INFORMATICA 2/1984
CENTRALNA PROCESNA ENOTA
DELTA 16/B IT-SLICE
UDK: 681.519.7
FRANC KOGOVSEK
JO2E MATJA2,
ANDREJ TREiAR,
JANEZ ANDER4.E,
ANDREJ DOBNIKAR,
VESELKOGUSTIN,
FRANC KODER,
MIRAMACEK,
ALOJ2 VOGEL
ISKRA DELTA LJUBLJANA;
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, UNIVERZA EDVARDA
KARDELJA, LJUBLJANA
Prispevek aovvri o centralno precesni enoti DELTA 16/BIT-SLICE> ki
JK nsstala kot rezultat sodelovanja med Iskro-Delto in Fakulteto
z& elektrotohniko v LJublJani.' To J e niikrorroarsmiran resins ki
?rocesorr ki. emulira procesor sistema PDF' 11/34. PoudarJene so le
!,r-ec?i fiene lastnosti emul 3torJ3i arhitekturai moznosti razsiritev
nabora instrukciJ in naifim kako izkorist-iti fleksibilnost arhi-
tekture za ftaseSo bistvano • vecJe zmoalJivosti ccntrSlne procesne
enotei
This article d&scribes 3 central processor unit DELTA
16/BIT-SLICEi which has been developed b« Iskra-Delta in coopera-
tion with Fakulteta SB wlektrotehnikc in Ljubljana. This micro-
programed processor was decisned ba usins AMD 2900 series compo-
nents to emulata the PDF 11/34 CPU. Onla the specific -features
are emphasized! architectural the possibilities to expand the in-
struction set and the description is aiven» on how to use 3ll the
advantages of the flexible architecture to achive better perfor-
mances of the central r-rocessor unit.
UVOD
DELTA 1A/BIT-SLICE Je centrslrid procesna
enotp za sistem DELTA 340. To Je cnulsciJa
CPE KD 11-EA? kar pomenii da sta enoti nepos-
redno zamenlJivi no r,tsndcrdnih konektorjih '/
sistenskem vodilu.
Arhitektura enote DELTA 16/BIT-SLICE Je zas-
novsna takoi da onoaoCa prealedno in hitro
tvorbo niikror*rofi!rsiTiov ;:a izvajane PolJubnih
1113k ro instrukciJ. S tern namenom Je v enoti
DELTA 1A/FIT SLICE zajeto vezje sa izvedbo
suspenzijei ker pomenii da se mikroproaraoi
lahko r-rekine in kasneJe reaularno nadalJuJe
(obravnava zshteve za prekinitev med izvaJan-
Jem instrukciJoi i£vedb3 prosframa ob izklopu
u::i'rome vklopu elektricne napetosti in podob-
no). ZaJeto Je tudi vesJe 2a adresiranJe do-
'Jatnih 48 splofino uporabnih reaistrovt v in-
strukciJskem dekaderju in v vezJu zs obravna-
va pasti PE Je rezervirano POdroiJe za opera-
cijske kode teh nestandardnih instrukciJ.
Primeri takih instrukciJ so 12 niza 'Commer-
cial Instruction Set". To Je niz instrukciJi
ki tecsJo na sistemih PDP 11/44 ob uporabi
dudetnesa CIS procesorJa.
Proarameko in acsraturno podporo za tvorbo
mikroprodrsmav sest,avlJaJo.
- Macro Meta Assembler (AMDASM) z datoteko
PEFENITION FILE enote DELTA 14/BIT-SLICE
- Prosram za vpis v mikroproaramski pomnilnik
- VpislJK1 mikroproaramski pomnilnik (WCS) s
5ifino do 120 bitov in alabino do 2K besed
iri Je ri3 voljrj potencialnim uporabnikom v
i--rostorih ISKRA DELTAi RasvoJ AOF GrubarJeva
nabrezJe 6.
OPIS ARHITEKTURE PROCESORJA
DELTA 1A/BIT-SLICE
Slika 1 prikanuJe hlok shemo DELTA
14/BIT-BLICE mikroproaramiraneaa procesorJar
ki 33 PO funkciJskih znscilnostih razdelimo
na stiri padroCJa!
•- podatkovn3 vodila (DATA PATH)
- mikroproaramski krmilnik (MICROPROGRAM
CONTROL)
- enotct za upravlJanJe s ponni lniskim
prostorom (MEMORY MANAGEMENT)
- vezJe za kontrolo podatkovnih prenosov
(BUS CONTROL)
Podatkovni del procesorja Je zasnovan na UPO-
i'abi rezinskih elementov druzine AM2900.
'ritmeticri3 .loaicna enota (ALU) Je sestavlJe-
ns iz itirih 4-bitnih rezin AM2903t ki Jim Je
dodari carry denerator AM2902. Rezina ' AM2903
umcsoca aritmeticne in losifne operaciJe ter
specialne funkcije ca mnozenJe in delJenJe.
SkuffcJ z AM2904 omodofaJo rezine PomikanJe
vsobine leva in desno nad sloaonif besedo in
dvb.inrj dol^ino besede. Resina AM2903 vsebuJe
pol«« 0 i'e<iistra &(? 16 reaistrov> od katerih
Jih Je osem uf-oreblJenih kot splosno name-nski
ro.rf i -j1.1'i ^'jostopni proslramer Ju ) > druSih osem
ra kot, dslovni. reaistri za izvorne in ponorne
l-.ot '.utli Z3 vmesne rezultate.
ot-erdnd
ALII-Ju
lovnih
necin
dodatni niz 48 de- Je lahko dodari
redi'itruv > ki so uporabljeni na enak
ot notr.jnJi ALU reaistri.
y I'H^insh ni bi.]o i.iosloce realizirsti proce-
•jcrJevt; statuane besede (PSU) in in-
strukciJ?k^sa registra (IR). Sestavni del
PSU.-Js Je tudi AM2904i kJer so shranJene PO-
2'ijnfc kode Z3 v&ako operaciJo v ALU-Ju.

17
V VODILO
cri
Din
2970S
BOtlt
2PORT RAM
4- AOUt
*JPP
PI
KRMIINI «IOA MALI
Bl.ika It Blok shena DELTA 16/ BIT-SLICE mikroproflrami rane.g'a procesorJa '
[Kesina AM2903 ima vee vhodnih in izhodnin
liniJi ki so lahko razlieno uporabljene.
.LiriiJe DA<13S0> op uporablJene kbt podatkovni
vhod» na kateresla so pri'pel Jani podatki iz
: '8D.<13-IO>i takoJsnJi p.odatek ii ..pipeline
.registry ' (PL)r odmik iz inetrukciJskeaa
reaitttra (IR)? podatekiz CIS PROM-a in poda-
tek iz . 2-vhodneaa dodatnoaa RAM-a. ' LiniJe
DB<15!0> so uporabljene kot podatkavni.izhqdi
ki posretiUwie virtualno adreso enoti za
upravlJanJe s pomni lnikom» podatek za shraii-
JevanJe v pomnilnik preko Unihus vodila in
. Stevec iteraciJ niikroproSraitiski ' kontroli.
Kot podatkovni vhod oo IiB liniJe uporablJene
v primerui ko'ielimo. v ALL) dostaviti podatks .'
,iz dods'tnoflo,. RAM-a. LiniJe Y<15!0> so upora-r
. blJene liut ' pod'atkpvni1.' vhod ali . izhod'..\ ' V
•i»rls.i.»pui da so gporablJeris kot podatkoyni
.vhodr so rezini posredavani pbdatki iz
rSD<15i0>: vodilar trap yektor adrosai mikroin-.
1 istruk'ciJska adresa is AM2910 in podatek. iz
jenote Z3 UPi-avlJ3nJe a pomni lnikom. Ce so
iUparablJerie kot podatkovrri izhodr Je podatek
•lahko posredovari V dpdatni 2-.vhodni. RAMr ali
pa na''UnibuE" vodilo v primeru shranJevanJa v
pomnilnik. •. -.-.•.-• . . ' . '. " : •: .
;DS HUX' skTb-i aa"izbiro pod3tkov» Wi Jih . po- ..
ftilJs CPE.na Unihus vodilo oziroma podatke z
. Unibus vodila poSUe h3; SD<15!0>. Na Un.ibus
vodilo an lahko, poslani •naslednJi .p.odatki'
' :PSW in"potlatki ,iz ALU^-ja. p re'ko'•'. riB<lS ! 0>. ali
iY<15!0>. .'.••...'.• •.••••.•:••'•••:•.•••• ''• •
y Pi-imeru zxoaovnin- op'eraciJ BB V odviahosti:
od adrese lahko zamenJota opodnJi in zaornJi
zlofl>.zs kar poskrbi SWAP MUX. Podatki na.
izhodu SWAP MUX-a so potem priaothi na -
Sn<15tO> in na Unibus. vbdil.ui 6e Je uatreatno
zakrmiljen H/R element. . .. . .
DEKODIRANJE IN8TRUKCIJ
Naloaa DEKODIRNE LOQIKE Je» da na osnovi vse-
bine v instp.ukeiJskem reai'stru PO dostavi/.
..vsBke instrukciJe dolofii . mikroprofiramsko ;
sdresop na kateri SB .pritne ,'izvaJati in-..
•itrukeiJi ustresen mikpoproaram.' . . ; . ' ,
Qlede na toi da ima preceJ instrukeiJ :skupne \
zna6ilnosti» predvsem kar.se tifie dpstavlJan-
JH ocerondov oz. nJihovih adres> .smo celbten
nabor instrukciJ razdelili v 9 drup <8 iz':.
stsndardne^a naborar. eno Srup.o •, pa '.,M»TedBr '.;
tavlJaJo CIS instrukei Je.). . .^ " '''/''.'' • ':'.?'
Zaradi arupiranJa instrukciJ Je nalo3a DEKO- .
DIRNE LOGIKE dvoJna! prvlfit da za vsako in-'
strukciJo doloti pripadnost flrupi--; ter;'da
hkrati pripravi adreso . za eksekuciJski del.1.
mikroprpslra'nBir ki Je seved'a razlicen za vsako
instrukeiJo. Vsaki : arupi ustreza mikropro-.
.'flroffif ki'. z: vse instrukei Je ' v •' arupi iz.vaJa
Eikupno dpstavo bperandov oz. adres operah- .
dov., V tar.u izvaJanJa skupneaa ' •mikrop.rbsra-: '•;
mar d.r'uai del OEKODIRNE LOQIKE prirravi ek'se-

IS
strukciJi v in-
ekvencnik 2910
nui. Ob dostavi
> ki nosi adre-
la mikroprosra-
r i? poti k i p r i -
inatrukciJe v
tsl<o> da omodo-
arsmiranjem
or.. PROM. To
unJa novih spe-
kuciJsko 3ili'u'5Oi ki ustreza in
strukciJskem refiistru.
Krmi 1 jenJe vstopnn adrciso v o
Jo pod kcintrolo mikroprosra
ituvc* i [ist cuke i Ji? Je odr*rt. a pot
so Srucer ob koncu Gkupnesa do
m;:n k :i u'itr«23 Srut-i( pn so odp
relJe c k s e.'k u t: i Jsko adr^&o
ackvencnil .
DEKODIRNA LOGIKA Je :asnovana
i"*a <r.r ruintMiibe CM'ioa t a v n o :: r
rijt?nih i-oiiifi i 1 ri i h c?l eirienlov F'/iL.
Ju pomenbiio :: vidika install r
e i Js1n i h ins t. rukci J i
MIKROFROGRAMSKI KRMILNIK
Ha 1oaa kpmi 1nika <AM29]0) Jo aenoriranje nas-
lovs sa naslydnjo niik POinst pukci Jo.
M i I'., po f v o ri r a inc. k i n s s 1 o v se a 1 c de n a k rni i 1 na
inf oriii.nei Jo na I vhodih 2910 izbira med mi-
krop poaramskim Stevnikam» vsebino inikroskla-
da» vjobino pcmavl Jalrimls rcrJistra ali vsebi-
no na D vhodu. Na I) vhod so prikljuceni
tpiJe viri. Hkrati Je aktiven It1 edent osta-
la dva pa sta v visokoiBipodancnera stanJu.
hik roiv rod r.Mflir;k i naslcivr ki da Je aerie pi ra la
enota 2?10» Jc? noino spremeiiit i v skupni
tock.i vL'i*. ij i: odf-Ptin. kolektorJemi od katerih
se preko 3-stonJskeda vniesnika posreduje na
liaslnvno linije mikroproarausksSa pomnilnika
(MPP). ObotsJa tudi mehanizein nsslavlJanJa
inikt'op piij-j r.iiiiiikt'Ela pomni lnika n3 ta naiim da
so naalov vsili nepocrtdno na vhod MPPi brez
sode1ovanJa S(?kvi?ni!:rii!^a . fiohanistfni Je akti-
viran v naslednJih primerih!
