55. Принцип микропрограммного управления. Операционный и управляющий автоматы, их взаимодействие.

Для выполнения операций над данными используются операционные устройства – процессоры, каналы ввода-вывода, контроллеры внешних устройств и т.д. Процессор выбирает поочередно команды, дешифрирует их коды операций, выполняет заданные операции и записывает результаты. Команды ввода-вывода направляются процессором в систему ввода-вывода: в систему с программно управляемым интерфейсом, т.е. в контроллеры внешних устройств, в контроллеры общей шины и в каналы ввода-вывода, а через них – в контроллеры внешних устройств компьютера. Важно понимать, что все указанные устройства строятся на основе сверхбольших интегральных схем и выполняют заданные наборы операций. Поэтому все классы устройств, построенные на основе сверхбольших интегральных схем, объединены в один класс устройств – операционных устройств компьютера. Разница между операционными устройствами – процессорами, каналами ввода-вывода, контроллерами внешних устройств, основана в первую очередь на различии функций этих устройств.

Функцией операционного устройства является выполнение заданного множества операций F = {f₁, …, f_G} над входными словами D = {d₁, …,d_H} с целью вычисления слов R = {r₁, …,r_Q}, представляющих результаты операций R = f_g(D), g = 1, …,G. Функциональная и структурная организация операционных устройств, определяющая порядок функционирования и структуру устройств, базируется на принципе микропрограммного управления, который состоит в следующем.

1. Любая операция f_g, g = 1, …,G, реализуемая устройством, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий над словами данных, называемых микрооперациями.

2. Для управления порядком следования микроопераций используются логические условия, которые в зависимости от значений слов, преобразуемых микрооперациями, принимают значения 1 или 0, т.е. «истина» или «ложь».

3. Процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий и называемого микропрограммой. Микропрограмма определяет порядок проверки значений логических условий и следования микроопераций, необходимых для получения требуемых результатов.

4. Микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяется структура и порядок функционирования устройства во времени.

Сказанное можно рассматривать как содержательное описание принципа микропрограммного управления, из которого следует, что структура и порядок функционирования операционных устройств предопределяется алгоритмами выполнения операций F = {f₁, …, f_G}. Схемные решения операционного устройства могут быть различны, но во всех случаях точка зрения на процесс функционирования устройства как процесс реализации микроопераций и проверки логический условий, предопределяемый микропрограммой, является результативной, поскольку позволяет упорядочить и формализовать проектирование операционных устройств различного назначения.

Концепция операционного и управляющего автоматов. В функциональном и структурном отношении операционное устройство разделяется на две части: операционный и управляющий автоматы (рис.). Операционный автомат служит для хранения слов данных, выполнения набора микроопераций и вычисления значений логических условий, т.е. операционный автомат является структурой, организованной для выполнения действий над данными. Микрооперации, реализуемые операционным автоматом, инициируются множеством управляющих сигналов Y = {y₁, …,y_M}, с каждым из которых отождествляется о пределенная микрооперация. Значения логических условий, вычисляемые в операционном автомате, отображаются множеством осведомительных сигналов X = {x₁, …, x_L}, каждый из которых отождествляется с определенным логическим условием. Управляющий автомат генерирует последовательность управляющих сигналов, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий. Иначе говоря, управляющий автомат задает порядок выполнения действий в операционном автомате, вытекающий из алгоритма выполнения операций. Наименование операции, которую необходимо выполнить в устройстве, определяется кодом g операции. По отношению к управляющему автомату сигналы g₁,…,g_H, посредством которых кодируется наименование операции, и осведомительные сигналы x₁, …,x_L, формируемые в операционном автомате, играют одинаковую роль: они влияют на порядок выработки управляющих сигналов Y. Поэтому сигналы g₁, …,g_H и x₁, …,x_L, относятся к одному классу – к классу осведомительных сигналов, поступающих на вход управляющего автомата.

Таким образом, любое операционное устройство – процессор, канал ввода - вывода, контроллер внешнего устройства, является композицией операционного и управляющего автоматов. Операционный автомат, реализуя действия над словами данных, является исполнительной частью устройства, работой которого управляет управляющий автомат, генерирующий необходимые последовательности управляющих сигналов.