3.5. Последовательность выполнения микрокоманды
Выполнение типовой микрокоманды включает три основных этапа: выборку микрокоманды из ПЗУ, выполнение задаваемых микрокомандой МО и формирование адреса следующей МК. Порядок выполнения этапов зависит от структуры МПУУ, способов кодирования МО, организации ПЗУ и других факторов.
Рис. 28. Временная диаграмма несовмещенного цикла выполнения микрокоманды
Обычно одна микрокоманда выполняется за один цикл процессора (машинный цикл), включающий такты, соответствующие перечисленным выше этапам. Пример временной диаграммы такого цикла представлен на рис. 28. Цикл процессора состоит из трех тактов Т1, Т2 и Т3. В такте Т1 производится выборка очередной МК из ПЗУ по адресу, установленному на регистре адреса МК РАМК. К концу этого такта на регистре микрокоманд РМК устанавливается код МК, считанной из постоянной памяти. Очевидно, что длительность такта Т1 не может быть меньше времени обращения к ПЗУ. В такте Т2 производится декодирование и выполнение микроопераций, заданных в операционной части МК. Длительность этого такта должна быть достаточной для того, чтобы можно было выполнить любую МО, задаваемую микрокомандой. Исключение могут составлять длинные МО, выполняемые в некоторых МПУУ асинхронно (например, МО обращения к оперативному ЗУ). Поскольку в такте Т2 адрес текущей МК, установленный в РАМК, уже не нужен, то РАМК может быть сброшен либо в такте Т2, либо в такте Т3, что показано на диаграмме пунктиром. В такте Т3 производится формирование адреса следующей МК. Его длительность должна быть достаточной для срабатывания всех цепей проверки логических условий и передачи кода адреса в РАМК.
Такой цикл процессора, в котором все три этапа выполняются в различных тактах, называют несовмещенным (последовательным) циклом выполнения МК.
Тактовые синхроимпульсы цикла процессора вырабатываются генератором тактовых синхроимпульсов ГТИ (см. рис. 18). ГТИ является, по существу, первичным автоматом управления, закон функционирования которого может быть задан графом, представленным на рис. 29. Автомат запускается сигналом ПУСК, поступающим извне (например, с пульта
управления ЭВМ), после подачи которого автомат начинает вырабатывать последовательность тактовых синхроимпульсов Т1, Т2, Т3, Т1, Т2,... до тех пор, пока не поступит сигнал останова СТОП или не будет задан режим МК – режим выполнения только одной микрокоманды. В этом случае после выработки очередного такта Т3 автомат перейдет в исходное состояние и прекратит формирование тактовых сигналов до поступления очередного сигнала ПУСК. Таким образом, ГТИ состоит из комбинационной схемы, элементов памяти автомата с описанным законом функционирования и задающего генератора, формирующего для этого автомата синхросигналы требуемой частоты.
Рис. 29. Граф автомата генератора тактовых импульсов для несовмещенного цикла процессора
В общем случае цикл процессора может включать большое количество тактов. Например, такт Т2 может быть разделен на несколько тактов, в которых выполняются МО различных типов. Длительность тактов цикла также может быть различной. В таких случаях автомат ГТИ имеет более сложный закон функционирования.
Время выполнения микрокоманды (цикла процессора) однозначно определяет быстродействие процессора. Для сокращения этого времени совмещают отдельные этапы выполнения МК. В пределах одной МК можно совместить этапы выполнения МО и формирования адреса следующей МК. Временная диаграмма такого совмещенного цикла, включающего два такта, приведена на рис. 30. В такте Т1 производится чтение микрокоманды из ПЗУ на регистр МК по адресу, установленному на РАМК, так же как и в несовмещенном цикле. В такте Т2 производится выполнение микроопераций и формирование адреса следующей МК.
Рис.30. Временная диаграмма совмещенного цикла выполнения микрокоманды
Если длительность тактов Т1, Т2 и Т3 несовмещенного цикла одинакова, то при совмещенном цикле такты выполняются в 1,5 раза быстрее. Если же длительность такта Т3 существенно меньше длительности тактов Т1 и Т2, то рассмотренное совмещение дает очень небольшой выигрыш. В таких случаях можно применить совмещение выполнения МО i-й микрокоманды с формированием адреса и выборкой из ПЗУ (i+1)-й МК. Это несколько увеличивает аппаратурные затраты в МПУУ, но может дать почти двукратное сокращение времени выполнения МК.
При использовании совмещенного цикла возникают некоторые проблемы реализации МК, в которых адрес следующей микрокоманды определяется в зависимости от значения логического условия. Если значение хотя бы одного из проверяемых в i-й МК логических условий может быть изменено при выполнении заданных в этой микрокоманде микроопераций, то сформировать адрес следующей МК можно только по завершении выполнения всех МО i-й микрокоманды. Следовательно, такие МК с условным переходом необходимо выполнять по несовмещенному циклу, а МК, не содержащие условного перехода, можно выполнять с совмещением.
3.6. Сравнительная оценка схемной и микропрограммной реализации устройств управления
Выбор между схемной и микропрограммной реализацией устройств управления ЭВМ диктуется требованиями, предъявляемыми к характеристикам ЭВМ, и уровнем развития конструктивно-элементной базы.
Микропрограммное управление обладает следующими основными достоинствами:
-простотой проектирования, тестирования и эксплуатации МПУУ;
-легкостью внесения изменений в список команд ЭВМ с микропрограммным управлением, вплоть до изменения системы команд ЭВМ простой загрузкой нового набора микропрограмм при динамическом микропрограммировании;
-регулярностью схемы МПУУ, облегчающей ее изготовление методами технологии больших интегральных схем (БИС).
К недостаткам микропрограммного управления относятся не очень высокое быстродействие МПУУ, ограниченное временем цикла постоянной памяти, и сравнительно большая стоимость реализации УУ, ориентированных на выполнение простых и небольших микропрограмм. Правда, постоянное снижение стоимости электронных компонентов постепенно сглаживает второй недостаток.
Основным достоинством схемного управления является его высокое быстродействие. Поэтому в больших ЭВМ используются, главным образом, схемное управление или его сочетание с микропрограммным.
Однако стоимость схемных УУ быстро возрастает с усложнением реализуемых ими алгоритмов. Кроме того, трудоемкость проектирования, малая регулярность схем, сложность проверки и внесения изменений в схемы таких УУ усложняют их изготовление методами технологии БИС.
Некоторые дополнительные оценки способов реализации устройств управления приведены в [11].