считывания одной микрокоманды из данной группы вьщавалась только одна микрооперация (группы несовместимых микроопераций), Дпя вьщачи одной микрооперации из каждой группы задается тип микрооперации и номер нанотакта начала или конца выдачи микрооперации (в зависимости от типа микрооперации) , .

8

коммутатор 9 адреса, группу 10,1- 1р,п коммутаторов управления, триггер 11 пуска, группу триггеров 12,1- 12,п ,генератор 13 импульсов, элемент ИЛИ 14, группу элементов И 15,1- 15,п, первый 16, второй 17 и третий 18 элементы И, Новыми элементами являются группа схем сравнения 6,1-6,п,группа дешифраторов типа микроопераций 8.1-8,п, группа коммутаторов управления 1 0.1-1 О.,п , Это позволяет достигнуть цели изобретения,3 ил.

5

Информация о типе микрооперации поступает в блоки тактирования микро операций, которые вьщают управляющие сигналы на управляющие входы дешиф5 раторов, что обеспечивает вьщачу микроопераций в соответствии с реализуемой программой,

На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - фрагмент реализуемой микропрограммы; на фиг.3 - временные диаграммы работы устройства при реализации данного фрагмента,

Функциональная схема многотактно- го микропрограммного устройства управления (фиг,1 ) содержит блок 1 памяти микрокоманд, регистр 2 адреса, регистр 3 микрокоманд, счетчик 4, мультиплексор 5, группу схем 6,1- 6,п сравнения, группы дешифраторов 7,1-7,п выходных микроприказов и дешифраторов 8,1-8,п типа микроопе- , раций, коммутатов 9 адреса, группу 10,1-10,п коммутаторов управления, RS-триггер 11, группу из IК-тригге- ров 12,1-12,п, генератор 13 тактовых импульсов, элемент ИЛИ 14, группу элементов И 15,1-15,п, первый 16, второй 17 и третий 18 элементы И,

Кроме того, на фиг.1 использованы следующие обозначения: входы кода операции 19 (адрес первой микрокоманды) , пуска 20 и логических усло- 5 ВИЙ 21 устройства, группа выходов 22,1-22,п устройства, поле 23 логических условий, поля 24 и 25 модифицируемого и немодифицируемого разря0

31

дов адреса соответственно, поля 26.1-26.п микроопераций, поля 27.1- 27.п номера нанотакта начала или конца микроопераций (в зависимости от типа микрооперации , поля 28.1 - 28.п типа микроопераций, признак 29 конца команды, поле 30 конца работы регистра 3, первый.31, второй 32, третий 33 выходы генератора 13 им- пульсов, выходы 34 микроопераций и 35 числа нанотактов блока 1 памяти. Элементы 8,10 и 15 могут быть условно объединены в блоки тактирования микроопераций 36.1-36.п.

Фрагмент микропрограммы {фиг.2 состоит из трех микрокоманд МК1 , МК2 и МКЗ. Цифрами 1,2,...,6 обозначены микрооперации, используемые в

ты на поле 30 конца работы регистра 3 микрокоманд.

Генератор ,13 импульсов формирует

предлагаемом фрагменте микропрограм- д ратора 13 импульсов и его остановом мы. Под временными диаграммами микро- „ри появлении сигнала Конец рабо- операций цифрами обозначены номера нанотактов внутри данной микрокоманды (состояние счетчика 4 числа нанотактов ). Для нормальной работы пред-25 тактовые импульсы, период следования. лагаемого устройства необходимо так разбивать циклограмму на микрокоманды, чтобы получались используемые три типа микроопераций.

На фиг.З эпюры напряжений показаны в точках, номера которых соответствуют обозначениям, принятьм на фиг.1.

Рассмотрим назначение элементов

30

которых равен длительности нанотакта Т (фиг.4) сдвиг между импульсами, формируемыми на соседних выходах равен с/З.

Первый элемент И 16 обеспечивает синхронизацию записи адреса в регистр 2. Импульсы с первого выхода 31 генератора 13 проходят на выход элемента И 16, если на вькоде элеПервый элемент И 16 обеспечивает синхронизацию записи адреса в регистр 2. Импульсы с первого выхода 31 генератора 13 проходят на выход элемента И 16, если на вькоде элеустройства, в котором условно могут мента ИЛИ 14 присутствует единичные

быть выделены: средства хранения и считывания микрокоманд; средства пуска и синхронизации;средства управления.

К средствам хранения и считыва- 1КЯ микрокоманд относятся блок 1 памяти, регистр 2 адреса, регистр 3 микрокоманд, мультиплексор 5, коммутатор 9.

Блок памяти 1 предназначен для хранения микропрограмм. Регистр 2 обеспечивает хранение адреса очередной микрокоманды. Регистр 3 служит для запоминания считанной микрокоманды .

Мультиплексор 5 предназначен для модификации адресного разряда и реализует логическую функцию

сигнал.

Второй элемент И 17 служит для управления счетом счетчика 4. Импуль сы, поступающие с третьего выхода

40 33 генератора 13, поступают через не го на счетный вход счетчика 4 только тогда, когда на выходе элемента ИЛИ 14 присутствует нулевой сигнал. Третий элемент И 18 служит для

45 управления записью в регистр 3 микро операций и счетчик 4. Импульсы с выхода 32 генератора 13 проходят на выход элемента И 18 при единичном сигнале на выходе элемента ИЛИ 14,

5Q К средствам управления относятся счетчик 4, схемы 6.1-б.п сравнения, группы дешифраторов 7.1-7.П выхода и дешифраторов 8.1-8.п типа микроопер ций, группа 10.1-10.П коммутаторов

If г а.

,а„ + .. .а„

+ «1

,4-...

...а„+ ж

где 3t е значения логических условий;

а. - значения j-го разряда кода логических условий, п Под г К Г , К - число логических условий;

г| - значения младшего (модифицируемого адресного разряда).

Коммутатор 9 предназначен.для управления передачей адреса в регистр 2 в зависимости от наличия микрооперации конца команды.

Средства пуска и синхронизации включают триггер 11 пуска, генератор 13 тактовых импульсов, первый, второй и третий элементы И 16 - 18. Триггер 11 управляет пуском генеты на поле 30 конца работы регистра 3 микрокоманд.

Генератор ,13 импульсов формирует

ратора 13 импульсов и его остановом „ри появлении сигнала Конец рабо- тактовые импульсы, период следования

ратора 13 импульсов и его остановом „ри появлении сигнала Конец рабо- тактовые импульсы, период следования.

которых равен длительности нанотакта Т (фиг.4) сдвиг между импульсами, формируемыми на соседних выходах равен с/З.

Первый элемент И 16 обеспечивает синхронизацию записи адреса в регистр 2. Импульсы с первого выхода 31 генератора 13 проходят на выход элемента И 16, если на вькоде элемента ИЛИ 14 присутствует единичные

+

сигнал.

Второй элемент И 17 служит для управления счетом счетчика 4. Импульсы, поступающие с третьего выхода

40 33 генератора 13, поступают через него на счетный вход счетчика 4 только тогда, когда на выходе элемента ИЛИ 14 присутствует нулевой сигнал. Третий элемент И 18 служит для

45 управления записью в регистр 3 микроопераций и счетчик 4. Импульсы с выхода 32 генератора 13 проходят на выход элемента И 18 при единичном сигнале на выходе элемента ИЛИ 14,

5Q К средствам управления относятся счетчик 4, схемы 6.1-б.п сравнения, группы дешифраторов 7.1-7.П выхода и дешифраторов 8.1-8.п типа микроопераций, группа 10.1-10.П коммутаторов

55 управления, триггеры 12.1-12.п,элемент ИЛИ 14, элементы И 15.1-15.п.

Счетчик 4 считает количество оставг шихся нанотактов в микротакте. Общее количество нанотактов в микротакте

513

записывается в счетчик с выхода 35 блока 1 памяти микрокоманд по заднему фронту импульса, поступившему на его синхровход. Состояние счетчика уменьшается на единицу по заднему фронту импульса, поступившему на его счетный вход.

Группа схем 6.1-б.п сравнения формирует сигналы на соответствующих выходах при совпадении кодов на выходе счетчика 4 числа нанотактов и после 27.1-27,п регистра 3 микрокоманд - на выходе Равно, если второе меньше первого - на выходе Мень- ше.

Дешифраторы 7.1-7.П формируют выходной сигнал на соответствующем выходе устройства в зависимости от кода микрооперации, поступающего на их ин- формационный вход с поля 26.1-26.П регистра 3 микрокоманд, на время присутствия сигнала на их. управляющих входах. .

Дешифраторы 8.1-8.п определяют тип микроопераций. Для этого на их входы подаются коды с выхода полей 28.1-28.П, причем типу микроопераций а соответствует нулевой код, б - единицы, в - двойки. В соответствии с этими кодами и появляются сигналы на выходе дешифраторов 8.1-8.п.

Коммутаторы 10.1-10.п предназначены для управления включением триггеров 12.1-12.п.

Триггеры 12.1-12.П управляют работой дешифраторов 7.1-7.П выхода. Состояние триггеров 12.1-12.П изменяется по заднему фронту импульсов, поступающих на их С-входы. Если i-и триггер находится в единичном состоянии, то его выходной сигнал разрешает работу дешифратора выхода.

Элемент ИЛИ 14 предназначен для определения нулевого состояния счетчика 4. Единичный сигнал на его выходе формируется, когда в счетчике 4 записан нулевой код.

Группа элементов И 15.1-15.П предназначена для управления обнулением триггеров 12.1-12.п.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии элементы памяти находятся в О, в поле 29 регистра 3 записана 1. После прихода кода адреса на вход 19 подается команда Пуск на вход 20, которая представляет собой единичный

5

0

5 0

5

0

5

0

5

8

импульс. Этот импульс пуска перево-. дит триггер I1 пуска в единичное состояние. Единичный сигнал с прямого выхода триггера 11 разрешает формирование тактовых импульсов генератору 13 импульсов.

По заднему фронту первого импульса, сформированного на выходе 31 генератора 13, в регистр 2 адреса записьюается код операции (началь- ньш адрес). По адресу, записанному в регистре 2, из блока 1 памяти считывается микрокоманда на выходе 34 и число нанотактов, отводимое данной микрокоманде на выходе 35. По заднему фронту второго импульса, сформированного на выходе 32 генератора 13, микрокоманда с выхода 34 блока 1 . памяти записьгоается в регистр 3 микроопераций, а число нанотактов с выхода 35 блока I памяти - в счетчик 4. На выходе элемента ИЛИ 14 появляется нулевой сигнал, который запрещает прохождение импульсов через элементы И 16 и 18 и разрешает прохождение импульсов с выхода 33 генератора 13 через элемент И 17 на счетный вход счетчика 4, и он начинает считать оставшееся число нанотактов в микрокоманде.

Каждый дешифратор 7.1-7.П соответствует одной микрооперации в данном микротакте, код которой записан в поле 26.1-26.П регистра 3 микрокоманд. Однако сигнал .на соответствующем выходе i-го дешифратора появляется только при наличии еди- ничлого сигнала на выходе триггера 12.i. Время его существования опре - деляется реализуемой микрооперацией (типом и временными параметрами ).

После окончания текущей микрокоманды счетчик 4 обнуляется и на вьпсо- де элемента ИЛИ 14 появляется единичный сигнал, который разрешает прохождение импульсов через элементы И 16 и 18. Дальше работа устройства повторяется.

Поясним принцип формирования микроопераций на примере фрагмента мик- ропрограммы, представленного на фиг.3.

Микрокоманда МК1 состоит из первой и пятой микроопераций. Причем, первая микрооперация типа 6 начинается с началом микрокоманды и заканчивается, когда до завершения микротакта остается два нанотакта. Если

7

она должна появиться на первом выходе дешифратора 8.1, то в полях регистра 3 микрокоманд должно быть записано: поле 26.1 - код, при котором возбудится первый выход дешифратора .8.1; .поле 27.1 - код номера нанотак- та, оставшегося до завершения микротакта, после которого завершится выдача микрооперации для нашего приме pa - два ; поле 28.1 - код данного типа микроопераций, т.е. код единицы .

Тогда на первом выходе дешифратора 8.1 появится единичный сигнал, на выходе Меньше схемы 6.1 сравнения будет единичный сигнал, то на выходе коммутатора 10.1 также будет единица. Следовательно, по заднему фронту первого импульса, поступившег через элемент И 17 с выхода 33 генератора 13, триггер 12.1 переходит в единичное состояние и разрешает работу дешифратора 7.1, а состояние счетчика 4 уменьшается на единицу (поэтому код общего числа нанотактов в первом микротакте нужно задавать больше необходимого на единицу).Когда до окончания микротакта остается три нанотакта, на выходе Меньше схемы 6.1 сравнения пропадает единица и появляется на выходе Равно, т.е. единица пропадает на выходе коммутатора 10.1 и появляется на выходе элемента И 15.1. Следовательно , по заднему фронту очередного импульса, поступившего на С-вход триггера 14.1, он обнуляется, тем самым прекращается выдача первой микрооперации. Таким образом, она вьщается в течение четырех нанотактов . Пятая микроопе1),ация является микрооперацией типа €, она начинается за три нанотакта до завершения микротакта и не заканчивается по окончании МК1 . Предположим., что она должна быть считана с первого выхода дешифратора 8.2. Для зтого в поле 26.2 необходимо записать код, который возбуждает первый выход дешифра- тора 8.2; в поле 27.2 - код номера нанотакта, после которого начинается вьщача микрооперации в данной микрокоманде. В данном случае это код трех. В поле 28.2 должен быть записан код 6-типа микроопераций. В данном случае должен быть код двух

При этом устройство работает еледующим образом.

Q

g о 5 О 0 5 Q

5

5

18 .8

После считывания МК1 в регистр 3 микрокоманд возбуждается второй выход дешифратора 8.2 типа микроопераций. Сигнал с этого выхода поступает на третий информационный вход коммутатора 10.2, на второй управляющий вход которого поступает запрещающий сигнал с выхода Равно схемы 6.2 сравнения - на выходе коммутатора 10.2 нулевой сигнал. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока до окончания микротакта не остается четыре нанотакта. На четвертом до окончания микротакта нанотакта на выходе Равно схемы 6.2 сравнения появляется единичный сигнал и на выходе коммутатора 10.2 появляется единица. По заднему фронту импульса, ограничивающего сзади этот нанотакт, триггер 12.2 переходит в единичное состояние и тем самым разрешает считывание пятой микрооперации с соответствующего выхода р;ешифратора 8.2.

После обнуления счетчика 4 триггер 12.2 не будет обнулен и считывание второй микрооперации с соответствующего вькода дешифратора 8.2 не будет закончено с завершением МК1.

Микрокоманда МК2 состоит из пятой и восьмой микроопераций. Причем вторая микрооперация типа 5 , а восьмая - типа а . Формирование второй микроопер ации на соответствующем выходе дешифратора 8.2 происходит аналогично описанному выше для первой микрооперации.

В формировании восьмой микрооперации есть особенности. Она должна появиться на соответствующем выходе дешифратора 7.1 с началом МК2 и выдача не должна прекратиться после окончания МК2. Для этого в поле 28.1 должен быть записан код нуля (код а-типа микрооперации); в поле 26.1 должен быть записан код двойки.

Благодаря этому после считьшания МК2 возбуждается нулевой выход дешифратора 8.1. Сигнал с его выхода поступает на первый информационный вход коммутатора 10.1, на его выходе появляется единица и по заднему фронту первого импульса в этом микроконтакте, поступившему с выхода элемента И 17, триггер 12.1 переходит в единичное состояние. Единичный сигнал с прямого выхода этого триггера разрешает считывание второй ми кро/13

операции с соответствующего выхода дешифратора 7.1.

После обнуления счетчика 4 триггер 14.1 остается в единичном состоянии и микрооперация продолжает считываться с выхода дешифратора 7.1. Очередная микрокоманда МКЗ состоит из второй и восьмой микроопераций типа S , поэтому работа устройства аналогична описанной ранее для б-типа микрооперации. Причем вторая микрооперация считывается с выхода дешифратора 7.2, а восьмая - дешифратора 7.1.

В дальнейшем работа устройства осуществляется аналогично.

Ф о рМулаиз обретения

Многотактное микропрограммное устройство управления, содержащее блок памяти микрокоманд, регистр адреса, регистр микрокоманд, счетчик, мультиплексор, с первого по п-й дешиф- раторы выходных микроприказов, где п - количество микроприказов, коммутатор адреса, RS-триггёр, генератор тактовых импульсов, с первого по третий элементы И, элемент ИЛИ-НЕ, с первого по п-й 1К-триггеры, причем вход запуска устройства соединен с S-входом RS-триггера, прямой выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов, первы выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом синхронизации регистра адреса, выход которого соединен с адресным входом блока памяти микрокоманд, выход поля микроопераций которого соединен с информационным входом регистра микрокоманд, выход поля логических условий которого соединен с управляющим вхо- дом мультиплексора, выход которого объединен с выходом поля следующего адреса регистра микрокоманд и подключен к первому информационному входу коммутатора адреса, выход ко- торого соединен с информационным входом регистра адреса, второй выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, вькод которого соединен с входами синхронизации счетчика и регистра микрокоманд, информационные выходы счетчика соединены с входами элемента ИЛИ-НЕ, выход которого сое

Q 5

0

5 о 5 0 5 0 5

1810

динен с вторыми входами первого и третьего элементов И и с инверсным входом второго элемента И, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика и с входами синхронизации с первого по п-й IК-триггеров, вход кода команды устройства соединен с вторым информационным входом коммутатора адреса, выход модифицируемого разряда адреса регистра микрокоманд соединен с пврвь1м информационным входом мультиплексора, вход логических условий устройства соединен с остальными информационными входами мультиплексора , выход i -го поля микроопераций (где i 1 , .., ,п) соединен с информационным входом i-го дешифратора выходных микроприкаэов, прямой выход i-го 1К-триггера соединен со стробирующим входом i-го дешифратора выходных микроприказов, выход которого является i-м выходом микро-: приказ9в устройства, выход признака конца команды регистра микрокоманд соединен с управляющим входом коммутатора адреса, выход признака конца работы регистра микрокоманд соединен с R-входом RS-триггера, выход поля числа нанотактов блока памяти микрокоманд соединен с инфЬрмационным входом счётчика, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия, оно с одержит с первой по п-ю схемы сравнения, с первого по п-й дешифраторы типа микроопераций, с первого по п-й коммутаторы управления, группу из п элементов И, причем выход i-го поля начала (конца ) микрооперации регистра микрокоманд соединен с первым входом i-и схемы сравнения, выход Равно которой соединен с первым входом f-ro элемента И группы и с первым управляющим входом i-го коммутатора управления, выход которого соединен с I-входом i-го 1К-триггера, информационный выход счетчика соединен с Вторыми входами с первой по п-ю схем сравнения, выход Меньше i-и схемы сравнения соединен с вторым управляющим входом коммутатора управления, выход i-го поля типа микроопераций регистра микрокоманд соединен с входом i-го дешифратора типа микроопераций, с первого по третий выходы i-го дешифратора типа микроопераций соединены соответственно с первого по третий информационными вхо 133231812

дами i-го коммутатора управления, дом i-го элемента И группы, выход второй выход i-ro дешифратора типа которого соединен с К-входом i-го микроопераций соединен с вторым вхо- 1К-триггера.

МН1

.210 7 6 5 if 3 2 1 О

Номер у Номера ианотантоб

микрооперации

iPut.} Составитель А.Ссшкин

Редактор Е.Папп Техред И.Попович Корректор

Заказ 3833/44 Тираж 672Подписное

ВНИЖ1И Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 2

НК1

мхг

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь