Устройство управления

Устройство управления вычислительной машины реализует функции управления ходом вычислительного процесса, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы. Процесс выполнения программы в ВМ представляет собой последовательность машинных циклов. Детализируем основные целевые функции (ЦФ), реализуемые устройством управления в ходе типового машинного цикла:

1) Первым этапом в машинном цикле является выборка команды из памяти (этап ВК). Соответственно целевая функция этого этапа ЦФ-ВК. Далее следует этап декодирования операционной части (кода операции). Для простоты будем рассматривать этот этап в качестве составной части этапа ВК.

2) Этапу формирования адреса следующей команды (ФАСК), соответствует целевая функция ЦФ-ФАСК.

3) Далее следует этап формирования исполнительного адреса операнда или адреса перехода (этап ФИА), на котором УУ реализует функцию ЦФ-ФИА. Функция имеет столько модификаций, сколько способов адресации предусмотрено в системе команд ВМ.

4) На четвертом этапе реализуется целевая функция выборки операнда (ЦФ-ВО) из памяти по исполнительному адресу, сформированному на предыдущем этапе.

5) На последнем этапе машинного цикла действия задаются целевой функцией исполнения операции - ЦФ-ИО. Очевидно, что количество модификаций ЦФ-ИО равно количеству операций, имеющихся в системе команд ВМ.

Для выполнения своих функций УУ должно иметь входы, позволяющие определить состояние управляемой системы, и выходы, через которые реализуется управление поведением системы. Модель УУ показана на рис. 4.51.

Рис. 4.51. Модель УУ

Входной информацией для устройства управления служат:

тактовые импульсы - с каждым тактовым импульсом УУ инициирует выполнение одной или нескольких микроопераций;

код операции - код операции текущей команды поступает из регистра команды и используется, чтобы определить, какие микрооперации должны выполняться в течение машинного цикла;

флаги - требуются устройству управления для оценки состояния процессора и результата предшествующей операции, что необходимо при выполнении команд условного перехода;

сигналы из системной шины - часть сигналов с системной шины, обеспечивающая передачу в УУ запросов прерывания, подтверждений и т. п.

В свою очередь, УУ, а точнее микропрограммный автомат, формирует следующую выходную информацию:

внутренние сигналы управления - эти сигналы воздействуют на внутренние схемы центрального процессора и относятся к одному из двух типов: тем, которые вызывают перемещение данных из регистра в регистр, и тем, что инициируют определенные функции операционного устройства ВМ;

сигналы в системную шину - также относятся к одному из двух типов: управляющие сигналы в память и управляющие сигналы в модули ввода/вывода.

Процесс функционирования ВМ состоит из последовательности элементарных действий в ее узлах. Такие элементарные преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО). Совокупность сигналов управления, вызывающих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду (МК). В свою очередь, последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок реализации машинного цикла, принято называть микропрограммой. Сигналы управления вырабатываются устройством управления, а точнее одним из его узлов - микропрограммным автоматом (МПА). Название отражает то, что МПА определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций.

Микропрограммы реализации перечисленных ранее целевых функций инициируются задающим оборудованием, которое вырабатывает требуемую последовательность сигналов управления и входит в состав управляющей части УУ.

Выполняются микропрограммы исполнительным оборудованием, входящим в состав основной памяти (для ЦФ-ВК и ЦФ-ВО) и операционного устройства (для ЦФ-ИО) Исполнительным оборудованием для ЦФ-СК, ЦФ-ФИА служит адресная часть УУ. Обобщенная структура УУ приведена на рис 4.52.

Рис. 4.52. Обобщенная структура УУ

Управляющая часть УУ предназначена для координирования работы операционного блока ВМ, адресной части устройства управления, основной памяти и других узлов ВМ. В состав управляющей части УУ входят:

· регистр команды (РК), состоящий из адресной (Адрес) и операционной (КОп, СА) частей;

· микропрограммный автомат (МПА);

· узел прерываний и приоритетов (УПП).

Регистр команды предназначен для приема очередной команды из запоминающего устройства.

Микропрограммный автомат на основании результатов расшифровки операционной части команды (КОп, СА) вырабатывает определенную последовательность микрокоманд, вызывающих выполнение всех целевых функций УУ.

Узел прерываний и приоритетов позволяет реагировать на различные ситуации, связанные как с выполнением рабочих программ, так и с состоянием ВМ.

Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной памяти. Адресная часть УУ включает в себя:

· операционный узел устройства управления (ОПУУ);

· регистр адреса (РгА);

· счетчик команд (СК).

Регистр адреса используется для хранения исполнительных адресов операндов, а счетчик команд - для выработки и хранения адресов команд. Содержимое РгА и СК посылается в регистр адреса основной памяти (ОП) для выборки операндов и команд соответственно.

ОПУУ обрабатывает адресные части команд, формируя исполнительные адреса операндов, а также подготавливает адрес следующей команды при выполнении команд перехода. Состав ОПУУ может быть аналогичен составу основного операционного устройства ВМ (иногда в простейших ВМ с целью экономии затрат на оборудование ОПУУ совмещается с основным операционным устройством).

В состав УУ могут также входить дополнительные узлы, в частности узел организации прямого доступа к памяти. Этот узел обычно реализуется в виде самостоятельного устройства - контроллера прямого доступа к памяти (КПДП). КПДП обеспечивает совмещение во времени работы операционного устройства с процессом обмена информацией между ОП и другими устройствами ВМ, тем самым повышая общую производительность машины.

Довольно часто регистры различных узлов УУ объединяют в отдельный узел управляющих (специальных) регистров устройства управления.

Все множество технологий, используемых при реализации микропрограммных автоматов устройств управления, можно свести к двум категориям:

· МПА с «жесткой» логикой или аппаратурной реализацией;

· МПА с программируемой логикой.

Выходные сигналы управления МПА с «жесткой» логикой реализуются за счет однажды соединенных между собой логических схем. Типичная структура такого микропрограммного автомата показана на рис. 4.53.

Рис. 4.53. МПА с «жесткой» логикой

Код операции, хранящийся в РК, используется для определения того, какие СУ и в какой последовательности должны формироваться, при этом, с целью упрощения логики управления, желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции (I₀,I₁,…,I_k). Это может быть реализовано с помощью дешифратора. Дешифратор кода операции преобразует код j -й операции, поступающей из регистра команды (РК), в единичный сигнал на j -м выходе.

Машинный цикл выполнения любой команды состоит из нескольких тактов. Сигналы управления, по которым выполняется каждая микрооперация, должны вырабатываться в строго определенные моменты времени, поэтому все СУ «привязаны» к импульсам синхронизации (СИ), формируемым узлом синхроимпульсов. Период СИ должен быть достаточным для того, чтобы сигналы успели распространиться по трактам данных и другим цепям. Каждый СУ ассоциируется с одним из тактовых периодов в рамках машинного цикла. Формирование сигналов, отмечающих начало очередного тактового периода, возлагается на синхронизатор. Синхронизатор содержит счетчик тактов, осуществляющий подсчет СИ. Узел синхроимпульсов после завершения очередного такта работы добавляет к содержимому счетчика тактов единицу. К выходам счетчика подключен дешифратор тактов, с которого и снимаются сигналы тактовых периодов: Т₁, Т₂,..., Т_n. В i -м состоянии счетчика тактов, то есть во время i -го такта, дешифратор тактов вырабатывает единичный сигнал на своем i -м выходе. При такой организации в УУ должна быть предусмотрена обратная связь, с помощью которой по окончании цикла команды счетчик тактов опять устанавливается в состояние Т₁.

Дополнительным фактором, влияющим на последовательность формирования СУ, являются состояние осведомительных сигналов (флагов), отражающих ход вычислений, и сигналы с шины управления. Эта информация также поступает на вход УУ, причем каждая линия здесь рассматривается независимо от остальных.

При реализации простой системы команд узлы МПА с «жестокой» логикой экономичны и позволяют обеспечить наибольшее быстродействие из всех возможных методов построения МПА. Однако с возрастанием сложности системы команд соответственно усложняются и схемы автоматов с «жесткой» логикой, в результате чего уменьшается их быстродействие. Второй недостаток МПА с «жесткой» логикой - малая регулярность, а следовательно, и большие трудности при размещении УУ такого типа на кристалле интегральной микросхемы.

Отличительной особенностью МПА с программируемой логикой является хранение микрокоманд в виде кодов в специализированном запоминающем устройстве - памяти микропрограмм. Каждой команде ВМ в этом ЗУ в явной форме соответствует микропрограмма, поэтому часто устройства управления, в состав которых входит микропрограммный автомат с программируемой логикой, называют микропрограммными.

Типичная структура микропрограммного автомата представлена на рис. 4.54. В составе узла присутствуют:

· память микропрограмм (ПМП);

· регистр адреса микрокоманды (РАМ);

· регистр микрокоманды (РМК);

· дешифратор микрокоманд (ДшМК);

· преобразователь кода операции;

· формирователь адреса следующей микрокоманды (ФАСМ);

· формирователь синхроимпульсов (ФСИ).

Рис. 4.54. МПА с программируемой логикой

Запуск микропрограммы выполнения операции осуществляется путем передачи кода операции из РК на вход преобразователя, в котором код операции преобразуется в начальный (первый) адрес микропрограммы А_н. Этот адрес поступает через ФАСМ в регистр адреса микрокоманды. Выбранная по адресу А_н из ПМП микрокоманда заносится в РМК. Каждая микрокоманда в общем случае содержит микрооперационную (МО) и адресную (А) части. Микрооперационная часть микрокоманды поступает на дешифратор микрокоманды, на выходе которого образуются управляющие сигналы С_i инициирующие выполнение микроопераций в исполнительных устройствах и узлах ВМ. Адресная часть микрокоманды подается в ФАСМ, где формируется адрес следующей микрокоманды А_мк. Этот адрес может зависеть от адреса на выходе преобразователя кода операции А_н адресной части текущей микрокоманды А и значений осведомительных сигналов (флагов) X, поступающих от исполнительных устройств. Сформированный адрес микрокоманды снова записывается в РАМ, и процесс повторяется до окончания микропрограммы.

МПА с программируемой логикой практически полностью устраняет недостатки присущие МПА с «жесткой» логикой (малая регулярность и снижение быстродействия при усложнении системы команд). Фактически начиная с IBM 360, устройства управления с программируемой логикой превалируют в процессорах ВМ.

Поиск по сайту: