Глава 2. Структура и функционирование процессора

Глава 2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОРА

2.1. Рабочий цикл процессора. Микропрограммная интерпретация команд центрального процессора

Один из многих параметров, характеризующих ВС, рабочий цикл процессора иначе называется циклом центрального процессора либо машинным циклом. Это время, требуемое для выборки из памяти и выполнения одной простой машинной команды, например, сложения и вычитания. На рис. 2.1, а он обозначен ТЦ. По команде программы в АЛУ центрального процессора выполняются арифметические и логические действия над операндами-операции (рис. 1.1). Выполнение операции производится по частям, называемым микрооперациями - элементарным операциям, выполняемым за один машинный такт ТТ. Таким образом, каждой микрооперации соответствует выполняемое в АЛУ элементарное действие передачи информации между регистрами общего назначения РОН или ее преобразования. Это действие инициируется (вызывается) поступлением управляющего сигнала V на внутреннюю управляющую шину. Для реализации команды необходимо на соответствующие линии ШУ подать распределенную во времени последовательность управляющих сигналов Vi, Vi+1, Vi+2,... Их вырабатывает управляющий блок УУ.

Последовательность микрокоманд, необходимых для выполнения операции, называется микропрограммой. Микропрограммная интерпретация микрокоманд иллюстрируется примером (рис. 2.1, б, в).

Пример 2.1. Выполнение команды операции сложения. К управляющим шинам АЛУ необходимо подвести следующую последовательность управляющих сигналов:

Таким образом, УУ вырабатывает управляющие сигналы для осуществления выборки кода очередной команды из памяти, дешифрации кода команды, нормирования адресов операндов, выборки операндов из памяти, передачи их в АЛУ, выполнения в АЛУ операции, предусмотренной кодом команды, передачи результата в память. Последовательности управляющих сигналов V вызывают выполнение в процессоре микроопераций. В процессорах малых и средних ЭВМ часто применяют микропрограммное УУ. В больших же машинах применяется управление с «жесткой» логикой, то есть аппаратно реализованной, что приводит к повышению быстродействия ЭВМ. В МП наборах разных типов применяются оба способа выработки управляющих сигналов (см.разд. 2.5) .

УУ можно рассматривать как конечный автомат (рис. 2.1, в), определяемый:

1. Множеством входных сигналов (u1, u2,...,un), соответствующих задаваемому УУ извне двоичному коду операции (КОП) и двоичным значениям осведомительных сигналов.

управляющего устройства) в процессе проектирования стараются минимизировать. Управляющий автомат может быть задан, как автомат Мура

Q(t+1)=A[Q(t), u1(t), u2(t),...,un(t)]; V1(t)=B1[Q(t)];

........................

Vm(t)=Bm[Q(t)];

или как автомат Мили (автомат с памятью) Q(t+1)=A[Q(t), u1(t), u2(t),...,un(t)]; V1(t)=B1[Q(t), u1(t), u2(t),...,un(t)];

........................

Vm(t)=Bm[Q(t), u1(t), u2(t),...,un(t)],

где функции переходов и выходов А, В определяются выданной из памяти микропрограммой. Автомат неходится в состоянии Q(t) в течение времени ТTi, а в состоянии Q(t+1) - в

следующем такте ТTi+ 1.

Операционный блок - АЛУ - является также конечным автоматом. Взаимодействие двух конечных автоматов, УУ и АЛУ показано на укрупненной схеме процессора на рис. 2.1, в. Все сигналы будут подробно рассмотрены в разд.2.2 и 2.3. Процессор строится на 2- х разнотипных автоматах, Мура и Мили.

2.2. Устройство управления с программируемой логикой

Микропрограммные УУ, называемые в технической литературе и как УУ с программируемой логикой, с хранимой в памяти логикой, появились позже, чем УУ с «жесткой» логикой. Но, поскольку микропрограммное УУ обладает наглядностью, облегчающей изучение процесса функционирования ЭВМ, рассмотрим его в первую очередь.

Схему микропрограммного управления предложил в 1851 г. Уилкс. Она изображена на рис. 2.2. Управляющие сигналы Vi , соответствующие каждый своей микрооперации, по одному или по нескольку будут поступать в собственно операционный блок (АЛУ, ПЗУ, ОЗУ) с управляющей матрицы С. Матрица С, управляющая, и матрица S - память микропрограмм, представляют собой ПЗУ. В простейшем случае ПЗУ реализуется как горизонтальные и вертикальные шины, связанные между собой в нужных точках через диоды или перемычки, прожигаемые при программировании в процессе изготовления микропроцессорной БИС. Чтобы не загромождать рисунок, элементы связи между горизонтальными и вертикальными шинами ПЗУ - диоды или перемычки - показаны условно в виде жирных точек. Вертикальные выходные шины матрицы С являются линиями управляющей, шины операционного блока. Каждая линия соответствует одному из управляющих сигналов микроопераций V1, V2,..., Vi,..., Vm. Появление сигналов на шине инициирует выполнение соответствующей микрооперации в АЛУ.

Вертикальные шины матрицы S устанавливают определенный код в регистре номера (адреса) микрокоманды РгНМК. В момент поступления синхросигнала дешифратор Дш в соответствии с l-разрядным кодом на РгНМК возбуждает одну из 2l горизонтальных шин (на рис. 2.2 - это шина номер 3, она показана жирной чертой) . Когда горизонтальная шина возбуждена, она, в свою очередь, возбуждает отмеченную точкой (или отмеченные точками) вертикальную (вертикальные) шину управления матрицы С, задавая, таким образом, последовательность управляющих сигналов, соответствующих набору микроопераций, выполняемых в данном машинном такте ТТj. Одновременно эта горизонтальная шина возбуждает соответствующие вертикальные шины матрицы S, устанавливая в РгНМК номер горизонтальной шины и тем самым номер микрокоманды, которая должна выполняться в следующем такте Т . Таким образом, задаётся набор микроопераций, то есть микропрограмм, выполняемых в данном цикле. Задержка введена для устранения «гонок»