УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ПРЕДМЕТУ «СиФО ЭВМ»

141

Вопросы для самопроверки.

1.За счет чего можно повысить быстродействие процессоров?

2.Охарактеризуйте процессор с разнесенной архитектурой.

3.Что такое открытая система?

4.Охарактеризуйте суперскалярный процессор.

5.Дайте характеристику микропроцессора P6 INTEL.

6.Приведите принцип микропрограммного управления.

7.Приведите структуру операционных устройств.

8.Какова классификация операционных автоматов?

9.Приведите принципы организации операционного автомата.

10.Приведите интерфейсы микропроцессорных устройств и систем.

142

Модуль 5.

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭВМ

Цель модуля: изучение студентами устройств управления, управляющих автоматов их структуры и функции.

Врезультате изучения модуля студенты должны знать:

¾организацию управляющих автоматов с жесткой и программируемой логикой;

¾характеристики устройств управления.

Содержание модуля:

5.1 Организация управляющего автомата 5.1.1 Организация управляющего автомата с программируемой логикой

управления.

5.1.2 Укрупненная структура управляющего автомата с программируемой логикой.

5.1.3 Управляющие автоматы с жесткой логикой управления.

5.2 Сравнение характеристик управляющих автоматов с программируемой и жесткой логикой.

При построении УА используются два основных способа: 1) схемная (‘жёсткая’) логика управления и программируемая (‘мягкая’) логика управления.

5.1.Организация управляющего автомата

5.1.1.Организация управляющего автомата с программируемой логикой управления

ОУ работает во времени тактами. В каждом такте ОА может выполнить одну или несколько совместимых МО. Для этого УА должен вырабатывать в каждом такте один или несколько управляющих сигналов (импульсов). Например:

такт i – y1,

такт i+1 – y2, y5, y6, такт i+2 – y2, y7, y8.

Очевидный способ формирования управляющих сигналов состоит в следующем: набору сигналов y1, y2, ..., yМ (одна из функций ОА) ставится в соответствие слово Y= y1, y2, ..., yМ, в котором каждой МО, которая должна выполнятся в данном такте, ставится в соответствие единица, если нет – то ноль, т.е. производится унитарное кодирование МО. Пример: М=8, такт i+1, y2 = y5 = y6 =1, остальные нули. Это слово используется для управления

143

(элементами И): 1 – элемент И открыт для прохождения импульса с ГТИ, 0 – закрыт (рисунок 5.1).

Чтобы в следующем такте можно было вырабатывать другие сигналы, достаточно сменить слово Y на входе этой схемы.

Двоичный код Y, на основе которого вырабатываются управляющие сигналы, естественно называют управляющим словом или микрокомандой (МК). Алгоритм операции fgєF, описанный в терминах МК, называют микропрограммой. Для хранения микропрограммы естественно использовать ПЗУ. Из ПЗУ МК извлекаются поочерёдно и используются для выработки управляющих сигналов ym.

Рис.5.1. – Схема формирования управляющих сигналов

Идея формирования управляющих сигналов на основе МК, извлекаемых из ПЗУ, принадлежит англичанину Уилксу. УА, построенный в соответствии с идеей Уилкса, и называется УА с программируемой логикой (ПЛ) управления. Со времени своего рождения (начало 50-х годов) идея Уилкса претерпела значительные изменения, усовершенствования (эволюцию).

Усовершенствования вызваны следующими обстоятельствами: при большом числе управляющих сигналов (М – десятки, сотни) использование идеи Уилкса, т.е. унитарного кодирования МО, ведёт к большой длине МК и, следовательно, к большой ёмкости ПЗУ для хранения МП.

В связи с этим встаёт естественная задача сокращения длины МК. Самый простой способ сокращения длины МК – использование позиционного кода вместо унитарного: т.н. позиционное кодирование МО. Пример: М=8, y5=1, остальные сигналы равны нулю (рисунок 5.2). Пусть y5 кодируется кодом 5=101.

Рис.5.2.– Способ сокращения длины МК

144

Длина позиционного кода m= log2M (M=2m). Недостаток позиционного кодирования очевиден: в каждом такте можно вырабатывать только один сигнал. Это нежелательно, т.к. вносит ограничения на совместимость МО и снижает производительность ОА.

Рис.5.3.– Смешанное кодирование

Поэтому на практике обычно применяется третий способ кодирования МО – т.н. смешанное кодирование. Суть: всё множество МО Y= y1, y2, ..., yМ разделяется на группы несовместимых МО (в каждую группу включаются несовместимые МО). Количество групп МО определяется максимальным количеством совместимых МО, выполняемых в одном такте. Каждой группе МО ставится в соответствие поле МК.

В этом поле указывается позиционный код одной МО из этой группы (рисунок 5.3).

Пример: три группы МО - первая состоит из семи МО, вторая – из 9,

третья – из 18. Разрядность полей: k=3 (log27), h=4 (log29), n=5 (log218).

Всего: 3+4+5=12 разрядов вместо М= 36 (7+9+18) при унитарном кодировании.

Итак, при унитарном кодировании длина МК равна М (максимальное значение), при позиционном кодировании m=log2M(минимальное значение), при смешанном m<k+h+n<M.

При определённых условиях можно ещё уменьшить длину МК, если использовать четвёртый способ кодирования – т.н. косвенное кодирование МО.

Суть: кодированию подвергаются не отдельные МО, а наборы совместимых МО. Пример: набор МО Yi=y2y5y6 кодируется кодом длиной l=log2L, где L – количество наборов совместимых МО (рисунок 5.4). Условие применения косвенного кодирования: log2L < k+h+n.

145

Рис.5.4.– Косвенное кодирование

Рис.5.5.– УА с косвенным микрокодированием

Следует отметить, что вместо связки из дешифратора DС и шифратора СD можно использовать т. н. программируемую логическую матрицу (ПЛМ) или ПЗУ. В случае использования ПЗУ в ячейках ПЗУ, количество которых L (совпадает с количеством групп МО), размещаются т.н. нанокоманды (НК) – унитарно закодированные МО y1, y2, ..., yМ (длина ячеек ПЗУ – М разрядов).

Вэтом случае структура УА приобретает вид (рисунок 5.5).

Вней используется ПЗУ на двух уровнях кодирования: на уровне МК (позиционное) и на уровне НК (унитарное). В ПЗУ1 хранятся микрокоманды

операций f1, …, fg ОУ, в ПЗУ2 – нанокоманды совместимых наборов МО. По этой причине косвенное кодирование иначе еще называют двухуровневым кодированием (в отличие от одноуровневого смешанного кодирования).

Итак, назначение УА – выработка управляющих сигналов в зависимости от значений ЛУ х1, …, хL, поступающих из ОА. Поскольку сигналы y1, y2, ..., yМ фактически хранятся в ПЗУ в виде управляющих слов – МК, то порядок их выборки (чтения) из ПЗУ нужно поставить в зависимость от осведомительных сигналов: если, например, хi=1, то выбирается одна МК, если хi=0, то другая.

146

Для этого в МК достаточно указать i – номер осведомительного сигнала в списке х1, …, хL в специальном поле – в поле Х МК, а в третьем поле А необходимо указать адрес перехода. Тогда формат команды приобретает вид:

Адрес очередной команды, извлекаемой из ПЗУ, в простейшем случае формируется следующим образом:

Здесь А – k-разрядное поле (адрес) из микрокоманды, к которому добавляется еще один бит – k+1-й: ЕПЗУ=2k+1- емкость ПЗУ.

В поле Х заносится ноль, если организуется переход от одной МК к другой на линейных участках микрокоманды: это т. н. принудительный (безусловный) переход. В случае условного перехода в поле Х МК указывается номер l=Х осведомительного сигнала xl из набора x1 … xL, значение которого используется в качестве условия альтернативного перехода в алгоритме. Если условие выполняется (xl = xx = 1), то адрес – А1 – нечетный, если не выполняется (xl = xx = 0), то адрес –А.0 – четный.

Рассмотренный (первый) способ формирования адреса МК называется принудительной адресацией МК. Простейшая структура УА с ПЛ и с принудительной адресацией МК изображена рисунке 5.6. Порядок функционирования этой схемы иллюстрируется временной диаграммой, представленной на рисунке 5.7.

147

Рис.5.6.– Структура УА с принудительной адресацией

ЦУУ процессора, расшифровав команду, посылает код операции g в соответствующее ОУ (например, в АЛУ) и сигнал “ПУСК”.

По сигналу ПУСК УА ОУ (например, АЛУ) выбирает первую микрокоманду из ПЗУ по адресу, который формируется преобразователем начального адреса ПНА на основе кода операции g.

По фронту сигнала С МК заносится в регистр МК (РМК) для исполнения. На основе поля Y вырабатываются управляющие сигналы ym для ОА. На основе полей Х, А формируется адрес следующей МК в соответствии с формулой (5.1).

По завершении этапа выполнения МО в ОА и формирования осведомительных сигналов один из них xl заносится (по спаду сигнала С) в триггер Т2 и используется при формировании адреса в следующем такте.

Недостатки принудительной адресации: неэффективное использование ПЗУ из-за четной адресации ячеек - линейная цепочка МК в ПЗУ занимает только четные ячейки (нечетные пустуют). Чтобы избавиться от этого недостатка, можно использовать другой формат МК:

148

Рис.5.7.– Оптимизированный формат микрокоманды

Рис.5.8.– Временная диаграмма

В этом случае в ПЗУ используются все ячейки: и четные и нечетные.

Однако длина МК увеличилась за счет дополнительного поля адреса А1, кроме того, в случае принудительного (не условного) перехода поле А1 не используется совсем. Это означает, что длину МК можно уменьшить. Как? Путем использования естественной (как у Неймана в процессоре) адресации МК на линейных участках. Для этого в состав УА необходимо ввести счетчик МК (СМК) и использовать его для адресации МК в соответствии с выражением:

149

где А – адресная часть МК.

УА, в котором формирование адреса следующей МК осуществляется на основе СМК, называют УА с естественной адресацией МК.

Следует отметить, что при естественной адресации нет необходимости вводить адресное поле А в каждую МК.

Адресное поле А необходимо только в МК перехода – условного или безусловного.

В результате множество МК делится на два типа: управления и операционные.

Операционные МК состоят из одного поля Y, управляющие – из полей Х, А. Для того, чтобы отличить МК одного типа от МК другого типа, в формат МК вводят бит типа МК – бит Р: Р=0 – операционная МК, Р=1 – управляющая:

Длина ячейки ПЗУ определяется из условия: max ((m+1),(k+l+1)).

Достоинство УА с естественной адресацией МК: сокращение длины МК и, следовательно, емкости ПЗУ (затрат оборудования).

Недостаток: использование МК двух типов увеличивает время выполнения всей микрокоманды, т. к. в этом случае невозможно совмещение во времени выполнения МО и переходов в микропрограмме: либо переход, либо обработка. Избавиться от этого недостатка можно, если использовать МК с форматом из трех полей: Y, X, А.

5.1.2. Укрупненная структура управляющего автомата с программируемой логикой

В общем случае (без деталей) УА с ПЛ строится (состоит) из трех составляющих: схемы формирования адреса следующей МК, ПЗУ и блока формирования управляющих сигналов для ОА (рисунок 5.9)

Схема адресации выполняется в виде БИС управления (например К1804 ВУ1, ВУ3), ПЗУ – на основе БИС ПЗУ.

ОА также выполняется в виде отдельных БИС – БИС МПЭ (микропроцессорных элементов). Все эти БИС и входят в состав МПК БИС. Что касается третьего блока, то здесь возможны разные варианты реализации - в зависимости от способа организации работы ОУ во времени. В

150

простейшем случае используется последовательная организация работы ОА и УА (временная диаграмма – рисунок 5.10). Как видно из временной диаграммы, адрес МК не должен меняться в течение такта работы ОУ. Следовательно, он должен фиксироваться в буферном регистре адреса РА по фронту сигнала синхронизации С.

Рис.5.9.– Укрупненная структура УА

Рис.5.10.–Временная диаграмма