§6.1.2. Структура операционного устройства

Операционное устройство МП, предназначенное для выполнения операций над операндами в соответствии с кодом выполняемой команды (арифметической, логической, сдвига или пересылочной), обычно включает в себя АЛБ, блоки регистров общего назначения (РОН), блок формирования состояния регистра условий, блок местного управления.

Арифметическо- логический блок непосредственно выполняет микрооперацию над исходными операндами.

Блок РОИ обеспечивает хранение операндов и промежуточных результатов вычислений, характеризуется малым временем обращения и ограниченным количеством регистров.

Блок формирования состояний регистра условий записывает в регистр условий двоичный код, характеризующий арифметические и логические признаки результата операции АЛБ. Содержимое регистра признаков может быть использовано устройством управления для формирования условных переходов по результатам операций АЛБ.

Блок местного управления обеспечивает выполнение текущей микрокоманды и управляет в соответствии с кодом микрокоманды всеми блоками операционного устройства.

Рассмотрим работу АЛБ на примере приведенной на рис. 6.3 схемы [б]. На входы АЛБ поступает входная информация AiBi через входные мультиплексоры. Арифмети-ческо-логический блок состоит из трех ступеней: I — ступень логических операций и формирования полусумм, II — ступень генерации переносов, III — ступень формирования полных сумм. На входы So — 5з подаются коды выполняемой операции. Перечень выполняемых операций в зависимости от значения кодов 5о — 5з приведен в таблице 6.1. На выходе I ступени формируются функции полусумм 21/2, функция генерации G, и функция передачи Р, переноса Ci. Функция полусуммы предназначена для формирования результата суммирования с учетом переноса из соседнего младшего разряда на III ступени АЛБ.

Функция G определяет условие генерации переноса в данном разряде (G = А/\В). Функция Р определяет условие передачи переноса из соседнего младшего разряда в следующий, более старший (Р == А\/ В).

Рис. 6.3. Принципиальная схема АЛБ

Перенос от п-го разряда в процессе двоичного сложения определяется выражением

С_n = G_nVG_n-1- iP_nVG_n-2P_n-1P_nV...VG_oP₁P₃...P_n, (6.1)

где 0,l,...,n - номера разрядов.

В соответствии с этим уравнением строятся схемы, определяющие перенос для каждого разряда АЛБ. Управляющий вход 54 задает тип выполняемых операций: при ^4 = 0 выполняются логические операции, при 54 == 1 — арифметические. При выполнении логических операций переносы не распространяются. На III ступени формируется полная сумма из полусумм, формируемых на I ступени, и переносов, формируемых на II ступени.

В секционных модулях операционного устройства АЛБ имеет ограниченную разрядность, равную 2, 4, 8, 12, 16. Объединение нескольких подобных модулей в операционном устройстве требует организации связей по переносам АЛБ. Быстродействие расширенного по разрядности АЛБ в большей степени зависит от способа организации переноса внутри разрядно-секционированного модуля и между модулями.

Таблица 6.1

Внутри модуля могут быть предложены следующие способы переноса: последовательный сквозной, параллельный, групповой.

При последовательном сквозном переносе во II ступени АЛБ для каждого г-го разряда формируется сигнал переноса на основании функции генерации и передачи переноса и сигнала переноса в предыдущем младшем разряде в соответствии с выражением С; = = PCi _ 1 V Gi. При этом время распространения переноса равно ntn, где п — число разрядов в модуле; in — время распространения переноса через один разряд.

При параллельном переносе во II ступени формируются параллельно все сигналы переноса для каждого разряда на основании функций генерации и передачи переноса в предыдущих разрядах в соответствии с (1.1). Такая организация сигнала переноса обеспечивает лучшее быстродействие, но требует аппаратурных затрат при большом числе разрядов в модуле.

При групповом переносе АЛБ разделяется на равные по числу разрядов группы. В каждой группе организуется параллельный перенос и формируется перенос из группы в следующую по старшинству. Это более гибкое построение схемы переноса с учетом факторов быстродействия и аппаратурных затрат.

Между модулями обычно используют два способа организации связи по переносу: последовательный сквозной и групповой. При последовательном сквозном переносе между модулями реализуют параллельный или групповой перенос внутри модулей. При групповом переносе в каждом модуле формируются функции генерации и передачи переноса из модуля, поступающие во внешний узел ускоренного параллельного переноса, как показано на рис. 6.4.

На основании этих функций в узле ускоренного переноса формируются входные переносы для каждого секционированного модуля. Последовательный сквозной перенос между модулями применим при малом числе связанных модулей. При числе модулей больше четырех целесообразен групповой способ с внешним узлом параллельного переноса.

Рис. 6.4. Организация ускоренного переноса

Структура операционного устройства зависит от количества внешних магистралей и организации обмена информации по ним, а также от организации внутренних магистралей и порядка обмена информации между блоками операционного устройства.

Операционные устройства, реализованные в составе однокристальных МП БИС, отличаются фиксированной разрядностью и системой команд. Ограничения по числу информационных магистралей и внешних контактов приводят к необходимости организовать последовательный вид передачи информации, при котором по одной информационной магистрали последовательно осуществляется обмен информацией между всеми внутренними узлами БИС и внешними магистралями.

Однокристальные МП БИС не позволяют строить высокопроизводительные микропроцессорные системы с параллельной обработкой информации. Время выполнения команд колеблется от 2 до 10 мкс. Однокристальные МП БИС эффективно применяют в устройствах, не требующих высокого быстродействия и имеющих ограничения по объему аппаратуры и ее стоимости. Они реализованы в сериях К580 и К586 МП БИС, содержащих наряду с микропроцессорами ряд вспомогательных БИС для построения микро-ЭВМ.

Структура операционного устройства, построенного на одной двунаправленной МД, используется в МПК серии К580 (рис. 6.5, а). Источниками операндов для АЛ Б являются входная МД и блок РОН. Результаты вычислений по той же МД, могут передаваться либо во внешние устройства, либо в РОН. Результат каждого выполненного действия записывается в специальный регистр — аккумулятор Л С. В регистре признаков РгПр формируется двоичный код, характеризующий признаки результата выполненной операции. Информация блока РОН поступает на однонаправленную адресную магистраль для передачи кода адреса А внешнего устройства (ВУ).

Особенность операционого блока с одной МД — необходимость последовательного выполнения текущей микрокоманды. Последовательное управление блоками операционной системы осуществляется устройством управления. Каждая выполняемая команда исполняется в течение определенного количества тактов в зависимости от ее сложности. Кроме формирования внутренних управляющих сигналов устройство управления в каждой выполняемой операции формирует сигналы управления для внешних устройств, подключенных к общей МД, подготавливая их к выполняемой операции.

Модульные МП БИС позволяют использовать в операционной системе большее число внутренних и внешних магистралей и повысить производительность вычислений. Например, в МПК серии К589 в операционном устройстве работают два мультиплексора МС1 и МС2 на входе и регистр АС на выходе АЛБ (рис. 6.5, б). Приведенная структура позволяет подавать коды операндов независимо по двум входным магистралям, мультиплексоры расширяют число возможных операндов. Вход М маскирует разряды операндов, поступающих на входы мультиплексора. Операционные устройства с большим числом внешних магистралей имеют, как правило, небольшую разрядность. Для увеличения разрядности обрабатываемых кодов в операционных устройствах предусмотрена возможность соединения их между собой, позволяющая увеличить соответственно разрядность процессора. Достигается это использованием линий входа С/ и выхода СО переноса для каждой малоразрядной БИС операционного устройства.

В МПК серии К584 операционное устройство имеет два дополнительных рабочих регистра Рг1 и Рг2 с мультиплексорами на выходе АЛБ и один мультиплексор на выходе АЛБ (рис. 6.5, в). Операционное устройство включает в себя сдвиговые регистры, позволяющие проводить операции сдвига с поступающими и выходными двоичными кодами АЛБ. Наличие двух сдвиговых регистров упрощает реализацию относительно сложных операций умножения и деления. Большое количество мультиплексоров позволяет реализовать эффективный набор микрокоманд, использующий разнообразные источники информации.

В МПК серии К1804 реализована возможность независимого одновременного обращения к двум регистрам РОН, информация которых записывается в регистры РгА и РгВ (рис. 6.5, г). Такая структура операционного устройства позволяет за один машинный такт выполнять операцию над содержимым двух регистров РОН. Кроме содержимого РОН на вход АЛБ могут быть поданы коды входной магистрали / или содержимое внутреннего регистра РгО.

Для объединения нескольких микропроцессорных секций в АЛБ учитывается сигнал переноса из соседней младшей секции CI и формируется слово признаков СП, включающее в себя сигнал переноса в соседнюю старшую секцию, признаки переполнения, нулевого результата, значение старшего разряда и два признака для организации ускоренного переноса. Сдвиг информации осуществляется в сдвигателях данных АЛБ (СдА) и регистра РгО (СдРг), имеющих входы и выходы для соединения с соседними микропроцессорными секциями.

С внешней магистралью АЛБ связано через селектор выходных данных СВД, который выбирает источник выходного кода в соответствии с выполняемой микроинструкцией. Наличие в операционных устройствах рассмотренных секционированных МПК внутренней регистровой памяти позволяет за один период синхроимпульсов проводить вычисления над содержимым РОН.

В МПК серии КР1802 регистровая память вынесена из операционного устройства в отдельный блок с возможностью независимого наращивания ее объема и доступа со стороны других блоков процессоров.

Рис. 6.5. Структуры операционных устройств МПК

Кроме того, в операционном устройстве МПК серии КР1802 предусмотрена возможность использования специальных секций, выполняющих аппаратно операции умножения, деления и параметрических сдвигов. Такая же возможность расширения операционного устройства характерна и для МПК серии К587.

На рис. 6.5, д представлена схема операционного устройства МПК серии К587. Источниками операндов в этой модели служат блок регистров с двумя каналами чтения, рабочие регистры Рг1 и Рг2, регистр констант РгЗ, двунаправленные магистрали данных MI, M2, МЗ. Последние через мультиплексор связаны с входом регистра Pel, а по входу магистрали M2 — МЗ соединены с выходом регистра Рг1, магистраль Ml — с выходом регистра Рг2.

Блок выполнения операций / содержит АЛБ, узел сдвигателя данных Сд вправо или влево на один разряд и узел формирования состояний УФС. Информационный выход блока выполнения операций связан со входами записи в регистры Pel, Рг2 и с блоком регистров РОЯ. Выход узла формирования состояний соединен со входом записи регистра Рг2. Регистр константы РгЗ является частью регистра микрокоманд. Такая структура БИС характеризуется широким разнообразием микроопераций.