3.4. Устройства управления процессора

3.4.1. Классификация уу

Устройство управления (УУ) управляет работой процессора, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы. Выполнение команды процессором представляет собой последовательность следующих действий (иногда называемых машинными циклами):

- выборка команды из памяти и ее декодирование (дешифрация кода операции);

- формирование адреса следующей команды;

- формирование исполнительного адреса операнда и выборка его из памяти;

- исполнение операции и запись результата в память.

Для выполнения каждого машинного цикла необходим ряд управляющих сигналов, формируемых устройством управления.

В зависимости от способа формирования управляющих сигналов различают два основных типа УУ:

- аппаратные (с жесткой или схемной логикой);

- микропрограммные (с хранимой в памяти логикой).

В аппаратных УУ для каждой операции, задаваемой кодом операции команды, строится набор схем, которые в нужных тактах формируют соответствующие управляющие сигналы.

В УУ с микропрограммным управлением каждой операции соответствует набор микрокоманд, хранимых в памяти микрокоманд. Каждая микрокоманда несет информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение машинного такта и указания, какая микрокоманда должна быть выбрана из памяти следующей. Последовательность микрокоманд, выполняющая одну машинную команду или некоторую процедуру, образует микропрограмму.

3.4.2. Аппаратные уу

Управляющие устройства с жесткой логикой представляют собой логические схемы, вырабатывающие распределенные во времени управляющие сигналы. В отличие от управляющих устройств с хранимой в памяти логикой в аппаратных УУ нельзя изменить логику работы без изменения их схемы. Типичная структурная схема управляемого автомата с жесткой логикой показана на рисунке 3.2. Её можно рассматривать в качестве автомата с конечным числом состояний (конечный автомат), который на каждом такте

Рис. 3.2. Схема блока формирования сигналов управления

переходит из одного состояния в другое, определяемое содержи­мым регистра команды, кодами условий и внешними сигналами. Выходами такого автомата являются управляющие сигналы. Формируемая им последовательность операций задается физическими связями между логическими элементами.

В состав схемы входят регистр кода операции, являющейся частью регистра команд процессора, счетчик тактов, дешифратор тактов и дешифратор кода операции (Дешифратор КОП), а также логические схемы формирования управляющих сигналов. На счетчик тактов поступают сигналы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Состояние счетчика представляют собой номера тактов, изменяющие от 1 до m. Дешифратор тактов формирует на i-м выходе единичный сигнал при i-м состоянии счетчика тактов, т.е. во время i-го такта.

3.4.3. Микропрограммные уу

Альтернативой аппаратного способа реализации УУ является микро­программное управление, согласно которому сигналы генерируются программой, подобной программе, написанной на машинном языке для ЭВМ. Этот принципиально иной подход был предложен английским ученым М. Уилксом в начале 50-х годов. Его называют принципом микропрограммного управления. Он позволяет преодолеть сложности реализации УУ с жесткой логикой. В основу принципа микропрограммного управления заложен тот факт, что каждой машинной команде соответствует уникаль­ный код, называемый микрокомандой. Последовательность микрокоманд, реализующих машинную команду, образует микропрограмму. Микропрограммы размещаются в специальной управляющей памяти, называемой памятью микропрограмм. Выполнение команд в процессоре реализуется путем последовательного извлечения микрокоманд из памяти микропрограмм с последующей их дешифрацией для формирования управляющих сигналов, необходимых при выполнении конкретной команды.

Структура блока микропрограммного управления (БМУ) с принудительной адресацией микрокоманд (МК) приведена на рис. 3.3. В состав БМУ входят память микрокоманд (ПМК), регистр адреса микрокоманд (РАМК), регистр микрокоманд (РМК), дешифратор микроопераций (ДшМО), генератор тактовых сигналов (ГТС).

Код операции (КОП) поступает из ОП системы на регистр кода операции (РКОП), который задает начальный адрес микропрограммы. Адрес микропрограммы формируется устройством формирования адреса МК (УФАМК) и хранится в РАМК. По этому адресу из памяти микрокоманд (ПМК) БМУ считывается микрокоманда и фиксируется в регистре МК (РМК).

Микрокоманда содержит два основных поля:

Код микрооперации (КМО)

Адрес следующей МК (АСМК)

КМО дешифрируется и преобразуется в набор сигналов y₁…y_m, управляющих функционированием процессора. Поле адреса следующей микрокоманды заносится в УФАМК, в результате чего производится выборка следующей МК.

Рис. 3.3. - Структура БМУ с принудительной адресацией МК