33. Принцип микропрограммного управления («гибкой» логики)

В управляющем автомате с "гибкой" логикой предусматриваются управляющая память (УП) и блок микропрограммного управления (БМУ):

В УП для каждой операции содержится своя МКП.

У П может быть постоянной или с произвольным обращением, т.е. допускающая как считывание, так и запись. В последнем случае загрузка УП производится пользователем. Команда, поступающая из внешней памяти, используется БМУ для определения адреса первой МК той МКП, которая реализует заданную операцию.  

Далее микрокоманды найденной МКП последовательно считываются из УП. При этом адрес следующей МК определяется БМУ на основе предыдущей МК.

Для обеспечения такого процесса управления в МК предусматриваются три поля (три группы разрядов): поле адреса, поле условных переходов (УсП) и поле сигналов управления (СУ). Два первых поля образуют адресную часть МК, а последнее поле – её операционную часть.

В поле адреса содержится адрес очередной МК.

Поле УсП предусматривается для реализации условных и безусловных переходов. Один из разрядов этого поля отводится для указания вида перехода (например, 0 – безусловный переход, 1 – условный переход). Ещё один разряд определяет участие данного вида перехода в определении адреса (например, 1 – участвует, 0 – не участвует).

Остальные разряды используются для указания условий, на которые следует ориентироваться при определении адреса очередной МК.

В результате в зависимости от условия образуются два различных адреса и очередная МК считывается из одной либо из другой ячейки УП.

Рассмотренный способ управления получил название микропрограммного, а МП с управляющим автоматом на этом принципе называются МП с программируемой логикой.

Достоинством такой организации управления является возможность гибкого изменения системы команд МП с помощью изменения совокупности МКП, реализующих эти команды. Отсюда второе название принципа – принцип "гибкой" логики.

Вместе с тем использование принципа "гибкой" логики может привести к снижению быстродействия из-за увеличения числа тактов реализации микропрограммы.

Микропрограммное управление используется не только в секционных МП, но и в устройствах управления периферийным оборудованием МПС, а также как средство для аппаратной реализации фрагментов операционных систем, трансляторов и т.д.

 Управляющие автоматы с "гибкой" логикой различаются по способу

формирования сигналов управления.

34. Способы формирования сигналов управления в управляющих автоматах с "гибкой" логикой.

Возможно горизонтальное, вертикальное и смешанное микропрограммирование.

 При горизонтальном микропрограммировании каждому разряду операционной части МК ставится в соответствие определённый управляющий сигнал, т.е. определённая микрооперация.

Так, если в i-ом разряде стоит 1, то соответствующая микрооперация выполняется независимо от значения других разрядов.

При таком способе операционная часть МК содержит m разрядов, где m – общее число микроопераций.

 Достоинствами горизонтального микропрограммирования являются

возможность одновременного выполнения в одном такте любого набора микроопераций и простота формирования сигналов управления.

Однако при этом требуется большая длина МК, поскольку число управляющих сигналов может достигать нескольких сотен.

Поэтому большее распространение получили другие методы.

При вертикальном микропрограммировании микрооперация определяется двоичным кодом, содержащимся в операционной части МК. При этом отдельный код задаёт отсутствие МКП.

Число разрядов операционной части МК n = Log2(m+1).

Достоинством вертикального микропрограммирования является небольшая длина МК.

Однако при этом в каждой МК указывается лишь одна микрооперация, что, по сравнению с горизонтальным микропрограммированием, приводит к увеличению длины микропрограмм.

 Наибольшее распространение получило смешанное микропрограммирование, при котором множество М микроопераций разбивается на k подмножеств.

В каждом подмножестве объединяют микрооперации, наиболее часто встречающиеся вместе в одном такте.

Подмножества стараются делать равномощными.

Микрооперации внутри каждого из подмножеств кодируются либо горизонтальным, либо вертикальным способом.

При вертикально-горизонтальном микропрограммировании операционная

часть микрокоманды состоит из двух полей:

Д лина первого поля равна наибольшему подмножеств. В этом поле каждый разряд соответствует определённой МК из подмножества mi (i = 1,…, k), т.е. применён горизонтальный способ кодирования.

Второе поле, длинной Log2k , указывает, к какому из k подмножеств принадлежат микрооперации в первом поле.

Более гибким и часто используемым является горизонтально-вертикаль-ное микропрограммирование. Подмножества кодируются горизонтальным, а микрооперации внутри каждого из подмножеств – вертикальным способом.

В этом случае каждому подмножеству выделяется отдельное поле в операционной части микрокоманды. Длина операционной части микрокоманды определяется суммой:

где mi – число микроопераций, представляемых в поле i.

35. Операционное устройство МП. (АЛУ)

Функционально операционное устройство представляет собой АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции над операндами, находящимися в регистрах МП. Результат операции засылается также в некоторый регистр МП.

В процессе выполнения операций АЛУ взаимодействует с регистрами МП. При этом нередко один и тот же регистр бывает как источником, так и приёмником информации.

Для реализации такой возможности необходимо осуществлять временное запоминание информации в отдельных регистрах. Здесь возможны два варианта:

1. Временное запоминание операндов. Соответствующая схема включения АЛУ в контур с регистрами МП имеет вид:

В схеме имеются регистр признака результата (РгП), аккумулятор (РгАк), регистры временного хранения операндов РгА и РгВ и N регистров, которые могут использоваться произвольным образом.

Содержимое регистра признаков используется для организации переходов внутри программы в соответствии с заданными условиями.

Аккумулятор (накопительный регистр) предназначен для хранения одного из слов, над которыми выполняется операция, и промежуточных результатов.

Казалось бы, что регистры А и В лишние. Однако предположим, что выполняется операция сложения двух чисел, находящихся в j-ом и i-ом регистрах, с засылкой результата в j-й регистр.

Эта операция требует сначала пересылки содержимого регистров j и i в регистры А и В, соответственно, а затем загрузки результата, сформированного АЛУ, в Ргj.

Отсутствие РгА приведёт к возникновению "порочной петли", так как изменения состояний Ргj влекут за собой новые изменения результата, а значит и новые изменения состояний Ргj.

2. Временное хранение результата. Схема включения АЛУ отличается от только что рассмотренной лишь тем, что регистр временного хранения включается на выходе АЛУ:

36. Временное запоминание операндов.

Соответствующая схема включения АЛУ в контур с регистрами МП имеет вид:

В схеме имеются регистр признака результата (РгП), аккумулятор (РгАк), регистры временного хранения операндов РгА и РгВ и N регистров, которые могут использоваться произвольным образом.

Содержимое регистра признаков используется для организации переходов внутри программы в соответствии с заданными условиями.

Аккумулятор (накопительный регистр) предназначен для хранения одного из слов, над которыми выполняется операция, и промежуточных результатов.

Казалось бы, что регистры А и В лишние. Однако предположим, что выполняется операция сложения двух чисел, находящихся в j-ом и i-ом регистрах, с засылкой результата в j-й регистр.

Эта операция требует сначала пересылки содержимого регистров j и i в регистры А и В, соответственно, а затем загрузки результата, сформированного АЛУ, в Ргj.

Отсутствие РгА приведёт к возникновению "порочной петли", так как изменения состояний Ргj влекут за собой новые изменения результата, а значит и новые изменения состояний Ргj.

37. Временное хранение результата.

Схема включения АЛУ отличается от только что рассмотренной лишь тем, что регистр временного хранения включается на выходе АЛУ:

38. Обобщённая структурная схема МП.

Структурные схемы МП конкретных типов и серий могут существенно различаться, но все они содержат 6 основных функциональных блоков:

Система связи между блоками, как правило, централизованная (магистральная), что даёт возможность разнообразных межрегистровых пересылок информации.

Магистраль представляет собой систему шин.

Шиной называется часть линий (электрических цепей), сгруппированных по функциональному назначению.

Выделяют следующие магистральные шины: шины адреса, данных и управления.

Операционный блок производит приём из внешней среды операндов, их хранение и преобразование, а также выдачу результата во внешнюю среду.

В простейшем случае операционный блок содержит АЛУ и ряд специальных регистров: аккумулятор, регистры временного хранения операндов и регистр признаков (флагов).

В более сложных МП операционный блок может включать аппаратный умножитель, сдвигатель и прочие схемы для аппаратной поддержки команд деления, операций с плавающей запятой и т.д.

Основной функцией блока управления является приём команд, их декодирование и формирование сигналов управления другими блоками МП.

Управление операционным блоком может осуществляться на уровне микрокоманд, а остальными блоками – посредством сигналов тактирования и синхронизации.

Важнейшей функцией блока управления является обработка прерываний.

Блок управления содержит регистры и счётчики, предназначенные для временного хранения управляющей информации: регистры, хранящие информацию о состоянии МП, регистр-счётчик адреса команды -–счётчик команд, счётчики тактов, регистр запросов прерывания и др.

Адресный блок определяет способы адресации и объём адресуемой памяти.

Многообразие способов адресации обусловлено невозможностью прямого указания адресов операндов при достаточно большом объёме памяти (1 Мбайт и более).

Так, для задания каждого адреса в коде команды потребовалось бы более 20 разрядов.

Кроме того, различные методы формирования адресов обеспечивают удобство при работе с процедурами последовательной выборки данных из таблиц и массивов, а также с алгоритмами, требующими вычисления адресов.

Для реализации различных методов адресации в адресном блоке используется ряд регистров: индексные, базы, смещения, сегментные и др.

Над содержимым этих регистров могут выполняться операции инкремента (увеличение на 1), декремента (уменьшение на 1), сложения, сравнения и некоторые другие.

Шина адреса блока используется для адресации внешней памяти и внешних устройств.

Блок регистров является внутренней памятью МП небольшой ёмкости, но, по сравнению с внешней оперативной памятью, более высокого быстродействия.

Регистры этого блока являются многофункциональными и могут использоваться в качестве накопительных, индексных, указателей стека, как буферные для хранения обрабатываемой информации, для автоинкрементной и автодекрементной адресации.

Поэтому блок регистров называется регистрами общего назначения (РОН).

РОН программно доступны, т.е. их адреса явно указываются в кодах команд.

Блок системной магистрали связывает внутреннюю магистраль с внешней шиной данных, управляет буферами данных или усилителями приёма и выдачи информации на совмещённые выводы адресов и данных.

По шине данных передаются числа и команды, с которыми работает МП.

Интерфейсный блок объединяет управляющие сигналы и осуществляет управление обменом информацией между МП и устройствами, расположенными на системной магистрали.

Кроме того, этот блок осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа в память, а также приём и предварительную обработку запросов на прерывание.

Рассмотренная совокупность блоков может размещаться на одном кристалле СБИС – тогда говорят об однокристальных МП. Эти приборы в наибольшей мере воплощают достоинства МП, используют самые современные технологии и архитектуру, обеспечивают чрезвычайно широкие функциональные возможности и высокое быстродействие.

Однако если требования задачи хотя бы незначительно превосходят их возможности, эффективность применения однокристальных МП резко снижается.

Отдельные блоки МП могут быть размещены на разных БИС, что соответствует секционным МП, на основе которых строятся специализированные вычислители.