3.1. Принцип микропрограммного управления

Управляющий или микропрограммный автомат является частью операционного устройства (подразд. 1.2). Существует два основных подхода к реализации управляющих автоматов (УА). В соответствии с этим УА подразделяются на УА с жесткой логикой и УА с программируемой логикой. Последние называют также микропрограммными устройствами управления (МУУ) или блоками микропрограммного управления (БМУ).

Для УА с жесткой логикой характерно, что относительно каждой команды процессора имеется набор комбинационных и запоминающих элементов, которые в нужных тактах возбуждают необходимые управляющие сигналы . Микропрограмма в таком автомате хранится за счет фиксированной системы связи между элементами. Введение новой операции или модификация старой требует изменения всей схемы автомата. Методы проектирования УА с жесткой логикой относятся к специальной курсовой работе, поэтому здесь не рассматриваются.

Микропрограммный принцип управления ЦВМ заключается в том, что каждой МО или группе МО, выполняемых OA, ставится в соответствие управляющее слово, называемое микрокомандой (МК). Микрокоманда задает подмножество сигналов инициирующих выполнение МО и 0А, и определяет порядок функционирования операционных устройств (ОУ) ЦВМ в течение одного такта (микроцикла). Алгоритм, записанный в терминах МК, называется микропрограммой (ДО), а память ЦВМ, используемая для хранения МК и МП - управляющей (УП) или микропрограммной (МГЦ) памятью. В качестве МПП используются, как правило, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), а также программируемые ПЗУ и реже ПЛМ.

МУУ является частным случаем операционного устройства. Структурная схема МУУ показана на рис.3.1.

В каждом такте из МПП на регистр RGMK выбирается очередная МК. В общем случае МК (рис.3.2) состоит из трех зон - операционной, адресной и зоны служебных разрядов.

Операционная зона (ОЗ) МК в закодированном виде содержит информацию о микрооперациях, которые необходимо выполнить в данном такте. Ее содержимое подается на схему формирования управляющих сигналов УА. Полученный в результате набор инициирует в OA соответствующие МО.

Адресная зона (A3) МК содержит информацию, необходимую для формирования адреса следующей МК и подается на схему генерации адреса. Адрес следующей МК формируется в зависимости от содержания A3 и значения осведомительных сигналов поступающих из OA, и помещается в RGA. По этому адресу при поступлении сигнала от блока синхронизации будет выбрана из МПП на RGMK очередная МК.

Зона служебных разрядов обычно содержит информацию, необходимую для управления узлами и блоками, специфичными для разных типов ЦВМ.

Микропрограммные устройства управления позволяют изменением микропрограммы в МПП изменять последовательность управляющих сигналов без изменения структуры автомата. По этой причине процесс проектирования МУУ состоит из микропрограммирования и приемлемого размещения МП в МПП. Микропрограммирование в свою очередь заключается в формировании упорядоченного списка МК для принятого способа адресации элементов списка.

Переход от граф-схемы алгоритма (ГСА) к списочной форме выполняется в несколько этапов. На этапе I осуществляется выделение в ГСА фрагментов, соответствующих элементов списка, т.е. фрагментов, эквивалентных одной МК (с учетом заданного типа, формата МК и способа адресации). На этапе 2 производится микропрограммирование

в условных адресах. На этапе 3 происходит замена условных адресов действительными (физическими).

З.2. Способы организации МУУ

Микропрограммные устройства управления можно различать по способу организации управляющей памяти, по методу кодирования ОЗ МК и по типу адресации МК.

Наибольшее распространение получили следующие способы логической организации МПП.

1. Каждое слово МПП содержит одну МК (рис.3.3). В этом случае быстродействие МУУ является минимальным, так как в каждом такте его работы происходит обращение к МПП.

2. Одно слово МПП содержит несколько МК (рис.3.4). Параллельное (одновременное) считывание из МПП нескольких МК позволяет в этом случае повысить быстродействие процессора, особенно при реализации МП с большим числом линейных участков.

По методу кодирования операционной зоны МК различают вертикальное, горизонтальное и смешанное кодирование [6]. Выбор метода кодирования ОЗ МК определяется системой команд процессора, структурной организацией ЦВМ, а также требованиями к быстродействию и стоимости.

Микрокоманды с вертикальным кодированием ОЗ (вертикальные МК) имеют формат, показанный на рис.3.5. Поле кода МО в разрядах (I - m) МК определяет только одну МО из множества возможных. Если У={у₁,…,у_M} - множество управляющих сигналов, вырабатываемых МУУ, то для представления всех микроопераций требуется выделить m=]log₂ M[ двоичных разрядов в ОЗ вертикальной МК. Обычно разрядность N вертикальных МК составляет N = 8-24 бит. Поскольку в каждом такте работы ОУ выполняется только одна МО, заданная в поле кода вертикальной МК, требуется дешифратор МО (рис.3.5).

