Лекция 6 (с) Устройство управления
Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих сигналов. Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенная для выработки этой последовательности, называется устройством управления.
Любое действие, выполняемое в операционном блоке, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за один или несколько тактов. Элементарная функциональная операция, выполняемая за один тактовый интервал и приводимая в действие управляющим сигналом, называется микрооперацией. Совокупность микроопераций, выполняемых в одном такте, называется микрокомандой (МК). Микрокоманды, предназначенные для выполнения некоторой функционально законченной последовательности действий, образуют микропрограмму. Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит преобразование кодов в АЛУ, а также операции по записи и чтению данных в/из запоминающего устройства.
Устройства управления делятся на:
УУ с жесткой, или схемной логикой;
УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).
В устройствах управления первого типа для каждой команды, задаваемой кодом операции, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах вырабатывают необходимые управляющие сигналы. В микропрограммных УУ каждой команде ставится в соответствие совокупность хранимых в специальной памяти слов - микрокоманд. Каждая из микрокоманд содержит информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в данном такте, и указание, какое слово должно быть выбрано из памяти в следующем такте. Микропрограммное устройство управления представлено на рисунке 6.5. Преобразователь адреса микрокоманды преобразует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а также определяет адрес следующей микрокоманды выполняемой микропрограммы по значению адресной части текущей микрокоманды.
Рис. 6.5 Функциональная
схема микропрограммного устройства
управления
Предположим, что выполняется операция умножения и начальный адрес микропрограммы равен 300, количество разрядов множителя равно 2, а адресная часть микрокоманды содержит адрес микрокоманды, которая должна быть выбрана в следующем такте. В последней микрокоманде в регистр команд загрузится очередная команда, код операции которой определит начальный адрес очередной микропрограммы. В реальных микропрограммных устройствах управления формирование адреса следующей микрокоманды проводится более сложным образом, учитывающим возможности ветвлений и циклического повторения отдельных фрагментов микропрограмм.
Таблица 6.1 Микропрограмма выполнения операции умножения |
||||||||
Адрес МК |
УС1 |
УС2 |
УС3 |
УС4 |
УС5 |
УС6 |
Сигнал записи в РК |
Адрес следующей МК |
300 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
301 |
301 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
302 |
302 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
303 |
303 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
304 |
304 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Х |
Устройство управления, реализованное по микропрограммному принципу, может легко настраиваться на возможные изменения в операционной части ЭВМ. При этом настройка во многом сводится лишь к замене микропрограммной памяти. Однако УУ этого типа обладают худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.
ПЗУ микропрограмм - хранит в своих ячейках коды об управляющих сигналах (импульсах), необходимые для выполнения обработки данных. Эти коды, по выбранному дешифратором кодом операции, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) - устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти.
Схема взаимодействия ОУ и ПЗУ устройства управления
Итак, вспомним основную схему функционирования операционного устройства – ОУ. В составе любого процессора имеется специальный регистр – счетчик команд. После выполнения очередной команды его содержимое увеличивается на единицу если код одной команды занимает несколько ячеек памяти, то содержимое счетчика увеличивается на длину команды). Существуют специальные команды (передачи управления), которые модифицируют содержимое счетчика, обеспечивая переходы по программе. В оперативной памяти – ОП (иногда говорят в основной памяти, системной памяти) находится наша программа, которая начинается с некоторого адреса (этот адрес находится в счетчике команд), соответствующего имени программы. Она представляет собой совокупность ассемблерных команд (имеется в виду, что программа оттранслирована). Пусть в теле общей программы есть фрагмент сложения двух операндов в формате двухадресной команды:
A [A] + [B]
Или Add A,B
Move C, A
ОП УУ
Instructions -------------------- 300
Add A, B
301
Move C, A 303
--------------------
Data --------А------------ --------В------------
ПЗУ
Адрес 1ой
мк
01
02
03 такты
син-ции
07
Таким образом, имя нашей микропрограммы – это начальный адрес в ОП, код операции КОП ассемблерной команды – это начальный адрес некоторой последовательности микрокоманд машинного кода, защитой в ПЗУ устройства управления УУ.