Микропроцессор

(54) МИКРОПРОЦЕС Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении процессоров ЭВМ различных классов и, в частности микропрограммируемых эмулирующих однокристальных микропроцессоров,Известно микропрограммное устройство управления, содержащее блок управления, память микрокоманд, регистр адреса микрокоманд, регистр микрокоманд 1.Недостатком известного устройства является большой объем памяти и низкое быстродействие.15Наиболее близким по технической сущности является устройство для управления, содержащее регистр команд, арифметико-логический блок, блок регистров, два дешифратора, элементы И,2 о ИЛИ, память микрокоманд, регистр микрокоманд, модификатор адреса, соеди- ненные между собой соответствующим образом 2. 2Однако устройство характеризуется недостаточным быстродействием при работе с различными системами команд.Целью изобретения является повышение быстродействия микропроцессора.Поставленная цель достигается тем, что в микропроцессор, содержащий арифметико-логический блок, соединенный двусторонней связью с блоком регистров, другой вход которого через последовательно соединенные первые дешифратор и элемент ИЛИ соединен с выходом регистра команд, первый вход которого является первым входом мик-, ропроцессора, а второй вход соединен с первым выходом блока регистров, второй выход которого и первый выход арифметика-логического блока являются первым и вторым выходами микропроцессора, второй вход микропроцессора, выход регистра команд и второй выход арифметико-логического блока соединены со входами соответствующих элементов И группы, регистр адре5 ЗО 15 20 25 ЗО 35 й 45 5 94 са микрокоманд через память микрокоманд соединен с входом регистра микрокоманд, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом регистра адреса микро- команд и входом второго дешифратора, дополнительно введены регистр номера системы команд, регистр адреса внешних микрокоманд, регистр внешних микрокоманд, коммутационная матрица, элементы ИЛИ, элементы И, коммутатор, третий и четвертый дешифраторы,причем первый и второй выходы коммутатора соединены со входом первого элемента ИЛИ, второй. выход коммутатора через второй элемент ИЛИ соединен с первым входом коммутационной матрицы, остальные выходы коммутатора через элементы И группы соединены со входами третьего элемента ИЛИ, выход которого через коммутационную матрицу соединен со вторым входом регистра адреса микрокоманд и входом первого элемента И, третий, четвертый и пятый выходы регистра микро- команд соединены со входами второго, третьего и четвертого элементов И, шестой выход регистра микрокоманд соединен со входом пятого элемента И и первым входом регистра адреса внешних микрокоманд, седьмой выход регистра микрокоманд соединен со входом шестого элемента И и через первый элемент И со вторым входом регистра адреса внешних микрокоманд, первый, второй и третий выходы регистра внешних микрокоманд через третий, пятый и шестой элементы И соединены соответственно с третьим входом регистра адреса внешних микро- команд и третьим, четвертым входами регистра адреса микрокоманд, четвертый выход регистра внешних микрокоманд через четвертый элемент И соединен со входом третьего дешифратора и первым входом четвертого дешифратора, второй вход которого соединен со вторым выходом регистра микрокоманд, выходы второго, третьего и четвертого дешифраторов соединены со входами коммутатора, пятый выход регистра внешних микрокоманд через второй элемент И соединен с четвертым входом регистра адреса внешних микрокоманд и первым входом регистра номера системы команд, второй вход и выход которого являются третьими входом и выходом микропроцессора соответственно, пятый вход и выход 3/35 1 регистра адреса внешних микрокомандявляются четвертыми входом и выходоммикропроцессора соответственно, входы регистра внешних микрокоманд ивторого элемента ИЛИ являются пятыми шестым входами микропроцессора,Структурная схема микропроцессораприведена на чертеже,Микропроцессор содержит регистр 1команд, арифметико-логический блок 2,блок 3 регистров, группу элементовИ 4, регистр 5 адреса микрокоманд,память 6 микрокоманд, регистр 7 микрокоманд, дешифраторы 8- 11, регистр12 номера систем команд, регистр 13адреса внешних микрокоманд, регистр14 внешних микрокоманд, коммутационная матрица 15, коммутатор 16, элементы ИЛИ 17- 19, элементы И 20-25.Микропроцессор работает следующимобразом.По внешнему сигналу в регистрах13 и 12 устанавливаются начальные адреса, а в регистре 14 - начальное состояние. В соответствии скодом регистра 5 из памяти 6 записывается в регистр 7 код микрокоманды,который затем расшифровывается дешифратором 9 или 11. По начальному коду регистра 5 в регистр 7 принимается первая микро- команда подпрограммы интерпретации в соответствии с которой читается из внешней памяти и записывается в регистр 1 код команды.По микроприказам условий, поступающим через коммутатор 16, регистр 1 через элементы И 4 и элемент ИЛИ 19 подключается к коммутационной матрице 15, на которую также подается код маски через элемент ИЛИ 18. По коду адреса маски через элемент ИЛИ 17 и дешифратор 8 выбирается один из регистров блока 3, в котором записан код маски, определяющий группу анализируемых разрядов команды. Анализ команды или кодов условий осуществляется путем Формирования адреса следующей микрокоманды. Сформированный адрес записывается в регистр 5 и является адресомпервой внутренней микрокоманды исполнительной части одной из основных команд, адресом внутренней микрокоманды,читающей и интерпретирующей внешнююмикрокоманду, микрокоманды, обеспечивающей переход к одной из эмулируемых систем команд или адресом мик5 9437рокоманды, продолжающей интерпретацию команды.При выполнении внутренней микропрограммы исполнительной части однойиз основных команд работа устройствапроисходит аналогично описанной приинтерпретации команды.Выполнение подпрограммы смены номера системы команд осуществляетсяпри вызове одной из эмулируемых сис отем команд с помощью дополнительнойкоманды, содержащей абсолютный, относительный или косвенный адрес микропрограммы этой системы команд.При этом реализуется пересылка ад- : 15реса из регистра 1 в регистр 12 ирегистр 13 или по косвенному адресу,указанному в этой команде, читаютиз регистра блока 3 или из внешнейпамяти абсолютный адрес микропрограм Омы одной из эмулируемых систем команд и записывают его в регистр 12и 13,Переход от основной системы ко-,манд к одной из эмулируемых системкоманд может быть осуществлен такжес использованием, например, командызаписи по адресу, входящей в основную систему команд, если она реализована внешней микропрограммой. В зоэтом случае последнюю микрокомандуисполнительной части микропрограммыкоманды записи по адресу, реализующую при выполнении только основнойсистемы команд возврат к выполнению, 35подпрограммы интерпретации, распола-гают в поле внешней памяти, доступном программисту. Для перехода к одной из эмулируемых систем командв адресной части команды записи поадресу указывается адрес ячейки памяти, содержащей последнюю микрокоманду этой же команды, по которому из арифметико-логического блока 2или одного из регистров блока 3 записывается ранее сформированная внем микрокоманда "безусловного перехода первого типа", Эта микрокомандаи осуществляет переход к микропрограмме одной из эмулируемых систем50команд, устанавливая в регистрах 12и 13 соответствующий код адреса.Этот код.в регистре 12 сохраняется, в течение выполнения микропрограммыданной эмулируемой системы команд.Аналогичные адресные команды (например, записи по адресу) используютсядля программного перехода от однойиз эмулируемых систем команд к дру 35 6гой. или для возврата к основной системе команд процессора, В последнем случае вместо последней микрокоманды команды записи по адресу, входящей в состав эмурируемой системы команд и осуществляющей во внешней микропрограмме возврат к блоку интерпретации этой системы команд, формируется микрокоманда "безусловный переход второго типа".Переход к подпрограмме интерпретации внешних микрокоманд осуществляется при выполнении команд основной системы команд, не имеющих соответствующих исполнительных микропрограмм в памяти 6 и выполняемых внешними микропрограммами, или при вызове (с помощью команды записи по адресу) одной из эмулируемых систем команд.При переходе к подпрограмме интерпретации внешней микрокоманды в регистре 5 устанавливается "нулевой" код адреса, в соответствии с которым в регистр 7 записывается код микро- команды, содержащей базовый адрес внутренних микрокоманд, код основных микроприказов, расшифровываемых дешифраторами.9 или 11 и дополнительный микроприказ. В соответствии с основными микроприказами выполняется цтение внешней микрокоманды из внеш- ней памяти по адресу, указанному в регистрах 12 и 13 и запись ее в регистр 14. Дополнительнь 1 й микроприказ увеличивает содержимое регистра 13, например, на "единицу" младшего разряда и открывает элемент И 24. Адрес следующей внутренней микрокоманды формируется из кода адреса, содержащегося в текущей внутренней микрокоманде, и кода внешней микрокоманды, поступающих с регистра 7 и регистра 14 и записывается в регистр 5. В соответствии с кодом регистра 5 из памяти 6 выбирается и принимается в регистр 7 микрокоманда, содержащая нулевой адрес следующей микрокоманды и микроприказ, открывающий элементы И 23. При этом код микроприказов с регистра 14 проходит через элементы И 23, дешифраторы 1 О и 11 и, пройдя через коммутатор 16, поступает на элемент ИЛИ 17 и другие узлы микропроцессора, вызывая выполнение внешней микрокоманды "выполнить". Иикроприказы условий микрокоманда "выполнить" не формирует, 7 9Переход к выполнению внешней микропрограммы "условный переход" осуществляется в случае, если в регистр 14 принята микрокоманда "условный переход". Соответственно внешней микрокоманде "условный переход" с помощью внутренней микрокоманды осуществляется последовательно выбор группы, затем в каждой группе отЯдельных сигчалов условий и/или анализируемых разрядов команды, по которым затем осуществляется ветвление по внешней микропрограмме формированием соответствующего адреса в регистре 13, и, кроме того, возврат к выполнению подпрограммы интерпретации внешних микрокоманд.В соответствии с кодом регистра 5 из памяти б выбирается и принимается в регистр 7 микрокоманда, содержащая "нулевой" адрес следующей микрокоманды и дополнительные микроприказы. Один микроприказ открывает элемент И 23, разрешая дешифрацию, передачу на коммутатор 1 б поля внешней микро- команды "условный переход" и формирование соответствующих микроприказов, в том числе микроприказов условий, открывающих соответствующие элементы И 4, и код адреса маски на элементе ИЛИ 7 или код маски на элементе ИЛИ 18. Таким образом, осуществляется выбор группы сигналов условий, поступающих с элементов И 4 в коммутационную матрицу 15 и выбор в последней соответственно коду маски на ее входах анализируемых разрядов условий. Коммутационная матрица 1.5 выбирает из группы сигналов на ее входах только те, которые необходимы для анализа при ветвлении во внешней (или внутренней) микропрограмме, и запрещая остальные. Сигналы условий, прошедшие на выход коммутационной матрицы 15 и код маски с регистра 14 через элемент И 25 складывается, а результат через элемент И 20 записывается в регистр 13, благодаря чему осуществляется ветвление во внешней микропрограмме, Одновременно код через элементы И 22 с регистра 14 записывается в регистр 13, определяя во внешней памяти зону ветвлений. В регистр 5 с регистра 7 записывается "нулевой" код, осуществляя тем самым возврат к выполнению интерпретации внешних микрокоманд. Если на регистр 14 принята внешняя микрокоманда "безусловный переход43735 8 5 О 35 20 25 5035 4050 55 первого типа", то согласно этой микрокоманде с помощью внутренней микрокоманды осуществляется безусловный переход во внешней микропрограмме формированием в регистре 13 адреса микрокоманды, к которой осуществляется безусловный переход и затем возврат к выполнению интерпретации внешних микрокоманд.В соответствии с кодом регистра 5 из памяти 6 выбирается и принимается в регистр 7 микрокоманда, содержащая "нулевой" код адреса следующей микрокоманды и дополнительные микроприказы, открывающие элементы И 21, 22, пройдя через которые код регистра 14 записывается в регистр 13, т.е. в регистре 13 формируется адрес, указанный в поле внешней микрокоманды "безусловный переход первого типа". "Нулевой" код адреса следующей микрокоманды регистра 7 записывается в регистр 5, осуществляя тем самым возврат к выполнению интерпретации внешних микрокоманд,Если. на регистр 14 принята внешняя микрокоманда "безусловный переход второго типа", то согласно этой микрокоманде с помощью внутренней микрокоманды осуществляется безусловный переход во внешней микропрограмме и переход к выполнению интерпретации команд. Эта микрокомандаиспользуется после выполнения внешней микропрограммы и оЗначает возврат к выполнению внутренней микропрограммы.В соответствии с кодом регистра 5 из памяти 6 выбирается и записывается в регистр 7 микрокоманда, содержащая код адреса первой микрокоманды подпрограммы интерпретации команд и дополнительные микроприказы, под действием которых содержимое поля микро- команды "безусловный переход второго типа" .с регистра 14 проходит черезэлементы И 21, 22 и записывается врегистр 13, Код адреса регистра 7 записывается в регистр 5, и внутреннееустройство управления переходит к выполнению интерпретации команд.Быстродействие процессора улучшено за счет структурно-микропрограммной реализации универсальных средств анализа признаков условий и систем команд вне зависимости от их кодирования и форматов. Предложенное устройство содержит средства, принципиально позволяющие проанализировать,в частности, формат любой команды из любой. системы команд с помощью одной микрокоманды "условного перехода", и средства, обеспечивающие программный переход от микропрограмм Б основной системы команд к микропрограмме любой из эмулируемых систем команд или от одной из эмулируемых систем команд к другой. Для анализа кодов условий в микропроцессоре пре О дусмотрены взаимно-дополняющие по функциональным возможностям средства выбора группы условий, маскирования и формирования адресов зоны внешней памяти при ветвлениях.формула изобретенияМикропроцессор, содержащий арифме тико-логический блок, соединенный двусторонней связью с блоком регистров, другой вход которого через последовательно соединенные первые дешифратор и элемент ИЛИ соединен с Б выходом регистра команд, первый вход которого является первым входом микропроцессора, а второй вход соединен с первым выходом блока регистров, второй выход которого и первый вы- ЗО ход арифметико-логического блока являются первым и вторым выходами микропроцессора, второй вход микропроцессора, выход регистра команд и второй выход арифметико-логического блока соединены со входами соответ" ствующих элементов И группы, регистр адреса микрокоманд через память микрокоманд соединен с входом регистра . микрокоманд, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом регистра адреса микрокоманд и входом второго дешифратора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены регистр номера системы команд, регистр адреса внешних микрокоманд,.регистр внешних микрокоманд, коммутационная матрица, элементы ИЛИ, элементы И, коммутатор, третий и четвертый дешифраторы, причем первый и второй выходы коммутатора соединены со входом первого элемента ИЛИ, второй выход коммутатора через второй элемент ИЛИ соединен с 35 10первым входом коммутациониой матрицы,остальные выходы коммутатора черезэлементы И группы соединены со входами третьего элемента ИЛИ, выход которого через коммутационную матрицусоединен со вторым входом регистраадреса микрокоманд и входом первогоэлемента И, третий, четвертый и пятый выходы регистра микрокоманд соединены со входами второго, третьегои четвертого элементов И, шестой выход регистра микрокоманд соединен совходом пятого элемента И и первымвходом регистра адреса внешних микрокоманд, седьмой выход регистра микрокоманд соединен со входом шестогоэлемента И и через первый элемент Исо вторым входом регистра адресавнешних микрокоманд, первый, второйи третий выходы регистра внешнихмикрокоманд через третий, пятый ишестой элементы И соединены соответственно с третьим входом регистраадреса внешних микрокоманд и третьим, четвертым входами регистра адреса микрокоманд четвертый выходрегистра внешних микрокоманд черезчетвертый элемент И соединен со входом третьего дешифратора и первымвходом четвертого дешифратора, второй вход которого соединен со вторымвыходом регистра микрокоманд, выходы второго, третьего и четвертогодешифраторов соединены со входамикоммутатора, пятый выход регистравнешних микрокоманд через второй элемент И соединен с четвертым входомрегистра адреса внешних микрокоманди первым входом регистра номера системы команд, второй вход и выход которого являются третьим входом и выходом микропроцессора соответственно,пятый вход и выход регистра адресавнешних микрокоманд являются четвертыми входом и выходом микропроцессора соответственно, входы регистравнешних микрокоманд и второго элемента ИЛИ являются пятым и шестымвходами микропроцессора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРИ 331387, кл. 0 Об Р 9/16, 1970.2. Булей Г. Иикропрограммирование,гл. 1,3, И., "Иир", 1973 (прототип),943735 Тираж 731 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раущская наб д. акаэ 5113 илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,Составитель А. КургаевРедактор А. Долинич Техред 3. Палий Корректор Г, Огар