- pri vklcipu napetosti se aktivira sianal
MPC 00 Lf kar ilia ;:ij posledico vsilitev
naslov,) 001 .na MPP (putina 2a POUER UP)
- ob r-oJavu CIS suspenziJe se vsili naslov
002 (putina za siacetok suscendi pane CIS
iri3trukci.jp>
•- (•adap Je pri ppenosih CPE-alavni pomnilnik
n3stopi1 a situnciJai ki zahteva paE11
si anal ABORT H prokine izvaJanJe-
mikrofpoarams in vsili naslov 000 in a
l.(.'i(i iriikroinst pukci Jo SERVICEr ki reaaira
iia pas t.
F'unkciJa PL-eelcktorJa Je izbira eneila izmed.
itirih virov. Izhod Je priklJufien neposredno
ria D vhod 2910 in Je onenoaofion le v tistih
iiii.krninstrukciJahi ppJ. katerih se izvaJs JMAP
inatrukciJa. Sulekt vhodi PL - selektorja so
krmiJvioni iifipos pedno iz pipeline peaistpa s
sidnalona PLfiO in PLS1» pri c>.'nit'i' velJa nas-
IednJc t abela!
dekoder
nasiova
eksekuclja
wired OR
loglka
vsiijevanje
(Uprogram.
nasiovov
•000,001.001)
TS
EXTJUA
na zunanji
I /uproor-amskl
} pomnilnik
TS
TS
mikroprogramski
pomnilnik
\
3-stanjski
vmesnlk
mlkropro-
gramskega
avtomata
pipeline register
krmlini signail
S1 i k a 2 ! M i k r o p r o H r o i« a k i k r m i 1 n i k
PL SI
0
0
1
1
PL SO
0
1
0
1
PL *
PL 1
PL
ALU
MODE
h TIP
NN
PL + MODE vhod upora'bljamo v primerihi ko
aelimo vefveJni skok aledc na nafin nas-
lavlJanJat' ki Je s instpukciJo vred dan v IR
r t a i s 1. r u.
2a CIS nabor Je rezerviran ve6vejrii skok
iilede na tif> strinaat ki aa dofiniraJo biti
l.'i>13 in 14 v deskriptor Ju > Le-ta se nahaj3
v roaistrih ALU-Ja in kadar :":oliiiia vecveJni
cikok dledii na tin- stpihtiai posredujenio ppipa--
daJo6 deskriPtor na IiB izhod ALU enote.
Siilcalo AL.UtiB12H» AL.UDB13H in ALUIiBUHr ki
do fini ra jo vrsto ztrifttiat uporabino na PL . so-
loktopjui tsko da :i EVOJO vrednostJo dolofajo
ci'icsa ii'iiiK/d iy iiniri naslovov v veSveJnem skoku.
Zs b r en-(ido Jn« in po<.-!oJfie veJitvo se celoten
12 tiltnj nsijlov iz pipeline re3istr3 posre-
dujii preko PL selektorja (uporablJen Je vhod
PI.). n;j D vlmd 29)0.
ALU NM vhod ce v standurdneot nabopu uporablja
^a iriicial insci Jo vsebine stevca iteraciJ v
2910. Nova vsiibina. ki se nahaja v ALU re-
iiistrui su preko DB izhoda PosreduJe na PL
suloktor in preko teaa na D vhod sekvencnika
ter ae z inst ruk-ci Jo LDCT vpise v stevec
itr.<rjciJ< y okviru CIS suspenzije Je mozno
iTeko tciid vhoda inic i3lizi rat i tudi mikrosk-
l.a.i :iii mi kfupi'oarsuski stevnik.
1'iki i vi piinje . dekodirne loaike na vhodu
sekveiiiniko omoaota JMAP instrukciJ3 takpJ 2a
Leiiit |;<i r.ij. Je nova makroinst rukci Ja Se vfisa-
la v .TR ro'Jister. Naslovi ki ao definira de-
kodiinr; Jtiaiko Je scstavlJen na fcledec nacin!

19
• 11 10 v'9 8 7. 6 5 4 3 2 1 0
•|0 0 0 0 I G R U PA 10 I ADRESNI NACIN '
••j ' " ''')'•:' '' ' . • '
Mikroproaraniski sekven6nik opravlJa PbSoJno
.veJitev v primeru. da se na I vhodih nahaJa
'• CJP instrukciJa - ter. da Je sianal CCEN
(DL/PL/ na loaifrni "0". VeJitveni haslov v
. tem primeru posreduJe PL selektor. veJitey pa
dobimo v primeru. ko se na CC vhodu 2910 PO-
Javi loaicna *0".
Skupna tocka veziJ z odprtiro kolektorJem omo-
aoca wired-or funkciJo in na-.ts. nacin daJe
moznost za- spreminJanJe. • mikroproaramskeaa
naslova. kar predstavlJa. dodatni veJitveni
mehanizem za realizaciJo aparaturnih posoJnih
veJitev. Ta mehanizem se aktivira s sianalom
BRANCH (DH/PL/ v primeru. da se ne izvaJa
JMAP instrukciJ3 na 2910. ampak sekvencnik
aeneriva. sodi veJitveni naslov z bfezpoaojno
iveJitveno funkciJo JMPBR. Kadar Je poaoJ
;izpolnJen se na ta nacin sodi naslov spremeni
v liheaa in s .tem se izvede aparaturna poaoJ-
!na veJitev. .
Hehanizem. aparaturne PoaoJne vejitve Je UPO-
ir3blJen tudi • pris aparaturno-mikroproaramski
realizaciJi veJitvenih makroinstrukciJ.
;Qb detekciJi suspenziJe se vsili koda CJS na
AM2910 ter '002' na mikroproaramski Pomnil-,
nik, Generirani sianal D SUS (1) L istbcasho;
zapre pot od kontrolerJa na mikroproaramski
/paroniInik. ter omoaoci izhodom iz PL reaistra
"Ne::t Address"» da Jih usmerimo na adresne
jvhode. mikroproaramskeaa pomnilnika. Taka PO-
vea3V3 ni ni6 druaeaa kot mikroproaramski
3vtoni3t in ta prevzame kontrolo nad shranJe-
vanJem triikroprotiramskeda stevca na mikrosklad
v AM2910. ' ..;•'-'. ."• '.••••
EnostavneJ4a variants ' suspenziJe nastopi . v
primeru 1/0 interrupt-a> zahtevneJsa pa ob
PFAIL interrupt-u. V prvem slu6aJu Je PO-
trebno shraniti le vsebino COUNT RED iz 2910
v ALU in. uPC na mikroproaramski sklad (uS-
TACK) v 2910. V druaem slucaJu Je polea teaa
.potrebno shraniti se celoten uSTACK iz 2910 v
ALU ter nato 5e vse reSistre iz ALU-Ja (64-)
na sklad (SP). SlednJe se izvede ob zadnJi
instrukciJi rutine za izpad .napetosti
(PFAIL). to Je v HALT instrukciJi'. ki Je v ta
n amen pri re Jena . .-'.''
RAZ§IRITEU NABORA INSTRUKCIJ
So tako bezen prealed arhitekture kaze na
•izr.eclno • fleksibilno.Et ' CPE . DELTA 16/
BIT-SLICE. Kot ilustraciJa naJ sluzi primer
nabora CIS (Commercial Instruction set). To
. :Je povsem nestandarden nsbor. ki se normalno
'i::vaJa na. posebn'em kopr.ocesorJu. Operandi v
tem naboru so strinai. bodisi znakoyni bodisi
PiumeriSni. OperaciJe pa so od pr.emikanJ
;s.triri£iovr iskanJ yzorcey do aritmeticnih. OP-
,erac-iJ nad numeritnimi st rinai doliine do 31 ,
Stevilk. . Vsi deli aparaturne opreme. ki so
bili vneSeni za podporo CIS habora. se lahko
s podobno udinkovitostJo koristiJo' pri reali-
iaciji poljubnih novih iristrukciJ. Pri tem
ni pcitrebnb spreitiinjati niti instrukciJskeaa
dekoderJa pod PoaoJem. ds si za svoJo makro-
anstrukciJo ^izposodimo" operaciJsko kodo ene
od CIS instrukciJ. Spremeni se le vsebina y
,HiikroprQar3mskem pomni lniku.
