2.2. Особенности программного и микропрограммного управления

В современных ЭВМ используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов.

Выполнение операций в ЭВМ сводится к элементарным преобразованиям информации в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов устройств (блоков) управления (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.). Элементарные действия, неразложимые на более простые и выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называют микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет постоянно соединенных между собой логических схем. Поэтому ЭВМ со схемным устройством управления называют машинами с жесткой логикой управления.

При микропрограммной реализации устройств управления в состав последнего вводится запоминающее устройство (ЗУ). Каждый разряд выходного кода ЗУ определяет появление определенного функционального сигнала управления. Каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код — микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их выполнения обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Отсюда микропрограммный способ управления.

Микропрограммный способ управления — способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (или быстродействующего постоянного ЗУ (ПЗУ)), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов.

Микропрограммные или с хранимой (гибкой) логикой управления ЭВМ — ЭВМ с микропрограммным способом управления.

Устройства управления ЭВМ независимо от их структурной и технической реализации предполагают наличие основных частей — программной и микропрограммной.

Функционирование устройства управления ЭВМ определяется системой команд, способом реализации системы операций, определяемой системой команд и их технической реализацией. Система команд должна быть алгоритмически полной, что обеспечивает алгоритмическую универсальность ЭВМ.

Известно из теории алгоритмов, что выполнение нескольких достаточно простых операций (условный переход, пересылка и переадресация) обеспечивает минимальный алгоритмически полный набор действий. Условный переход дает возможность выбрать направление развития вычислительного процесса в зависимости от промежуточных результатов в одном из нескольких направлений. Такой переход осуществляется сравнением промежуточных результатов с кодами заранее сформулированных условий. Операция пересылки разрешает реализовать передачу информации внутри ЭВМ и ее преобразование. Переадресация позволяет организовать последовательное выполнение операций пересылки, преобразования и анализа результатов вычислений между различными блоками и устройствами машины. Однако описание алгоритмов на основе минимального алгоритмически полного набора операций получается громоздким вследствие примитивности элементарных конструкций.

Использование микропрограммного управления усложняет систему команд ЭВМ, но снижает ее стоимость по сравнению с аппаратным управлением в силу следующего:

• конечности первоначальных затрат на реализацию микропрограммного управлении даже простой ЭВМ, определяемых стоимостью специального микропрограммного ЗУ и вспомогательных схем управления;

• увеличения информационной емкости микропрограммной управляющей памяти, обусловливающего усложнение системы команд.

Программная реализация функций в ЭВМ осуществляется посредством выполнения совокупности команд в программе (подпрограмме). Аппаратная реализация функций происходит за счет выполнения микропрограмм функций в схемном или микропрограммном автомате и ведет к необходимости выполнения соответствующих последовательноетей микрокоманд.

Эти два способа реализации функций требуют различного числа обращений к сравнительно медленному ОЗУ, что резко увеличивает скорость выполнения функций при их аппаратной реализации. С другой стороны, аппаратная реализация функций требует использования большего количества аппаратных средств, чем программная.

Использование электронных схем, принципов программного управления и хранимой в памяти программы позволило достигнуть высокого быстродействия и сократить во много раз число команд в программах решения задач, содержащих вычислительные циклы, по сравнению с числом операций, которые производит машина при выполнении этих программ.