Микропрограммные автоматы на ПЗУ

Микропрограммные автоматы представляют собой следующий шаг по пути усложнения интеллекта цифровых схем. На основе микропрограммных автоматов можно строить устройства, которые работают по довольно сложным алгоритмам, выполняют различные функции, определяемые входными сигналами, выдают сложные последовательности выходных сигналов. При этом алгоритм работы микропрограммного автомата может быть легко изменен заменой прошивки ПЗУ.

В отличие от рассматривавшихся ранее устройств на "жесткой" логике, принцип работы которых однозначно определяется используемыми элементами и способом их соединения, микропрограммные автоматы с помощью одной и той же схемы могут выполнять самые разные функции. То есть они гораздо более гибкие, чем схемы на "жесткой" логике. К тому же проектировать микропрограммные автоматы с точки зрения схемотехники довольно просто. Недостатком любого микропрограммного автомата по сравнению со схемами на "жесткой" логике является меньшее предельное быстродействие и необходимость составления карты прошивки ПЗУ с микропрограммами, часто довольно сложными.

Наиболее распространенная структура микропрограммного автомата (рис. 11.15) включает в себя всего лишь три элемента: ПЗУ, регистр, срабатывающий по фронту, и тактовый генератор.

Рис. 11.15. Структура микропрограммного автомата

ПЗУ имеет (L+M) адресных разрядов и N разрядов данных. Регистр применяется с количеством разрядов (N + L). Разряды данных ПЗУ записываются в регистр по положительному фронту тактового сигнала с генератора. Часть этих разрядов (М) используется для образования адреса ПЗУ, другая часть (N-M) служит для формирования выходных сигналов. Входные сигналы (L) поступают на входы регистра и используются совместно с частью выходных разрядов ПЗУ для получения адреса ПЗУ.

Схема работает следующим образом. В каждом такте ПЗУ выдает код данных, тем самым определяя не только состояние выходных сигналов схемы, но и адрес ПЗУ, который установится в следующем такте (после следующего положительного фронта тактового сигнала). На этот следующий адрес влияют также и входные сигналы. То есть в отличие от формирователя последовательности сигналов, рассмотренного в предыдущем разделе, в данном случае адреса могут перебираться не только последовательно (с помощью счетчика), но и в произвольном порядке, который определяется прошивкой ПЗУ, называемой микропрограммой.

Условием правильной работы схемы будет следующее. За один период тактового сигнала должны успеть сработать регистр и ПЗУ. Иначе говоря, сумма задержки регистра и задержки выборки адреса ПЗУ не должна превышать периода тактового сигнала. Отметим также, что входные сигналы микропрограммного автомата нельзя подавать непосредственно на адресные входы ПЗУ (без регистра), так как их асинхронное (по отношению к тактовому сигналу) изменение может вызвать переходный процесс на выходах данных ПЗУ именно в тот момент, когда выходные сигналы ПЗУ записываются в регистр. В результате в регистр может записаться неверная информация, что нарушит работу всей схемы. Регистр же синхронизирует изменения входных сигналов с тактовым сигналом, в результате чего все разряды кода адреса ПЗУ меняется одновременно — по положительному фронту тактового сигнала. Регистр должен обязательно срабатывать по фронту, использование регистра-защелки не допускается, так как он может вызвать лавинообразный переходный процесс.

Возможности такой простой схемы оказываются очень большими. Например, микропрограммный автомат может выдавать последовательности выходных сигналов в ответ на определенное изменение входных сигналов. Он может также временно остановить выдачу выходных сигналов до прихода входных сигналов. Он может анализировать длительность входного сигнала и в зависимости от нее выдавать те или иные выходные сигналы. Он может также и многое другое.

Сформулируем несколько элементарных функций, из которых могут складываться алгоритмы работы микропрограммного автомата (рис. 11.16):

Рис. 11.16. Элементарные функции микропрограммного автомата: последовательный перебор (а), циклическое повторение (б) и остановка (в)

1. Последовательный перебор адресов ПЗУ (например, для выдачи последовательности выходных сигналов).
2. Периодическое повторение последовательности адресов ПЗУ (например, для повторения последовательности выходных сигналов).
3. Остановка в каком-то адресе ПЗУ (например, для ожидания изменения входного сигнала).
4. Временное отключение реакции на входные сигналы (например, для того, чтобы закончить отработку реакции на предыдущее изменение входных сигналов). Эта функция на рисунке не показана.

В качестве примера рассмотрим выполнение некоторых элементарных функций микропрограммным автоматом, показанным на рис. 11.17.

Рис. 11.17. Пример практической схемы микропрограммного автомата на ПЗУ

ПЗУ имеет организацию 64х8 (это могут быть две микросхемы РЕ3 или одна микросхема РТ18), количество разрядов регистра равно десяти (это могут быть две микросхемы ИР27). Схема имеет два входных сигнала и четыре выходных сигнала. Такая организация микропрограммного автомата хороша тем, что его микропрограмма (то есть карта прошивки ПЗУ) очень наглядна, легко составляется и читается.

Выходные разряды данных ПЗУ делятся на две группы по 4 сигнала: младшие идут на образование следующего адреса ПЗУ, старшие образуют четыре выходных сигнала. Входные сигналы поступают (через регистр) на два старших разряда адреса ПЗУ. Если мы изобразим карту прошивки ПЗУ в привычном для нас виде таблицы из четырех строк и 16 столбцов (табл. 11.7), то в этой таблице будут наглядно видны как состояние каждого из внутренних сигналов, так и реакция схемы на любой входной сигнал, а также состояния всех выходных сигналов в каждом такте.

Прежде всего, легко заметить, что выбор той или иной строки таблицы производится старшими разрядами кода адреса ПЗУ, то есть входными сигналами микропрограммного автомата. Таким образом, любое изменение входных сигналов приводит к переходу в карте прошивки на другую строку. Например, строка 00 будет соответствовать нулевым входным сигналам микропрограммного автомата, а строка 30 — единичным входным сигналам.

Теперь посмотрим на структуру 8-разрядного кода данных ПЗУ. Младшие четыре разряда этого кода (правый, младший знак 16-ричного кода в таблице) соответствуют четырем младшим разрядам кода адреса ПЗУ. Старшие четыре разряда кода данных ПЗУ (левый, старший знак 16-ричного кода в таблице) соответствуют четырем выходным сигналам микропрограммного автомата. То есть непосредственно по 16-ричному коду данных из таблицы можно сказать, во-первых, каким будет следующий адрес ПЗУ, и во-вторых, какими будут выходные сигналы автомата в следующем такте.

Рассмотрим пример микропрограммы (табл. 11.8), реализующей некоторые элементарные функции.

Верхняя (нулевая) строка таблицы демонстрирует последовательный перебор адресов памяти при нулевых входных сигналах. Пусть, например, автомат находится в адресе 00. В ячейке с адресом 00 указан следующий адрес 1 (младший знак 16-ричного кода 11), то есть в следующем такте автомат перейдет в адрес 01 (считаем, что входные сигналы остаются нулевыми). Из адреса 01 автомат перейдет в адрес 02, так как в ячейке с адресом 01 указан следующий адрес 2. Точно так же из адреса 02 автомат перейдет в адрес 03 и так далее до адреса 0F, в котором указан следующий адрес 0, то есть в следующем такте автомат снова вернется в адрес 00. Затем цикл последовательного прохождения адресов первой строки повторится (если, конечно, входные сигналы останутся нулевыми). Четыре выходных сигнала автомата в данном случае повторяют код следующего адреса, то есть, подобно 4-разрядному двоичному счетчику, выдают постепенно нарастающий код.

Вторая сверху (первая) строка таблицы демонстрирует циклическое повторение группы тактов. Если, например, работа начинается с адреса 10, то микропрограммный автомат последовательно будет перебирать адреса 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, а затем вернется в адрес 15 и будет постоянно повторять группу адресов 15, 16, 17, 18, 19. В данном случае мы считаем, что входной сигнал "Вх. 1" постоянно равен единице, а входной сигнал "Вх. 2" постоянно равен нулю, что и соответствует второй сверху строке таблицы.

Посмотрим теперь, что будет делать автомат, если входной сигнал "Вх. 2" постоянно равен нулю, а входной сигнал "Вх.1" меняет свое состояние с нуля на единицу и обратно. Такое переключение входных сигналов приводит к переходу между нулевой и первой строками таблицы с микропрограммой. Допустим, автомат начинает работу с адреса 00 (сигнал "Вх. 1" равен нулю). Идет последовательный перебор адресов нулевой строки. Даже если в течение первых девяти тактов сигнал "Вх. 1" будет меняться, на выходных сигналах автомата это никак не отразится, так как коды первых девяти адресов в нулевой и первой строках полностью совпадают. Поэтому можно сказать, что в этих первых девяти тактах мы отключили реакцию нашего автомата на входной сигнал "Вх. 1" за счет дублирования кодов.

Допустим теперь, что изначально нулевой входной сигнал "Вх. 1" стал равен единице в адресе 0А и далее не меняется. Это приведет к тому, что вместо адреса 0В автомат перейдет в адрес 1В. Затем он пройдет адреса 1С...1F, перейдет в адрес 10, дойдет до адреса 19 и начнет повторять цикл 15...19. Если же, например, в адресе 18 сигнал "Вх. 1" снова станет равен нулю, то вместо адреса 19 автомат попадет в адрес 09 и далее будет выполнять микропрограмму нулевой строки.

Третья сверху (вторая) строка таблицы, которая соответствует входным сигналам Вх. 1 = 0, Вх.2 = 1, показывает пример остановки автомата в каждом адресе и ожидание прихода входного сигнала. Например, автомат находится в адресе 23. Следующим адресом в коде данной ячейки указан 3. Значит, если входные сигналы остаются неизменными, то автомат перейдет опять же в адрес 23 и будет оставаться в нем постоянно. Но если входной сигнал "Вх.2" станет равным нулю, автомат перейдет в адрес 03 и начнет выполнять микропрограмму нулевой строки. То есть переключение входного сигнала "Вх.2" из нуля в единицу при нулевом уровне "Вх.1" останавливает выполнение микропрограммы нулевой строки до обратного перехода входного сигнала "Вх.2" в нуль.

Наконец нижняя (третья) строка таблицы демонстрирует переход из любого адреса строки в нулевой адрес этой же строки. Пусть, например, выполняется микропрограмма нулевой строки ("Вх. 1" и "Вх. 2" — нулевые) и в адресе 06 оба входных сигнала переходят в единицу. Автомат попадает в адрес 37, а из него — в адрес 30, где и остается постоянно до изменения входных сигналов. Если затем оба входных сигнала снова станут нулевыми, то автомат перейдет в адрес 00 и начнет снова выполнять микропрограмму нулевой строки таблицы.

Иногда бывает необходимо перевести автомат в какой-то определенный адрес. Ведь при включении питания в регистре может оказаться произвольный код. Для такой инициализации автомата можно, например, использовать регистр, имеющий вход сброса R, на который подается внешний сигнал, и тогда по этому сигналу автомат попадет в нулевой адрес. Но можно пойти и другим путем: составить микропрограмму таким образом, что автомат при включении питания сам перейдет за несколько тактов в нужный адрес независимо от того, в какой адрес он попал при включении питания.

Рассмотрим теперь пример проектирования простейшего микропрограммного автомата.

Пусть нам необходимо формировать с помощью микропрограммного автомата последовательность из трех выходных сигналов в ответ на положительный фронт одного входного сигнала (рис. 11.18).

Рис. 11.18. Диаграмма работы проектируемого микропрограммного автомата

Второй выходной сигнал "вложен" в первый, а третий "вложен" во второй. Причем до тех пор, пока данная последовательность не закончится, входной сигнал может произвольно менять свое состояние, на работе схемы это никак не должно сказываться. А после окончания данной последовательности микропрограммный автомат снова должен ждать положительного фронта входного сигнала и начинать по нему выработку новой последовательности.

Все временные сдвиги в выходной последовательности (t) примем для простоты одинаковыми и равными 1 мкс. Это значительно облегчает выбор тактовой частоты микропрограммного автомата, она должна быть равной 1 МГц (период 1 мкс). В этом случае полная длина генерируемой последовательности составит всего 6 тактов (один такт соответствует переходу всех выходных сигналов в единицу).

Для формирования 6-тактовой последовательности необходимо не менее 3 адресных разрядов ПЗУ (так как 2² = 4, а 2³ = 8). Еще один разряд адреса ПЗУ потребуется для входного сигнала схемы. Итого необходимо 4 адресных разряда ПЗУ.

Для формирования трех выходных сигналов требуется три разряда данных ПЗУ. Еще три разряда данных ПЗУ нужно для задания следующего адреса при отработке выходной последовательности. Итого необходимо шесть разрядов данных ПЗУ.

Рис. 11.19. Спроектированный микропрограммный автомат

Посчитаем требуемую разрядность выходного регистра. ПЗУ выдает шесть разрядов данных. Имеется один входной сигнал. Итого регистр должен фиксировать 7 сигналов, значит, он должен быть 7-разрядным.

Итак, все расчеты закончены. Полученная схема микропрограммного автомата приведена на рис. 11.19. Она включает в себя тактовый генератор с частотой 1 МГц, микросхему ПЗУ типа РЕ3, у которой не используется один разряд адреса и два разряда данных, а также 8-разрядный регистр ИР27, у которого не используется один разряд. Для простоты на рисунке не показаны резисторы на выходах данных типа ОК микросхемы ПЗУ.

Теперь необходимо составить микропрограмму для спроектированной схемы. Она должна включать в себя ожидание положительного фронта входного сигнала, отработку последовательности выходных сигналов с временным отключением входного сигнала, ожидание нулевого уровня входного сигнала и переход на новое ожидание положительного фронта входного сигнала. Полученная микропрограмма с необходимыми комментариями представлена в табл. 11.9.

Отключение реакции на входной сигнал достигается в микропрограмме за счет дублирования участка отработки выходной последовательности при входном сигнале, равном нулю, и при входном сигнале, равном единице. Если в конце выходной последовательности входной сигнал равен единице, то схема ожидает сначала перехода входного сигнала в нуль (отрицательный фронт), а затем уже ждет положительного фронта входного сигнала. Если в конце последовательности входной сигнал равен нулю, то схема сразу же переходит на ожидание положительного фронта входного сигнала.

Все неиспользуемые микропрограммным автоматом ячейки заполнены командами перехода в начальное состояние схемы с пассивными (единичными) выходными сигналами. Таким решением обеспечивается правильное начало работы микропрограммного автомата при любом начальном адресе (при любом начальном коде в регистре). Начальный сброс автомата не используется.

Последний микропрограммный автомат, который мы рассмотрим в данном разделе, предназначен для дешифрации (декодирования) последовательного кода Манчестер-II, применяющегося для последовательной передачи данных на большие расстояния, в частности, в локальных сетях. Этот код уже упоминался в лекции 7 (см. рис. 7.16 и 7.17). Там был рассмотрен кодировщик кода Манчестер-II.

Дешифрация (декодирование) этого кода гораздо сложнее кодирования (рис. 11.20). Она требует выделения "правильных", информационных фронтов в середине битовых интервалов (помечены на рисунке кружками) и отсечение "неправильных" фронтов между битовыми интервалами (помечены на рисунке крестиками). Для этого нужно после первого (информационного) фронта в течение временного интервала 0,75Т не реагировать на приходящие фронты входного сигнала, а затем снова обрабатывать любой приходящий фронт, снова выдерживать интервал 0,75Т и т.д. При приходе "правильных", информационных фронтов (в середине битовых интервалов) необходимо формировать выходные синхросигналы, по которым фиксируется (в регистре) информация из сигнала в коде Манчестер-II.

Рис. 11.20. Декодирование кода Манчестер-II

Таким образом, алгоритм декодирования довольно сложен. Его можно, конечно, выполнить с помощью одновибраторов и триггеров. Но можно воспользоваться и микропрограммным автоматом, который, в отличие от одновибратора, не требует настройки, не чувствителен к помехам и тактируется сигналом кварцевого генератора.

Схема такого микропрограммного автомата (рис. 11.21) очень проста, она включает в себя ПЗУ типа РЕ3, регистр ИР27 и тактовый генератор с частотой, в 8 раз превышающей частоту прихода битов в коде Манчестер-II. Например, при длительности битового интервала 1 мкс (скорость передачи информации 1 Мбит/с) частота генератора должна быть равной 8 МГц. Схема практически не отличается от схемы, рассмотренной в предыдущем примере, хотя выполняемая ею функция гораздо сложнее.

Помимо синхросигнала (его обычно обозначают RxC или С), микропрограммный автомат выдает также сигнал огибающей информационного пакета (Р), то есть сигнал, активный при наличии передачи информации в коде Манчестер-II и пассивный при отсутствии передачи информации (см. рис. 11.20). Сигнал С (RxC) стробирует запись сигнала данных RxD, представляющего собой просто входной сигнал в коде Манчестер-II, пропущенный через регистр.

Рис. 11.21. Микропрограммный автомат для декодирования кода Манчестер-II

Мы не будем подробно рассматривать составление микропрограммы для декодирования кода Манчестер-II, так как это заняло бы слишком много места. Достаточно только внимательно изучить табл. 11.10, содержащую микропрограмму с комментариями, чтобы понять, что в ней присутствуют и отключение реакции на входной сигнал, и выдержка временных интервалов (задержка), и переходы в заданные адреса, и остановки для ожидания положительного и отрицательного фронтов входного сигнала.