КМ1801ВМ3

КМ1801ВМ3А, КМ1801ВМ3Б, КМ1801ВМ3В

Микросхема КМ1801ВМ3 — 16-разрядный однокристальный микропроцессор, включающий операционный блок, блок микропрограммного управления, блок прерываний, диспетчер памяти и блок управления системной магистрали. Содержит 200000 интегральных элементов. Корпус 2136.64-1.

Отличительной особенностью КМ1801ВМ3 являются большой объем адресуемой памяти, высокое быстродействие и возможность подключения сопроцессора арифметики чисел с плавающей запятой (СППЗ).

Основные параметры КМ1801ВМ3

Объем адресуемой памяти	4М байт
Принцип управления	Микропрограммный
Число команд	72 с фиксированной запятой, 46 с плавающей запятой (при подключении СППЗ)
Число регистров общего назначения	8
Производительность операций «Регистр-регистр» (для КМ1801ВМ3А)	Сложение в потоке 1,5 млн операций/с; умножение 100 тыс. операций/с; деление 50 тыс. операций/с
Число линий запросов на прерывание	4
Тактовая частота
КМ1801ВМ3А	6 МГц
КМ1801ВМ3Б	5 МГц
КМ1801ВМ3В	4 МГц
Напряжение питания	4,75…5,25 В
Выходное напряжение низкого уровня	0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	2,4 В
Входное напряжение низкого уровня	0,7 В
Входное напряжение высокого уровня	2,2 В
Ток утечки на входе	1 мкА
Ток утечки на выходе	10 мкА
Выходной ток низкого уровня	3,2 мА
Выходной ток высокого уровня	-1,0 мА
Входная емкость	10 пФ
Выходная емкость	15 пФ
Емкость нагрузки	< 100 пФ
Мощность потребления	1,5 Вт
Максимальное входное напряжение	5,25 В
Минимальное входное напряжение	-0,5 В
Температура окружающей среды	-10…+70°С
Срок сохраняемости	15 лет
Минимальная наработка	50 000 ч

Микросхема содержит шесть регистров общего назначения (R0—R5), три регистра — указателя стека R6 (SP), используемых в режимах операционной системы (KSP), пользователя (USP) и в пультовом режиме (HSP), и регистр R7, который служит также счетчиком команд (PC). Регистр SP содержит адрес последней заполненной ячейки стека, a PC — адрес команды, следующей за выполняемой.

Программно доступным регистром является также регистр состояния процессора PSW. Информация, содержащаяся в PSW, влияет на режимы выполнения команд и прерываний, определяет режим работы диспетчера памяти.

Регистр PSW доступен также из процессора по физическому адресу 17777776.

Назначение разрядов регистра PSW:

разряды 0 — 3 (N, Z, V, С) — признаки знака, нуля, переполнения и переноса, описывающие результат последней выполненной команды;
разряд 4 (Т) — признак режима отладки;
разряды 5, 6, 7 — код приоритета внешних прерываний IRQ (3—0);
разряды 13, 12 — предыдущий режим работы МП;
разряды 15, 14 — текущий режим работы МП (11 — режим пользователя, 00 — режим операционной системы).

В микросхеме используются три типа команд безадресные, одноадресные и двухадресные. В безадресных командах код команды содержит только код операции. В кодах одноадресных и двухадресных команд содержится информация, определяющая; выполняемую функцию (код операции); регистры общего назначения, используемые при выборке операндов, метод адресации.

Система команд КМ1801ВМ3 включает команды МП КМ1801ВМ2 и дополнительные команды, которые приведены в таблице:

Диспетчер памяти обеспечивает:

расширение емкости адресуемой памяти с 64К до 266К или до 4М байт;
преобразование виртуальных адресов в физические и защиту памяти в системах с разделением времени;
использование различных областей адресов для режима пользователя и режима операционной системы (ОС).

Расширение емкости адресуемой памяти осуществляется преобразованием 16-разрядного виртуального адреса в 18- или 22-разрядный физический адрес. Преобразование выполняется с помощью набора 16 регистров — адресов страниц PAR и 16 регистров — описателей страниц PDR.

Диспетчер памяти преобразует все адреса автоматически, поэтому пользователь работает в области виртуальных адресов. Область виртуального адреса делится на восемь отдельных страниц. Каждая виртуальная страница имеет свой код защиты. Есть три вида защиты памяти: разрешены запись и чтение, разрешено только чтение, запрещен любой доступ. Все попытки запрещенного доступа вызывают прерывание МП.

Диспетчер памяти обеспечивает три режима работы: ОС, пользователя и пультовый. Для каждого режима работы существует свой набор регистров PAR/PDR.

Регистры PAR/PDR включают два набора по восемь 27-разрядных регистров PAR/PDR для режимов ОС н пользователя и четыре 16-разрядных регистра адреса страницы PARH для обеспечения пультового режима. Физические адреса регистров PAR/PDR приведены и таблице:

При 18-разрядном физическом адресе базовый адрес страницы в регистре PAR содержится в разрядах 0—11, а при 22-разрядном — в разрядах 0—15.

Формат регистра PDR имеет вид:

Поле PLF определяет длину страницы в блоках (один блок — 32 слова) и позволяет установить ее от 0 до 177₈.

Разряд 3 (ED) — направление расширения страницы: при ED = 0 — расширение вверх, при ED = l — расширение вниз. При расширении вверх PLF устанавливается на 1 больше необходимой длины. При расширении вниз в PLF заносится дополнительный код длины страницы.

Поле ACF определяет тип доступа к странице памяти: 00 — недоступна, прерывание при любом обращении; 01 — доступна только по чтению, прерывание при попытке записи; 10 — не используется, прерывание при любом обращении; 11 — разрешены чтение и запись.

Разряд 6 (W)—признак записи, указывает, что в страницу произведена запись. Разряд W очищается автоматически при записи в PAR и PDR данной страницы. Установлен этот признак может быть только аппаратно логической схемой управления диспетчера памяти (ДП).

Регистры состояния диспетчера памяти

Диспетчер памяти содержит три регистра состояний: SR0, SR2, SR3. Четвертый регистр состояния SR1 аппаратно не реализован, и при обращении по адресу этого регистра (17777574) всегда считываются нули. В случае нарушения условия защиты памяти процессор немедленно прерывается и переходит к программе обработки прерывания по вектору 250₈ в области памяти ОС. Регистры состояния SR0 и SR2 служат для анализа возникшего прерывания.

Регистр SR0 (адрес 17777572) содержит флаги ошибок, бит разрешения преобразования адреса в ДП и другую информацию, необходимую ОС для обработки ошибки и возврата к прерванной программе. Формат регистра SR0 имеет вид

Назначение разрядов регистра SR0:

разряд 15 (NR) — ошибка по запрету доступа. Возникает при попытке обращения к недоступной или неиспользуемой странице; разряд 14 (PL) — ошибка по нарушению длины страницы;
разряд 13 (RO) — ошибка по записи. Возникает при попытке записи в страницу, доступную только по чтению;
разряд 8 (М) — бит, устанавливающий диагностический режим работы ДП; при установленном М выполняется преобразование адреса только последнего обращения в память приемника;
разряды 5, 6 — режим МП (пользователя или ОС), при обращении к которому произошла ошибка ДП;
разряды 1, 2, 3 — номер страницы, при обращении к которой произошла ошибка ДП;
разряд 0 (EN) — бит включения ДП. При EN = 1 выполняются преобразование адресов и защита памяти в ДП.

Регистр SR2 (адрес 17777576) содержит виртуальный адрес первого слова выполняемой команды. Он не изменяется, если в данной команде произошло прерывание по ошибке ДП. Доступен только по чтению.

Регистр SR3 (адрес 1777757) содержит два разряда. Разряд 4 содержит бит AS. При AS = 1 адрес физический, 22разрядный, при АS = 0 — 18-разрядный. Разряд 5 содержит бит UM. При UM = 1 устанавливается для внешней аппаратуры режим включения схем преобразования адресов.

Формирование физического адреса в ДП изображено на рисунке:

В сумматоре выполняется сложение виртуального адреса VA (разряды 6 — 12) с выбранным PAR (разряды 0 — 11) при 18-разрядном адресе и PAR (разряды 0 — 15) при 22-разрядном адресе. В результате полный физический адрес содержит разряды 0 — 5 виртуального адреса и разряды 6 — 17 (21) — результат суммы.

Система прерываний процессора

Прерывания делятся на аппаратурные и командные. Часть аппаратных прерываний вызывает немедленный переход к их обработке. Это так называемые фатальные ошибки. Они возникают при ошибках системной магистрали, ДП, СППЗ. Анализ таких аппаратных прерываний, как авария источника питания, внешний сигнал HALT, прерываний IRQ (разряды 0 — 3), переполнения стека в моде операционной системы производится после завершения очередной команды в соответствии с приоритетом, указанным в таблице:

Приоритет	Прерывание
Высший Самый низкий	Команда HALT Нечетный адрес Ошибка ДП Зависание Команды прерывания Прерывание по Т-биту Переполнение стека Сбой питания Внешний сигнал HALT IRQ3 … IRQ0

К командам прерывания относятся ЕМТ, TRAP, BPT, ЮТ, а также (если учитывать алгоритм выполнения) и резервные коды. Вектора прерываний приведены в таблице:

Вектор

Прерывание

004

010
014
020
024
030
034
250
244
Из системной магистрали

Зависание, нечетный адрес, переполнение стека Резервные и запрещенные команды Прерывание по Т-биту

Прерывание по команде
Сбой питания
Прерывание по команде MTPI
Команды прерывания
Ошибка диспетчера памяти Прерывание СППЗ
IRQ3-IRQ0

При прерывании МП помещает в стек PC и PSW и считывает новые значения PC и PSW из ячеек, определяемых вектором прерывания, причем загрузка PC и PSW ведется из области памяти операционной системы. Особый случай представляет собой возникновение фатальной ошибки в ходе выполнения микропрограммы обработки прерывания, так называемой «двойной ошибки». В этом случае процессор переходит в пультовый режим.

В пультовой режим процессор переходит при: выполнении команды HALT в моде ОС; возникновении «двойной ошибки»; возникновении внешнего сигнала HALT = 0 и отсутствии в этот момент других, более приоритетных прерываний.

При входе в пультовый режим процессор загружает в стек HSP константу 100000₈; загружает в стек регистры PSW и PC; заносит в регистр PSW значение 340₈, а в PC — 0; включает ДП на преобразование виртуальных адресов в

22-разрядные физические и переходит к выполнению программы, расположенной по виртуальному адресу 0. В ДП с целью реализации пультового режима введены четыре регистра адреса страницы PARH:

адресация к которым производится двумя старшими разрядами виртуального адреса. Регистр PARH2 позволяет осуществлять обращение ко всему адресному пространству путем записи в него соответствующего кода. Адрес регистра PARH2 — 177512.

В пультовом режиме существуют некоторые отличия в выполнении команд и прерываний. Например, команды RT1 и RTT выполняются без учета значения Т-бита.

При включении питания извне устанавливается сигнал DCLO и МП переходит в режим ожидания сигнала ACLO. При поступлении сигнала ACLO МП начинает выполнение одной из процедур начального пуска в зависимости от сигнала W0:

W0 = 0. МП загружает PSW содержимым 26-й ячейки памяти, PC — содержимым 24-й ячейки и начинает выполнение программы с этого адреса;
W0 = 1. МП загружает в PSW константу 340, а РС — 173000 и начинает выполнение программы с этого адреса.

При выполнении любой команды МП осуществляет хотя бы одно обращение к каналу, называемое циклом обращения к каналу. Перед каждым циклом МП осуществляет процедуру захвата канала.

Цикл «Чтение». Цикл разделен на фазы передачи адреса и приема данных. Адрес из МП сопровождается сигналом SYNC, снимается после приема сигнала SSYNC, и затем выставляется сигнал DIN. Микросхема переключает элементы входа/выхода на выводах AD0 — AD15 на прием и ожидает сигнал RPLY. Фаза приема данных. После приема сигнала RPLY МП принимает данные и снимает сигналы DIN н SYNC.

Цикл «Запись». Передача адреса сопровождается сигналом WTBT, который снимается одновременно со снятием адреса и указывает, что происходит цикл «Запись». После окончания фазы передачи адреса МП выставляет на выводы AD0 — AD15 данные и сигнал DOUT и ожидает сигнал RPLY. После приема сигнала RPLY МП снимает сигнал DOUT, данные и сигнал SYNC. По снятию сигнала DOUT пассивное устройство снимает сигнал RPLY.

Цикл «Чтение — модификация — запись». Цикл разделен на фазы передачи адреса, приема и записи данных. Фаза записи начинается после того, как пассивное устройство сняло сигнал RPLY в ответ на снятие сигнала DIN.

Временные диаграммы циклов «Чтение», «Запись» и «Чтение — модификация — запись»

Временные диаграммы циклов «Запрос — предоставление прямого доступа»