Из чего состоит уу

D. Как устроен процессор?

Со времен изобретения микросхемы в 1959 году [Информатика в понятиях и терминах. — М.: «Просвещение», — 1991. стр. 36.] в мире было разработано большое число различных процессоров, универсальных и специализированных, с разной степенью интеграции и т.п. Однако любой процессор состоит из арифметико-логического устройства, АЛУ (Arithmetic and Logic Unit, ALU), устройства управления, УУ (Control Unit, CU) и системных регистров (System Register.) Именно в этой конфигурации строилась знаменитая универсальная механическая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа. Схема его «аналитической машины» была предложена Ч. Бэббиджем в промежутке между 1853 и 1871 годом[Там же, стр. 20-22]. К этой же конфигурации электронщики пришли опытным путем при реализации абстрактной вычислительной машины Тьюринга (1936 год)[Там же, стр. 31]. В своем предположении А. Тьюринг исходил из идеи уподобления работы машины работе человека-вычислителя, который осуществляет свои вычисления с помощью предписаний (алгоритма.) Впоследствии эта идея была развита Джоном фон Нейманом и воплотилась в своем законченном виде Моучли и Эккертом в машине «EDVAC». С тех пор все цифровые компьютеры работают по принципу машины, названной «машиной Тьюринга-Неймана». За время с начала 50-х годов двадцатого века сменилось несколько поколений ЭВМ. Различная классификация ЭВМ приведена в книге «Информатика в понятиях и терминах» на страницах 55-66, 76-81, 95-98, 98-100.

Содержание:

Устройство управления

• Управля́ющий автома́т, устро́йство управле́ния проце́ссором (УУ) — блок, устройство, компонент аппаратного обеспечения компьютеров. Представляет собой конечный дискретный автомат. Структурно устройство управления состоит из: дешифратора команд (операций), регистра команд, узла формирования (вычисления) текущего исполнительного адреса, счётчика команд.

УУ современных процессоров обычно реализуются в виде микропрограммного автомата и в этом случае УУ включает в себя ПЗУ микрокоманд.

УУ предназначено для формирования сигналов управления для всех блоков машины.

Связанные понятия

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.

Регистровый файл (register file) — модуль микропроцессора (CPU), содержащий в себе реализацию регистров процессора. Современные регистровые файлы, используемые в СБИС, обычно реализованы как многопортовый массив быстрой статической памяти SRAM. Такие массивы SRAM отличаются явным разделением портов чтения и записи, тогда как классическая многопортовая SRAM обычно позволяет как читать, так и записывать через любой порт.

Регистр — устройство для записи, хранения и считывания n-разрядных двоичных данных и выполнения других операций над ними.

Счётчик кома́нд (также PC = program counter, IP = instruction pointer, IAR = instruction address register, СЧАК = счётчик адресуемых команд) — регистр процессора, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей.

Разработка синхронных цифровых интегральных схем на уровне передач данных между регистрами (англ. register transfer level, RTL — уровень регистровых передач) — способ разработки синхронных (англ.) цифровых интегральных схем, при применении которого работа схемы описывается в виде последовательностей логических операций, применяемых к цифровым сигналам (данным) при их передаче от одного регистра к другому (не описывается, из каких электронных компонентов или из каких логических вентилей состоит схема.

Упоминания в литературе

Передача управления может происходить по условию или в обязательном порядке. Это позволяет осуществлять разветвление алгоритмов или организовывать циклическое выполнение группы. Выполненные команды устройство управления выводит на устройства ввода-вывода и переводит компьютер в режим ожидания новой программы.

В обоих случаях синтезатор получает от управляющего устройства или программы последовательность команд, а выдает оцифрованный звук – последовательность мгновенных значений сигнала, сгенерированного им самим. Команды или данные, передаваемые любому синтезатору, описываются спецификацией MIDI (Musical Instrument Digital Interface – цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Эта спецификация, или стандарт, включает в себя и требования к аппаратным средствам, например кабелям и разъемам, и договоренности о способах кодирования данных. Для нас существенно последнее. Устройство управления , например подключенная к компьютеру внешняя MIDI-клавиатура, или программа, например Sound Forge, отправляет синтезатору команды MIDI.

Клавиатура является устройством управления компьютером, предназначенным для ввода данных и команд. Клавиатура имеет 5 групп полей, показанных на рис. 1.10.

Вообще-то правильно называть их «планшетные комьпютеры», потому что название «планшет» уже занято – так называют специальные устройства управления курсором, позволяющие рисовать «от руки» с помощью компьютера. Если в поисковой строке «Яндекса» набрать слово планшет, то большая часть ссылок будет вести на описания этого типа манипуляторов. Но пользователи быстро привыкли к новой разновидности компьютеров, и в разговорном языке слово «планшет» уже однозначно «прилипло» к ним.

Как правило, джойстик, кроме механического устройства управления движением, снабжается рядом дополнительных кнопок, которые можно программировать в зависимости от потребностей игры.

Связанные понятия (продолжение)

Тактовый сигнал или синхросигнал — сигнал, использующийся для согласования операций одной или более цифровых схем.

Адресация — осуществление ссылки (обращение) к устройству или элементу данных по его адресу; установление соответствия между множеством однотипных объектов и множеством их адресов; метод идентификации местоположения объекта.

В информатике термин инструкция обозначает одну отдельную операцию процессора, определённую системой команд. В более широком понимании, «инструкцией» может быть любое представление элемента исполнимой программы, такой как байт-код.

Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, англ. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, UART) — узел вычислительных устройств, предназначенный для организации связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует передаваемые данные в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по одной физической цифровой линии другому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применяется в компьютерной технике (особенно во встраиваемых устройствах и системах.

Предвыборка кода — это выдача запросов со стороны процессора в оперативную память для считывания инструкций заблаговременно, до того момента, как эти инструкции потребуется исполнять. В результате этих запросов, инструкции загружаются из памяти в кэш. Когда инструкции, потребуется исполнять, доступ к ним будет осуществляться значительно быстрее, так как задержка при обращении в кэш на порядки меньше, чем при обращении в оперативную память.

Самомодифицирующийся код (СМК) — программный приём, при котором приложение создаёт или изменяет часть своего программного кода во время выполнения. Такой код обычно применяют в программах, написанных под процессор с фон-неймановской организацией памяти.

Прерывание (англ. interrupt) — сигнал от программного или аппаратного обеспечения, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события, требующего немедленного внимания. Прерывание извещает процессор о наступлении высокоприоритетного события, требующего прерывания текущего кода, выполняемого процессором. Процессор отвечает приостановкой своей текущей активности, сохраняя свое состояние и выполняя функцию, называемую обработчиком прерывания (или программой обработки прерывания), которая реагирует.

Счётчик числа импульсов — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах.

Ассоциативная память (АП) или ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ) является особым видом машинной памяти, используемой в приложениях очень быстрого поиска. Известна также как память, адресуемая по содержимому, ассоциативное запоминающее устройство, контентно-адресуемая память или ассоциативный массив, хотя последний термин чаще используется в программировании для обозначения структуры данных (Hannum и др., 2004).

Адрес — символ или группа символов, которые идентифицируют регистр, отдельные части памяти или некоторые другие источники данных, либо место назначения информации.

Ввод-вывод через порты (англ. I/O ports) — схемотехническое решение, организующее взаимодействие процессора и устройств ввода-вывода. Противоположность вводу-выводу через память.

Код операции, операционный код, опкод — часть машинного языка, называемая инструкцией и определяющая операцию, которая должна быть выполнена.

Шина адреса — компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи.

Параллелизм на уровне команд (англ. Instruction-level parallelism — ILP) является мерой того, какое множество операций в компьютерной программе может выполняться одновременно. Потенциальное совмещение выполнения команд называется «параллелизмом на уровне команд».

Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) — специальная процедура, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание.

Конве́йер — способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени — эксплуатация параллелизма на уровне инструкций), технология, используемая при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств.

Модуль предсказания переходов (прогнозирования ветвлений) (англ. branch prediction unit) — устройство, входящее в состав микропроцессоров, имеющих конвейерную архитектуру, предсказывающее, будет ли выполнен условный переход в исполняемой программе. Предсказание ветвлений позволяет сократить время простоя конвейера за счёт предварительной загрузки и исполнения инструкций, которые должны выполниться после выполнения инструкции условного перехода. Прогнозирование ветвлений играет критическую роль, так.

Блок управления памятью или устройство управления памятью (англ. memory management unit, MMU) — компонент аппаратного обеспечения компьютера, отвечающий за управление доступом к памяти, запрашиваемым центральным процессором.

Многоканальный режим (англ. Multi-channel architecture) — режим работы оперативной памяти (RAM) и её взаимодействия с материнской платой, процессором и другими компонентами компьютера, при котором может быть увеличена скорость передачи данных между ними за счёт использования сразу нескольких каналов для доступа к объединённому банку памяти (это можно проиллюстрировать на примере ёмкостей, через горлышко одной из которых жидкость будет выливаться дольше, чем из двух других с такими же общим суммарным.

Когерентность кэша (англ. cache coherence) — свойство кэшей, означающее целостность данных, хранящихся в локальных кэшах для разделяемого ресурса. Когерентность кэшей — частный случай когерентности памяти.

Mультипле́ксор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Сегментная адресация памяти — схема логической адресации памяти компьютера в архитектуре x86. Линейный адрес конкретной ячейки памяти, который в некоторых режимах работы процессора будет совпадать с физическим адресом, делится на две части: сегмент и смещение. Сегментом называется условно выделенная область адресного пространства определённого размера, а смещением — адрес ячейки памяти относительно начала сегмента. Базой сегмента называется линейный адрес (адрес относительно всего объёма памяти.

Микроко́д — программа, реализующая набор инструкций процессора. Так же как одна инструкция языка высокого уровня преобразуется в серию машинных инструкций, в процессоре, использующем микрокод, каждая машинная инструкция реализуется в виде серии микроинструкций — микропрограммы, микрокода.

Атомарная (атом от греч. atomos — неделимое) операция — операция, которая либо выполняется целиком, либо не выполняется вовсе; операция, которая не может быть частично выполнена и частично не выполнена.

Буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation lookaside buffer, TLB) — это специализированный кэш центрального процессора, используемый для ускорения трансляции адреса виртуальной памяти в адрес физической памяти.

Аналого-цифровые преобразователи прямого преобразования (англ. flash ADC, direct-conversion ADC) являются самыми быстрыми из АЦП, но требуют больших аппаратных затрат. .

Внеочередное исполнение (англ. out-of-order execution) машинных инструкций — исполнение машинных инструкций не в порядке следования в машинном коде (как было при выполнении инструкций по порядку (англ. in-order execution)), а в порядке готовности к выполнению. Реализуется с целью повышения производительности вычислительных устройств. Среди широко известных машин впервые в существенной мере реализована в машинах CDC 6600 компании Control Data и IBM System/360 Model 91 компании IBM.

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Разрядность числа в математике — количество числовых разрядов, необходимых для записи этого числа в той или иной системе счисления. Разрядность числа иногда также называется его длиной.

Кодогенерация — часть процесса компиляции, когда специальная часть компилятора, кодогенератор, конвертирует синтаксически корректную программу в последовательность инструкций, которые могут выполняться на машине. При этом могут применяться различные, в первую очередь машинно-зависимые оптимизации. Часто кодогенератор является общей частью для множества компиляторов. Каждый из них генерирует промежуточный код, который подаётся на вход кодогенератору.

Переключение контекста (англ. context switch) — в многозадачных ОС и средах — процесс прекращения выполнения процессором одной задачи (процесса, потока, нити) с сохранением всей необходимой информации и состояния, необходимых для последующего продолжения с прерванного места, и восстановления и загрузки состояния задачи, к выполнению которой переходит процессор.

В информатике бу́фер (англ. buffer), мн. ч. бу́феры — это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратном или программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются, когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки.

В императивном программировании порядок выполнения (порядок исполнения, порядок вычислений) — это способ упорядочения инструкций программы в процессе её выполнения.

Шина данных — часть системной шины, предназначенная для передачи данных между компонентами компьютера.

Латентность (в т.ч. англ. CAS Latency, CL; жарг. тайминг) — временна́я задержка сигнала при работе динамической оперативной памяти со страничной организацией, в частности, SDRAM. Эти временны́е задержки также называют таймингами и для краткости записывают в виде трех чисел, по порядку: CAS Latency, RAS to CAS Delay и RAS Precharge Time. От них в значительной степени зависит пропускная способность участка «процессор-память» и задержки чтения данных из памяти и, как следствие, быстродействие системы.

Машинное слово — машинно-зависимая и платформозависимая величина, измеряемая в битах или байтах (тритах или трайтах), равная разрядности регистров процессора и/или разрядности шины данных (обычно некоторая степень двойки).

В информатике и теории автоматов состояние цифровой логической схемы или компьютерной программы является техническим термином для всей хранимой информации, к которой схема или программа в данный момент времени имеет доступ. Вывод данных цифровой схемы или компьютерной программы в любой момент времени полностью определяется его текущими входными данными и его состоянием.

Демультиплексор — это логическое устройство, предназначенное для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. На схемах демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Защита памяти (англ. Memory protection) — это способ управления правами доступа к отдельным регионам памяти. Используется большинством многозадачных операционных систем. Основной целью защиты памяти является запрет доступа процессу к той памяти, которая не выделена для этого процесса. Такие запреты повышают надёжность работы как программ, так и операционных систем, так как ошибка в одной программе не может повлиять непосредственно на память других приложений. Следует различать общий принцип защиты.

Реги́стровое окно́ — один из методов организации работы с регистрами процессора, применяемый для снижения накладных расходов на работу со стеком при вызовах подпрограмм.

Сравнение с обменом (англ. compare and set, compare and swap, CAS) — атомарная инструкция, сравнивающая значение в памяти с одним из аргументов, и в случае успеха записывающая второй аргумент в память. Поддерживается в семействах процессоров x86, Itanium, Sparc и других.

Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Объём жёсткого диска (также используются термины размер, ёмкость) — максимальное количество информации, которое способен вместить жёсткий магнитный диск.

Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Би́товое поле (англ. bit field) в программировании — некоторое количество бит, расположенных последовательно в памяти, значение которых процессор не способен прочитать из-за особенностей аппаратной реализации.

Состав устройства управления

Устройство управления (УУ) — часть центрального процессора, которая вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд программы. На этапе выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из оперативной памяти. На этапе выполнения команды УУ формирует микропрограмму. Микропрограмма это последовательность микрокоманд , соответствующих одной команде. Эти микрокоманды задают последовательность простейших низкоуровневых операций для АЛУ таких, как пересылка данных, сложение, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Устройство управления (УУ) имеет в своем составе три блока: регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения программный счетчик, в котором содержится адрес следующей, подлежащей выполнению команды регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в оперативной памяти.

Назначение и свойства памяти ЭВМ

Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер — адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида операций над данными — чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего. Каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо данных, либо команды. Виды памяти ЭВМ (по быстродействию): Регистровая память Оперативная память Внешняя память

Системная шина: назначение и состав

Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных , но которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ, шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Принципиально общие закономерности в организации шин

Шина состоит из отдельных проводников — линий. Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — 0), либо уровнем напряжения (высокий уровень, низкий). Страница 29 из 45

Шириной шины называется количество линий, входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ОП ЭВМ. Если количество линий адреса равно 20, то общее количество адресуемых ячеек ОП составит 2 20 = 1 048 576 ячеек. Ширина шины данных определяется разрядностью ЦП (длиной машинного слова). Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы). Другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрирует адреса и управляющие сигналы и принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

Структура шины управления

Линия занятости. Если линия находится в состоянии «шина свободна», то задатчик (ЦП) может начать операцию обмена данными по шине, иначе задатчику придется ожидать, пока шина не освободится. Линия выполняемой операции. Указывает, какая именно операция будет выполняться: чтение (задатчик принимает данные от исполнителя), запись (задатчик передает данные исполнителю). Линия синхронизации. Используется для передачи сигналов синхронизации задатчика и исполнителя.

Операции чтения и записи

Чтение: Процессор переводит шину в состояние занято, на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, устанавливает на шине управления сигнал чтение, выдает сигнал синхронизации задатчика. Память принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает ее содержимое на шину данных. Далее память выдаёт сигнал синхронизации исполнителя. Получив ответ от памяти, процессор считывает данные с шины данных, снимает свои управляющие сигналы и освобождает шину. Запись: Процессор переводит шину в состояние занято, на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, на шину данных помещает данные, которые надо записать в эту ячейку, устанавливает на шине управления сигнал запись, выдает сигнал синхронизации. Память, получив сигнал синхронизации от ЦП, принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает в нее содержимое с шины данных. Далее память выдает сигнал синхронизации исполнителя. Получив ответ от памяти, ЦП снимает свои управляющие сигналы и освобождает шину.

Виды программно-управляемой передачи данных

Синхронный – наиболее простой вид , требует минимум технических и программных средств: поскольку время выполнения операции внешним устройством точно известно. Асинхронный – интервал между командами обмена задается внешним устройством программным путем. Обмен по прерываниям — готовность ВУ к обмену данными проверяется не программным путем, а аппаратным, через контроллеры прерываний.

Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ с шинной организацией

Страница 30 из 45

После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации после включения ЭВМ в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение этой программы — загрузить в оперативную память с устройства внешней памяти операционную систему. Пока будем полагать, что в оперативной памяти оказалась первая из подлежащих выполнению программ. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше. Центральный процессор производит операцию считывания первой команды программы из оперативной памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика. Содержимое считанной ячейки памяти помещается в регистр команды УУ. Устройство управления приступает к интерпретации команды. По полю кода операции из первого слова команды УУ определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов. Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результатов операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т.д.). Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память. Если последняя команда не была командой остановить процессор , то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Страница 31 из 45

Из чего состоит уу

Оператор этапа исполнения операции для команд «Зп» имеет смысл записи результата предыдущей операции Р0_М в ячейку с адресом А_исп:

0П[А_исл]:=ИО(КО_П(,РО_м).

Местоположение Р0_М определяется кодом операции ΚΟη. Оператор этапа ИО для команд «УП» обеспечивает формирование адреса следующей (i + 1)-й коман­ды в зависимости от А_исп и значения проверяемого условия перехода Уел

Местоположение проверяемого условия также определяется кодом операции КЩ
I
Модель устройства управления

Для выполнения своих функций УУ должно иметь входы, позволяющие опреде­лить состояние управляемой системы, и выходы, через которые реализуется уп­равление поведением системы. Модель УУ показана на рис. 6.2 [200]. Входной информацией для устройства управления служат:

• тактовые импульсы — с каждым тактовым импульсом УУ инициирует выполне-
ние одной или нескольких микроопераций;

• код операции — код операции текущей команды поступает из регистра коман­ды и используется, чтобы определить, какие микрооперации должны выпол­няться в течение машинного цикла;

• флаги — требуются устройству управления для оценки состояния ЦП и резуль­тата предшествующей операции, что необходимо при выполнении команд ус­ловного перехода;

• сигналы из системной шины — часть сигналов с системной шины, обеспечиваю-
щая передачу в УУ запросов прерывания, подтверждений и т. п.
В свою очередь, УУ, а точнее микропрограммный автомат, формирует следукь щую выходную информацию:

• внутренние сигналы управления — эти сигналы воздействуют на внутренние схемы центрального процессора и относятся к одному из двух типов: тем, кото­рые вызывают перемещение данных из регистра в регистр, и тем, что иници­ируют определенные функции операционного устройства ВМ;

• сигналы в системную шину — также относятся к одному из двух типов: управля-
ющие сигналы в память и управляющие сигналы в модули ввода/вывода.
Структура устройства управления

Как уже отмечалось ранее, процесс функционирования ВМ состоит из последова­тельности элементарных действий в ее узлах. Такие элементарные преобразова­ния информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО). Совокупность сигналов управления, вызываю­щих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду (МК). В свою очередь, последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок реализации машинного цикла, принято называть микропрограммой. Сиг­налы управления вырабатываются устройством управления, а точнее одним из его узлов — микропрограммным автоматом (МПА). Название отражает то, что МПА определяет микропрограмму как последовательность выполнения мик­роопераций.

Микропрограммы реализации перечисленных ранее целевых функций иници­ируются задающим оборудованием, которое вырабатывает требуемую последова­тельность сигналов управления и входит в состав управляющей части УУ.

Структура устройства управления 2 9 7

Выполняются микропрограммы исполнительным оборудованием, входящим в состав основной памяти (для ЦФ-ВК и ЦФ-ВО) и операционного устройства (для ЦФ-ИО). Исполнительным оборудованием для целевых функций ЦФ-ФАСК, ЦФ-ФИА служит адресная часть устройства управления. В обобщенной структуре УУ (рис. 6.3) можно выделить две части: управляющую и адресную.

Управляющая часть УУ предназначена для координирования работы операци­онного блока ВМ, адресной части устройства управления, основной памяти и дру­гих узлов ВМ.

Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнитель­ных адресов операндов в основной памяти.

В состав управляющей части УУ входят:
• регистр команды (РК), состоящий из адресной (Адрес) и операционной (КОп, СА) частей;
• микропрограммный автомат (МПА);
• узел прерываний и приоритетов УПП).

Регистр команды РК предназначен для приема очередной команды из запоми­нающего устройства. Микропрограммный автомат на основании результатов рас­шифровки операционной части команды (КОп, СА) вырабатывает определенную последовательность микрокоманд, вызывающих выполнение всех целевых функ­ций УУ.

В зависимости от способа формирования микрокоманд различают микропрог­раммные автоматы:
• с жесткой или аппаратной логикой;
• с программируемой логикой.
Организация МПА этих двух типов будет рассмотрена в последующих разде­лах.

Узел прерываний и приоритетов позволяет реагировать на различные ситуа­ции, связанные как с выполнением рабочих программ, так и с состоянием ВМ.

2 98 Глава 6. Устройства управления
Адресная часть УУ включает в себя:
• операционный узел устройства управления (ОПУУ);
• регистр адреса (РгА);
• счетчик команд (СК).

Регистр адреса используется для хранения исполнительных адресов операн­дов, а счетчик команд — для выработки и хранения адресов команд. Содержимое РгА и СК посылается в регистр адреса основной памяти (ОП) для выборки опе­рандов и команд соответственно.

ОПУУ, называемый иначе узлом индексной арифметики или узлом адресной арифметики, обрабатывает адресные части команд, формируя исполнительные адреса операндов, а также подготавливает адрес следующей команды при выпол­нении команд перехода. Состав ОПУУ может быть аналогичен составу основного операционного устройства ВМ (иногда в простейших ВМ с целью экономии затрат на оборудование ОПУУ совмещается с основным операционным устройством).

Сказанное об адресной части УУ проиллюстрируем примерами. Пусть в ОПУУ входят два индексных регистра HPj ИР₂ и индексный сумматор СМИ, как показано на рис. 6.4. ‘

Для данной схемы микропрограмма формирования исполнительного адреса имеет вид, представленный на рис. 6.5, а.

ПРИМЕЧАНИЕ .Индексы при сокращениях П (Прием) и В (Выдача) обозначают фаз-ность передаваемого кода. Каждый двоичный разряд однофазного кода передается по одной цепи (и поступает только на вход S соответству­ ющего триггера). Каждый двоичный разряд парафазного кода передается по двум цепям (и поступает на входы S и R соответствующего триггера), при этом не требуется предварительное обнуление триггера-приемника.

Выполняемые действия определяются полем способа адресации. Если СА ука­ зывает на индексную адресацию относительно ИР_Х или ИР₂ (СА = 1, СА = 2), то по

Структура устройства управления 2 9 9

Рис. 6.5. Микропрограмма формирования: а— исполнительного адреса; б —адреса
следующей команды

управляющему сигналу В,ИР (В,ИР₂) индекс адреса из ИР (ИР₂) подается на левый вход сумматора СМИ. Одновременно по управляющему сигналу BjPK на правый вход СМ1 поступает адресная часть команды из регистра команды — РК(а). Осуществля­ ется микрооперация сложения, результат которой (А_исл) по управляющему сигна­ лу П_гРгА заносится в РгА. Если СА = 3, то адрес формируется по способу прямой адресации. В этом случае по управляющему сигналу Β,ΡΚ выполняется микроопе­ рация сложения адресной части РК с нулем. Результат сложения по управляюще­ му сигналу П₂РгА с выхода СМИ записывается в РгА

Микропрограмма формирования адреса следующей команды (ЦФ-ФАСК) изображена на рис. 6.5, б. Видим, что естественное формирование адреса следую-«щей команды (с помощью СК) не производится, если исполняется команда безус­ловного (БП) или условного (УП) перехода. Такой адрес формируется на этапах ФИА и ПО, он равен исполнительному адресу (если это УП и условие перехода выполняется, или если это БП).

В состав УУ могут также входить дополнительные узлы, в частности узел орга­низации прямого доступа к памяти. Этот узел обычно реализуется в виде самосто— ягельного устройства — контроллера прямого доступа к памяти (КПДП). КПДП обеспечивает совмещение во времени работы операционного устройства с процес­сом обмена информацией между ОП и другими устройствами ВМ, тем самым по­вышая общую производительность машины.

Довольно часто регистры различных узлов УУ объединяют в отдельный узел управляющих (специальных) регистров устройства управления.

Все множество технологий, используемых при реализаций микропрограммных автоматов устройств управления, можно свести к двум категориям: