Архитектура ряда микро-ЭВМ "Электроника НЦ"

При выборе архитектурных принципов построения ряда программно-совместимых микро-ЭВМ определяющим фактором является возможность их использования в различных областях применения и прежде всего в системах реального времени:

-автоматизированных системах управления технологическим оборудованием, процессами, станками;
- коммутационных системах, включающих концентраторы данных и коммутаторы сообщений;

- контрольно-измерительных устройствах и системах;
- бортовых управляющих системах;
- системах управления экспериментом;

- АСУ производством (или предприятием);
- информационных системах и др.

Кроме этого, микро-ЭВМ могут использоваться в составе вычислительных комплексов, предназначенных для широкого класса пользователей.

В указанных областях применения микро-ЭВМ может выступать как самостоятельная ( часто встроенная) управляющая машина, так и в качестве элемента вычислительной системы равноправных или соподчиненных микро-ЭВМ. В свою очередь каждая область применения предъявляет свои требования к машине, многообразие которых обусловливает необходимость их упорядочения при разработке идеологических основ архитектуры ряда микро-ЭВМ с целью обеспечения заданных характеристик.

Наиболее важными характеристиками являются: уровень машинного языка; разнообразие набора операций этого языка; уровень системных возможностей микро-ЭВМ (производительность, объем оперативной памяти, пропускная способность, время реакции на прерывание при работе в реальном масштабе времени, надежность вычислений, гибкость управления процессором, возможность сопряжения с другими типами ЭВМ, характеристики программного обеспечения).

На основе рассмотренных областей применения к характеристикам ЭВМ предъявляются следующие требования.

Машинный язык (система команд) ряда микро-ЭВМ должен обладать развитым набором управляющих команд; обеспечивать эффективную обработку символьной и битовой информации; иметь достаточно широкие, арифметические возможности, уступая лишь средним и большим машинам; обеспечивать работу с массивами (векторами) данных.

Диапазон мощности набора операций машинного языка ряда микро-ЭВМ должен быть достаточно широким - от значений, характерных для минимального набора управляющих команд и простейших арифметических операций (в младших моделях ряда), до значений, соответствующих наборам операций высокоорганизованных современных мини-ЭВМ широкого применения (в старших моделях).

Производительность ряда микро-ЭВМ должна составлять от десятков тысяч до нескольких миллионов операций в секунду. Объем ОЗУ может меняться от нескольких сотен байт, до десятков мегабайт, поэтому в последнем случае необходимы внешние устройства памяти (диски, магнитные ленты).

В основу архитектурно-структурного решения микро-ЭВМ ряда "Электроника НЦ", заложены следующие принципы:

- разрядность машинного слова микро-ЭВМ не превышает 16 (в высокопроизводительных высших моделях ряда возможно увеличение ее до 32);

- совместимость моделей ряда микро-ЭВМ обеспечивает преемственность разработок ( как схемотехники, так и программного обеспечения). В качестве уровня совместимости принимается оправдавший себя на практике уровень, заложенный в ЕС ЭВМ - совместимость моделей "снизу вверх " на уровне системы команд. При этом в старших моделях микро-ЭВМ может целиком использоваться программное обеспечение нижестоящих моделей ряда;

- модульность схемотехники и программных средств обусловливает возможность наращивания характеристик ряда микро-ЭВМ и совместимость моделей;

- микропрограммируемость процессора обеспечивает расширение набора команд для соответствующих областей применения и гибкость управления;

- микро-ЭВМ ориентированы на использование периферийных устройств, разрабатываемых для СМ ЭВМ. Наилучшим решением данного вопроса является обеспечение совместимости с интерфейсом "общая магистраль". При этом в случае необходимости можно достаточно просто реализовать нужный уровень совместимости и с интерфейсами других типов (например, с интерфейсом ЕС ЭВМ, системой КАМАК);

- микро-ЭВМ обладают развитой системой прерывания, хорошей реакцией на прерывания при работе в реальном масштабе времени и способностью образовывать мультипроцессорные структуры.

Рис. Структурная схема программного обеспечения ряда микро-ЭВМ

Система команд. Ряд микро-ЭВМ "Электроника НЦ" имеет единую базовую систему команд, подмножество которой может быть выбрано в качестве системы команд конкретной ЭВМ ряда. Эго обеспечивает совместимость ряда "снизу - вверх", позволяет получать эффективные программы для разнообразных областей применения микро-ЭВМ и допускает использование в своем составе ЭВМ с упрощенными системами команд.

Базовая система команд ряда микро-ЭВМ является системой команд 16-разрядной машины. Она допускает реализацию защиты друг от друга процессов, протекающих одновременно или в ре - жиме мультипрограммирования, что обеспечивается возможностью математической адресации как в областях данных, так и. в области программы.

Это необходимо при организации мультипроцессорных систем и отладке программ в реальном масштабе времени. В базовой системе команд также имеется возможность прямой адресации данных с помощью однословной команды, что обеспечивает сжатие программы, особенно важное для моделей с малым объемом памяти.

В базовую систему команд введены команды с адресацией бита внутри ячейки, сдвигов слова на заданное число битов и команды работы с полями битов.

Базовая система команд допускает наличие двух стеков - системного и пользовательского.

Все эти основные свойства базовой системы команд и определили вид конкретных кодировок разработанной системы команд.

Интерфейс. Каждая микро-ЭВМ ряда строится как совокупность модулей (процессоров, устройств основной памяти, контроллеров и Др.), объединенных общей магистралью. С учетом важности обеспечения работы с устройствами ввода-вывода СМ ЭВМ была разработана унифицированная магистраль ряда, обеспечивающая определенный уровень совместимости с общей шиной СМ ЭВМ. Магистраль обеспечивает одновременную работу нескольких процессоров и прямое управление одного процессора другим.

Выделение регистрам процессора адресов на магистрали и специальная организация процессоров обеспечивают доступность регистров процессора "извне" в опре - деленных его состояниях. Указанные особенности унифицированной магистрали позволяют организовать как мультипроцессорные конфигурации микро-ЭВМ, так и системы на базе микро- и мини- ЭВМ, что не только увеличивает производительность системы в целом, но и обеспечивает отработку пользовательских систем на базе микро-ЭВМ, а также контроль и диагностику микро-ЭВМ и ее модулей.

Наряду с унифицированной магистралью, допускающей одновременную работу множества процессоров, была разработана упрощенная магистраль с совмещенной шиной для передачи адресной информации и данных.

Программное обеспечение. Программное обеспечение ряда микро-ЭВМ состоит из внутреннего (принадлежащего ЭВМ с некоторым набором устройств ввода-вывода) и внешнего (принадлежащего другой ЭВМ). Внешнее программное обеспечение включает в себя:

- систему программирования на другой ЭВМ, интерпретирующую микро-ЭВМ;
- систему контроля и диагностики микро-ЭВМ и ее модулей с помощью другой ЭВМ (в том числе и самой микро-ЭВМ);
- систему автоматизации микропрограммирования микро-ЭВМ при ее проектировании.

Структурная схема программного обеспечения представлена на рисунке.

Таким образом, реализация единой функциональной структуры БИС на базе различных техно - логий позволит обеспечить широкий набор технико-экономических параметров БИС и микро-ЭВМ, имеющих математическое обеспечение и унифицированные конструктивно-технологические принципы построения.

Это в свою очередь даст возможность сократить сроки и стоимость разработок, систематизировать номенклатуру БИС для микропроцессоров и тем самым снизить их стоимость, повысить качество и надежность.