Mikrofroaram se rszviJa.s PomofJo MACRO META
ASSEMBLER-Ja. Za osnovo se yzame datoteko
DEFINITION FILE. ki. vsebuJe dolocene mnemo-
nike. ki so bili prireJeni posameznim
f unkci Jskim sklopom 3paraturrie OPT erne proce-
sorJs HELTA 16/ BIT-SLICE. Asembliran mikro-
proaram se nato avtomatsko nalozi v razvoJni
UC8 (Uritable Control Store), ki v Casu tes-
tiranJs simulirs mikroproarsmski pomnilnik.'
Po koncsnem testiranJu se mikrokoda vpifie v
hitre biPolarne PROH elemente. V konfiaura-
ciJi toreJr kakr^na Je trenutno. Je moino
uporabiti prostor v mikpoproaramskem p,oninil-
niku in sicer 0.25K oairoma 0.75K. odvisno
pac od teas ali se izbere PROMe 512X8 ali pa
•1024X8. Mikroproararo .za osnovni in-
strukciJski nabor zaseda priblizno 0.25K pom-
nilniskih lokaciJ. .
RA2SIRITEU U APARATURNI OPREMI
Povsem nove kvalitete bi pridobili s priklJu-
citviJo tretje plosce. ki bo ysebovalal 4 K
besed mikroproaramskeaa pomnilnika na osnavi
hitrih veziJ RAM <6as dostops 55n^»_hilr£
paralelni mnoiilnik 16X16 " <xzYa&JK' produkta'
50ns) in niz dodatnih resistrov. S takSno
konfiauraciJo se priblizamo zmoalJivostim
ARRAY procesorJev na podro6Ju hitreaa proce-
siranJa diaitalnih sianalov . (tiiditalni fil-
tri. spektralna anal iza. mateniaticne trans-
formaciJe. oianipulaciJe z matrikami» . inteare-
li. procesiranJe slik. razpoznavanje vzorcev
in tako dalJe). To so PodrocJa. kJer Je ra-
cunalnik izkbriSten v naJve6Ji moSni meri.
ZmoalJivosti sistema na osnovi procesne enote
DELTA 16/BIT-SLICE v taki konfiauraciJi in na
ten podrocJih so lahko nekaJkrat vecJe od
zmoalJivosti vecJih sistemov. ki opravlJaJo
ists dels na osnovi standardnih inetruciJ.
ZAKLJU6EK
Z vidika arhitekture ima CPE DELTA 16/
BIT-SLICE nekaJ znacilnih prednosti nap ram
enoti KtillEA sistema PDP 11/34;.
-uporabniku Je omoaocena realizaciJa novih
instukciJ oziroma.alaoritmov na mikropro-
aramski nacin
-rezinska Z3snova ALU enote ooioaoca modu-
la'rno, razSiritev reaisterskeaa niza
-mikroproaramski krmilnik omoso6a vpelJavo
mikroproaramskih subrutin
-na mikronivoju Je varsjen prekinitveni ine-
hanizein (suspenzi Ja). ki dovolJuJe reaular-
no prekinitev dalJsih mikroproaramskih se-
• kvenc . • •' . . ' '• '
,-doseze'na Je optimalna dolzina vsake mikro-
;. instrtjikciJe . • • . •
-aparaturna zasnova upoSteva vse possbnosti
I CIS habor3 • •.' •".'.'
jZaradi jvseh navedenih prednosti se Je bistve-
no povecala fleksibilnpst in uporabnost pro-
IcBsne 6note. Glavna odlika rezinskefla proce-
sorJa Je nJe^ova hitrost pri izvaJanJu ob-
:sefneJsih alaoritnov. na kar ie kaieJo neka-
tere primerJave. . .•
Natsntne meritve hitrosti 6e niso bile izve-
dene. . Rezultati teh meritev in primerjava z
enoto KD11EA bodo obJavlJeni y eni prihodnJih'
-...stevilk.. •.'•'•. ( •.'.'•••: