Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория цифровых автоматов. Учебное пособие
.pdf
51
Отметим общие особенности, которые свойственны устройствам
управления на основе "жесткой" логики:
- ограниченный набор команд, обусловленный тем, что с
увеличением числа команд существенно возрастает сложность устройства
управления;
- набор команд фиксирован, другими словами – внутреннее
программирование недоступно пользователю;
- малые временные задержки в УУ при формировании сигналов
управления, что является одним из факторов, обеспечивающих высокое
быстродействие УУ.
Задача синтеза УУ заключается в определении логических функций,
составляющих комбинационную схему. Для этого составляется таблица
переходов автомата по алгоритму выполнения команды. Затем по
полученной таблице определяются функции возбуждения триггеров.
Полученные функции реализуются в элементном базисе.
2.9.3. Устройство управления с программируемой логикой
Выше говорилось, что при проектировании УА с программируемой
логикой используется специальная встроенная память микропрограмм. В
эту память записываются все требуемые микропрограммы, а от схемы
управления требуется только организация чтения микропрограмм.
Проектирование микропрограммного автомата упрощается, так как в нем
используются типовые аппаратные модули. Задача, которую можно
решить в рамках модуля «Теория цифровых автоматов», – абстрактный
синтез и составление таблиц программирования памяти.
Двумя главными узлами УА с программируемой логикой являются
узел формирования адреса следующей микрокоманды и постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд. Основной принцип
действия такого устройства управления состоит в следующем. Вся
совокупность микрокоманд, или управляющих слов, необходимых для
реализации всего списка команд процессора на каждом такте их
выполнения, хранится в ПЗУ микрокоманд (память микрокоманд).
При выполнении любой команды в каждом такте просто
извлекаются из ПЗУ уже готовые для использования очередные
микрокоманды. Каждая микрокоманда, или управляющее слово, имеет в
52
ПЗУ свой адрес. Таким образом, чтобы выбрать микрокоманду,
необходимую в очередном такте выполняемой команды, требуется
сформировать ее адрес. Эту функцию выполняет узел формирования
адреса следующей микрокоманды. Исходными данными для
формирования адреса МК помимо кода операции, логических условий из
операционного устройства и сигналов о прерываниях является также
информация, заключенная в адресной части предшествующей
микрокоманды. При этом адресная часть предшествующей микрокоманды
содержит в себе не только указания о том, как сформировать адрес
очередной микрокоманды, но в необходимых случаях и сам адрес, если по
условиям выполнения команды необходимо совершить переход в новую
область ПЗУ.
Микропрограммное устройство управления, как правило,
реализуется в виде отдельного блока по отношению к собственно
процессору и конструктивно выполняется на одной или нескольких
отдельных микросхемах. Это дает возможность выбрать для реализации
ПЗУ МК различные типы микросхем, различающихся как по организации,
так и по принципу программирования.
Для формирования адреса микрокоманды могут быть использованы
различные способы. Наиболее простым и естественным является так
называемый способ последовательной выборки, который заключается в
том, что при формировании адреса очередной микрокоманды к
содержимому счетчика микрокоманд, с помощью которого формируется
адрес, просто добавляется «1». Это предполагает, что очередная
микрокоманда находится в соседней ячейке ПЗУ. Однако использование
только одного этого способа не позволяет полностью решить задачу
микропрограммирования, так как не дает возможности совершать
переходы в микропрограммах. Кроме того, способ не позволяет повысить
эффективность использования ПЗУ микрокоманд путем повторного и
многократного использования отдельных участков микропрограмм.
Поэтому целесообразно способ последовательной выборки дополнить
другими способами:
- способ, реализующий условные и безусловные переходы
(ветвления) в микропрограммах;
Блок
синхросигналов
Преобразователи кода операции
Преобразователи кода операции
Формирователь адреса следующей
микрокоманды
Дешифратор
микрокоманды
Управляющие сигналы
Флаги
...
..
С0
АдресКОП РК
Регистр адреса микрокоманд
Регистр адреса микрокоманд
Память микропрограмм
Память микропрограмм
Регистр микрокоманды
МО А
С1 Сm
- способ, реализующий переходы на микропрограммы;
- способ, реализующий многократное повторение отдельных
участков микропрограмм, т.е. циклы.
Микропрограммные управляющие автоматы функционально
разделяются на три вида:
1) автоматы с вертикальным микропрограммированием;
2) автоматы с горизонтальным микропрограммированием;
3) автоматы со смешанным микропрограммированием.
На рис. 11 приведена схема УА с вертикальным микропрограммным
управлением.
53
Рис. 11. Схема устройства управления с вертикальным
При вертикальном микропрограммировании каждой микрооперации
микропрограммным управлением
присваивается определенный код, например, ее порядковый номер в
полном списке возможных микроопераций (МО). Этот код и заносится в
54
МО регистра микрокоманд. Микрооперационная часть микрокоманды
имеет минимальную длину, определяемую как двоичный логарифм от
числа управляющих сигналов (микроопераций). Такой способ
кодирования требует минимальных аппаратных затрат в памяти
микрокоманд на хранение микрокоманд, однако возникает необходимость
в дешифраторе микрокоманд, который должен преобразовать код
микрооперации в соответствующий сигнал управления. При большом
количестве сигналов управления дешифратор вносит значительную
временную задержку, а главное – в каждой микрокоманде указывается
лишь один сигнал управления, инициирующий только одну
микрооперацию, за счет чего увеличиваются длина микропрограммы и
время ее выполнения.
Типичная структура микропрограммного автомата с
горизонтальным микропрограммированием представлена на рис. 12. В
составе узла присутствуют: память микропрограмм, регистр адреса
микрокоманды, регистр микрокоманды, дешифратор микрокоманд,
преобразователь кода операции, формирователь адреса следующей
микрокоманды, формирователь синхроимпульсов.
При горизонтальном микропрограммировании под каждый сигнал
управления в микрооперационной части микрокоманды выделен один
разряд. Это позволяет в рамках одной микрокоманды формировать любые
сочетания сигналов управления, чем обеспечивается максимальный
параллелизм выполнения микроопераций. Кроме того, отсутствует
необходимость в декодировании микроопераций, и выходы регистра
микрокоманды могут быть непосредственно подключены к
соответствующим управляемым точкам вычислительной машины.
Широкому распространению горизонтального микропрограммирования
тем не менее препятствуют большие затраты на хранение
микрооперационных частей микрокоманд, причем эффективность
использования памяти микрокоманд получается низкой, так как при
большом числе микроопераций в каждой отдельной микрокоманде
реализуется лишь одна или несколько из них, т. Е. подавляющая часть
разрядов микрооперации содержит нули.
55
Блок
синхросигналов
Преобразователи кода операции
Преобразователи кода операции
Формирователь адреса следующей
микрокоманды
Управляющие сигналы
Флаги
...
..
С0
АдресКОП РК
Регистр адреса микрокоманд
Регистр адреса микрокоманд
Память микропрограмм
Память микропрограмм
Регистр микрокоманды
МО А
С1 Сm
Рис. 12. Схема устройства управления с горизонтальным
микропрограммированием
Так как заданный управляющий автомат имеет горизонтальное
микропрограммирование, то за один такт он может вырабатывать
микрокоманду, содержащую несколько микроопераций, т. е. выполнение
микроопераций может быть совмещено во времени, если это возможно.
Структурная схема управляющего автомата с микропрограммным
управлением вертикально-горизонтального типа приведена на рис. 13.
Следует отметить, что вертикально-горизонтальный тип
микропрограммирования является одним из видов смешанного
микропрограммирования.
56
Блок
синхросигналов
Преобразователи кода операции
Преобразователи кода операции
Формирователь адреса следующей
микрокоманды
DMS
Управляющие сигналы
Флаги
...
..
С0(1)
АдресКОП РК
Регистр адреса микрокоманд
Регистр адреса микрокоманд
Память микропрограмм
Память микропрограмм
Регистр микрокоманды
МО1 АМО2
DMS
...
С0(k) Сn(1) Сn(k)
Рис. 13. Схема устройства управления с вертикально-горизонтальным
все множество сигналов управления (микроопераций) делится на
При вертикально-горизонтальном способе микропрограммирования
несколько групп, в каждую группу включаются сигналы управления
(микрооперации), наиболее часто встречающиеся вместе в одном такте.
микропрограммированием
Поле МО делится на две части: MO1 и МО2. Поле MO1, длина которого
равна максимальному количеству сигналов управления (микроопераций) в
группе, кодируется горизонтально, а поле МО2, указывающее на
принадлежность к определенной группе – вертикально. Со сменой группы
меняются и управляемые точки, куда должны быть направлены сигналы
управления из каждой позиции МО. Это достигается с помощью
демультиплексоров (DMS), управляемых кодом номера группы из поля
МО2.
57
Отметим общие особенности устройств управления с "гибкой"
логикой:
- широкий и практически неограниченный набор команд; внутреннее
программирование (на уровне микропрограмм), доступное пользователю,
что создает возможность эмуляции набора команд любой известной
системы или разработки новой системы команд, наилучшим образом
удовлетворяющей требованиям решения конкретной технической задачи;
- увеличение числа используемых микросхем, а также
необходимость программирования на уровне микропрограмм, что
является недостатком УУ с "гибкой" логикой по сравнению с УУ с
"жесткой" логикой;
- кроме того, УУ с "гибкой" логикой имеет меньшее быстродействие.
Проведенное краткое рассмотрение микропрограммного устройства
управления позволяет сделать некоторые обобщающие заключения. Как
следует из анализа структурных схемы и принципа действия, устройство
управления с гибкой логикой является достаточно сложным по своей
аппаратурной реализации и требует значительного количества
дополнительных микросхем. Кроме того, микропрограммирование такого
устройства управления, т.е. программирование ПЗУ микрокоманд,
является достаточно трудоемким процессом и требует большого внимания
и аккуратности.
Вместе с тем нельзя не отметить весьма широкие функциональные
возможности микропрограммного устройства управления, которые могут
оказаться особенно ценными при разработке специализированных
компьютерных систем.
58
3. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. РАЗДЕЛ 2. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ
Комплексная цель разд. 2
Комплексная цель разд. 2 «Арифметические основы цифровых
автоматов»: научиться разработке алгоритмов выполнения арифметических операций для чисел в форме с фиксированной и плавающей
запятой.
3.1. План лекций раздела 2
Лекция 6. Прямой, обратный и дополнительный коды,
модифицированный код. Представления чисел в форме с фиксированной
запятой. Выполнение операций сложения и вычитания двоичных чисел
процессора с фиксированной запятой.
Цели и задачи лекции: повторить формы представления чисел в
ЭВМ, в том числе с фиксированной запятой, и выполнение операций
сложения и вычитания в ЭВМ.
План лекции: позиционные системы счисления. Прямой, обратный и
дополнительный коды, модифицированный код. Структура цифрового
процессора. Понятие разрядной сетки. Представления чисел в форме с
фиксированной запятой. Структурная схема процессора с фиксированной
запятой. Особенности микропрограммирования при выполнении
алгоритмов арифметических операций сложения, вычитания для
двоичных кодов.
Ключевые термины: система счисления, фиксированная запятая,
арифметические операции, сложение, вычитание.
Выводы по теме: знать формы представления чисел с
фиксированной запятой (в прямом, обратном и дополнительном кодах).
Навыки синтеза алгоритмов арифметических операций сложения и
вычитания для процессора с фиксированной запятой.
Лекция 7. Выполнение операции умножения в прямом, обратном и
дополнительном кодах с фиксированной запятой.
59
Цели и задачи лекции: освоение этапов микропрограммирования при
выполнении алгоритмов операции умножения процессора с
фиксированной запятой.
План лекции: особенности микропрограммирования при
выполнении алгоритмов операции умножения процессора с
фиксированной запятой. Выполнение операций в прямом, обратном и
дополнительном кодах. Отличительные особенности выполнения
операции для целых и дробных чисел. Структура операционного автомата
умножителя с фиксированной запятой.
Ключевые термины: арифметические операции, умножение,
фиксированная запятая.
Выводы по теме: Уметь строить граф-схемы алгоритмов умножения
в прямом, обратном и дополнительном кодах. Структурный синтез
умножителя с фиксированной запятой.
Лекция 8. Микропрограммы выполнения операции деления
двоичных целых и дробных чисел для процессора с фиксированной
запятой.
Цели и задачи лекции: освоение этапов микропрограммирования при
выполнении алгоритмов арифметических операций деления процессора с
фиксированной запятой. Деление с восстановлением остатка и без
восстановления остатка.
План лекции: процедура написания микропрограмм выполнения
операции деления двоичных чисел для процессора с фиксированной
запятой. Отличительные особенности выполнения операции для целых и
дробных чисел.
Ключевые термины: деление, фиксированная запятая.
Выводы по теме: навыки синтеза алгоритмов деления чисел с
фиксированной запятой в прямом, обратном и дополнительном кодах.
Лекция 9. Представление чисел в форме с плавающей запятой.
Процедура написания микропрограмм сложения и вычитания, умножения
и деления двоичных чисел для процессора с плавающей запятой. Условия
и процедура нормализации данных.
60
Ц
зфX..
Д
зфX..
.121
1
..
nЦ
зф
X
Цели и задачи лекции: повторение формата данных представленных
в ЭВМ с плавающей запятой. Освоение этапов микропрограммирования
при выполнении алгоритмов арифметических операций сложения и
вычитания, умножения и деления процессора с плавающей запятой.
План лекции: представление чисел в форме с плавающей запятой.
Отличительные особенности структурной схемы процессора с плавающей
запятой.
Условия и процедура нормализации данных. Процедура написания
микропрограмм сложения и вычитания, умножения и деления двоичных
чисел для процессора с плавающей запятой.
Ключевые термины: умножение, деление, сложение, вычитание,
плавающая запятая.
Выводы по теме: навыки синтеза граф-схем алгоритмов
арифметических операций сложения и вычитания, умножения и деления
процессора с плавающей запятой.
3.2. Представление двоичных чисел в форме с фиксированной
запятой
При представлении чисел с фиксированной запятой положение
запятой (точки) закрепляется в определенном месте относительно
разрядов числа и сохраняется неизменным для всех чисел [6].
Для кодирования знака двоичных чисел используется знаковый
разряд («0» для положительных чисел и «1» – для отрицательных).
На рис. 14 в качестве примера показана разрядная сетка ЭВМ в
формате 8-разрядного машинного слова для представления
соответственно целого двоичного числа (
(
= +0,11), представленных с фиксированной запятой.
= +11000) и дробного числа
Если для представления числа со знаком выделено n разрядов, то
диапазон представления целых двоичных чисел в этом случае
определяется выражением
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]