Микрокоманды с горизонтальным кодированием ОЗ (горизонтальные МК) имеют формат, показанный на рис.3.6. Разрядность ОЗ горизонтальной МК равна m = М, где М - общее число МО, выполняемых OA. В таких МК единичному значению i-го разряда ОЗ соответствует управляющий сигнал y_i Y, инициирующий МО независимо от содержания других разрядов ОЗ.

Если в i-м разряде записывается 0, то y_i не инициируется и МО не выполняется. Горизонтальная МК позволяет максимально распараллелить процесс вычислений, однако из-за большого набора МО (от нескольких десятков до сотен) требует большой разрядности МПП. Обычно разрядность горизонтальных МК составляет N= 60 - 360 бит.

С целью устранения основных недостатков, присущих вертикальным и горизонтальным МК, используют смешанное кодирование. Микрокоманды с таким типом кодирования ОЗ называют диагональным. Формат диагональной МК показан на рис.3.7.

Здесь Y₁,…, Y_H - поля ОЗ, определяющие код МО. В каждом поле кодируется r = 2^m МО. Если у_i = 0 для всех разрядов поляY_i (Y_i = 0), то поле не возбуждает ни одной МО. Кодирование МО в Y₁, …, Y_H диагональных МК осуществляется таким образом, чтобы для любого набора управляющих сигналов y_α Y₁, y_β Y₂, …, y_γ Y_H микрооперации MO_α, МО_β,…, МО_γ могли бы выполняться в OA параллельно, как это имеет место при горизонтальных МК. Следовательно, диагональная МК может инициировать до Н микроопераций в одном такте OA, обычно Н = 2 - 10. Длина ОЗ диагональной МК равна mН , при этом mH<M, и требуемая разрядность МПП меньше, чем для горизонтального микропрограммирования.

Если OA синтезируется на основе принципа обобществления МО (подразд.2.5), то необходимы диагональные МК (рис.3.8), имеющие четыре поля А, В, φ,С ОЗ МК. Поля А и В определяют адрес регистра, источника операнда данной МО. Поле φ определяет код МО, выполняемой комбинационной схемой OA. Если А = 0 (или В = 0), то МО, заданная полем φ, является унарной; если А = 0 и В = 0, то МО является нуль-арной. Поле С МК определяет адрес регистра-приемника результата выполнения данной МО.

Совокупность МК в МПП образует массив МК [О:Р] , в котором отдельные МК выделяются посредством адреса, равного номеру О, I,..., Р элемента массива. Способ адресации МК задает правило определения адреса следующей МК по информации, указанной в AЗ МК. В МУУ используются четыре основных способа адресации: принудительная адресация полным значением прямого адреса; естественная (последовательная) адресация инкрементированием адреса текущей МК; страничная адресация и ортогональная система адресации МК.

В общем случае структура полей адресной зоны МК показана на рис.3.9.

В конкретных структурах МУУ некоторые поля АЗ МК могут отсутствовать.

Принудительная адресация заключается в том, что следующая МК выбирается по адресу, содержащемуся в по­ле адреса перехода RGMК. Этот переход может осуществляться безусловно, т.е. независимо от значения осведомительного сигнала х_i Х, либо формироваться исходя из текущего значения х_i.

Последовательная (естественная) адресация осуществляется по микропрограммному счетчику (CTMК), который находится в МУУ. Если содержимое СТМК соответствует адресу текущей (выполняемой в данном микроцикле) МК, то следующая МК выбирается из МПП с адресом СТМК + 1.

Принудительная и естественная адресация являются основными методами формирования исполнительного адреса обращения в МПП. Страничная и ортогональная адресация образуются комбинацией последних.

Страничной адресацией МК называется независимая модификация старших разрядов адреса МПП, т.е. адреса страницы. Этот метод адресации базируется на обычных принципах страничной организации памяти, при которой значения старших битов содержимого регистре адреса МК фиксируется и не меняется в течение ряда микроциклов, а значения младших битов, определяющих смещение адресуемой МК относительно начала страницы, задаются в адресной зоне (поле адреса перехода) текущей МК и фиксируются только в течение данного микроцикла. Так как значения старших битов адреса не меняются, если адресуемые МК находятся в пределах страницы, то существенно уменьшается общее количество битов, представляющих адрес следующей МК, т.а. уменьшается разрядность A3 МК. В пределах страницы адресация МК может быть как принудительной, так и последовательной.

Адрес следующей МК может выбираться из поля адреса перехода МК (принудительная адресация), и из СТМК (последовательная адресация). Кроме того, адрес МК может поступать из других источников, к числу которых относятся: стек микропрограмм, преобразователь кода команды. Если в схеме МУУ на RGA МПП в каждом микроцикле может подаваться адрес любого из перечисленных источников, то такая схема адресации (выбора исполнительного адреса следующей МК) называется ортогональной [7].