Лекц.БЦВМиСР1-8(2) (Все лекции по БВМиС в ворде), страница 2

Предпочтительность применения ∑₁ или ∑₂ определяется конкретной схемой построения на их основе многоразрядных сумматоров.

Тема 3.

Процессоры, управляемые контроллером.

3.1 Особенности процессоров, используемых в БВМ.

Особенности процессоров, используемых в бортовых вычислительных машинах, определяются (в основном) следующими факторами:

1. Жесткие ограничения по массе физическому объему, потребляемой мощности;

2. Фиксированный набор решаемых задач.

Пункт (1) приводит к выбору наиболее простых решений в части структуры, системы команд, форм представления операндов, разрядности основного формата данных.

Пункт (2) позволяет использовать постоянные запоминающие устройства для хранения программ, а также использовать процессоры, в которых решаемые задачи сильно связаны с аппаратной реализацией этих процессоров.

3.2 Классификация процессоров БВМ.

Процессор любой вычислительной машины – это основное, главное устройство, выполняющее заданные преобразования информации и осуществляющие координацию всего вычислительного процесса в машине.

Классификация:

1. По принципу организации вычислительного процесса (способу управления вычислительным процессом):

   1. ПК – процессоры, управляемые контроллером;

   2. ПП – процессоры, управляемые потоками данных (потоковые процессоры).

2. По способу организации внутренних связей ПК и ПП имеют различную классификацию:

1.1 - ПК	1.2 - ПП
1.1.1. С непосредственными связями (ПКНС)	1.2.1. С непосредственными связями (ППНС)
1.1.2. С универсальными регистрами (ПКУР)	1.2.2. С матричными коммутаторами (ППМК)
1.1.3. Со стековой памятью (ПКСП)	1.2.3. С универсальной структурой (ППУС)

3.3. ПК – процессоры, управляемые контроллером.

Определение: ПК – это такие процессоры, в которых последовательность выполняемых операций (команд) определяется специальным устройством управления (УУ) (контроллером) на основе дешифрации занесенной в память машины программы.

Общая структура ПК

АЛУ

ИП

СОЗУ

УУ

(контроллер)

Обозначения:

Информационные шины (данных, команд)

Цепи управления

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

СОЗУ – сверхоперативное заполняющее устройство;

УУ – устройство управления (контроллер);

ИП – интерфейс процессора.

Рис. 3.1. обобщённая структурная схема ПК.

Характеристики основных устройств ПК.

АЛУ – центральный узел ПК, на котором выполняются почти все команды (кроме команд условного и безусловного переходов). Состоит из многоразрядного сумматора и нескольких регистров. Для бортовых ВМ АЛУ строиться на основе компромисса между критериями сложности (С) и быстродействия (Б).

СОЗУ – память небольшой емкости (блок регистров, стек).

УУ – контроллер реализуется на основе микропрограммирования, либо на основе «жесткой логики».

ИП – интерфейс – аппаратно-программные средства связи между узлами процессора и с внешними (по отношению к ПК) устройствами (память программ, память операндов, внешние устройства).

Основная задача выбора типа ПК для построения конкретной БВМ – это определение требований к процессору по быстродействию, объему памяти программ с учетом ограничений по критерию сложности на основе анализа алгоритмов задач, решаемых на данной бортовой ВМ.

Далее будут рассмотрены потребные характеристики различных типов ПК на основе анализа реализуемой на них типовой (очень простой) задачи формирования управляющего воздействия (на исполнительный орган летательного аппарата) Y на основе входных данных a, b, c:

Выбор такой простой задачи обоснован ограничениями времени учебного процесса. При этом методический подход к решению задачи оценки характеристик ПК сохранен и не зависит от сложности типовой задачи.

3.4. ПКНС – ПК с непосредственными связями.

При оценках характеристик различных типов ПК будем исходить из того, что узлы УУ и ИП мало чем отличаются друг от друга для различных ПК. Поэтому будем давать оценки характеристик двух узлов АЛУ и СОЗУ:

Для ПКНС узел СОЗУ отсутствует. Поэтому рассматриваем узел АЛУ:

Шина входная

(из ЗУ)

Рис. 3.2. структурная схема ПКНС.

Определение: ПКНС – это такой процессор, в котором в АЛУ имеется минимальное количество регистров и функции их жестко определены:

При выполнении операций сложения, вычитания и логических:

Р1 – первый операнд;

Р2 – второй операнд;

Р3 – результат.

При выполнении операции умножении:

Р1 – множимое;

Р2 – множитель;

Р3 – произведения ( в том числе и частичные произведения)

Причем Р2 и Р3 сдвигающие вправо регистры.

При выполнении операций деления:

Р1 – делитель;

Р2 – частное (сдвигающий влево регистр)

Р3 – делимое ( в том числе частичные остатки) (сдвигающий влево регистр).

Таким образом регистры Р2 и Р3 являются реверсивными сдвигающими регистрами.

При реализации типовой задачи на ПКНС примем следующие допущения:

Система команд – одноадресная;

Формат команды: 6 р. 10 р.

КОП А

(КОП - код операции – 6 разрядов; А - адрес – 10 разрядов).

Адреса размещения операндов в оперативной памяти:

a → A1

b → A2

c → А3

Y → A4

Введём несколько необходимых для решения задачи команд:

Команда ввода  {A} → Р3;

Команда вывода  {Р3} → А;

Арифметические команды (+, ×, / ) → {Р3} ☼ {A} → Р3;

(☼ - знак любой команды)

Времена выполнения команд различных форматов:

Формат безадресной команды:

КОП

Время выполнения команды – одна условная единица времени - t_о;

Формат команды регистр – регистр (R-R):

КОП

Ri

Rj

Время выполнения команды – 1,5 t_о;

Формат адресной команды:

КОП

A

(А)

КОП

Ri

A

Время выполнения команды – 2 t_о;

(R-S)

Программа решения задачи на ПКНС:

№	КОП	Адрес	Комментарий
1	Сч	А1	a → P3
2	+	А3	a + с → Р3
3	Зап	А5	а + с → А5
4	Сч	А1	a → Р3
5	×	А1	а2 → Р3
6	Зап	А6	а2 → А6
7	Сч	А2	b → Р3
8	Х	А2	b2 → Р3
9	+	А6	а2 + b2 → Р3
10	/	А5	(а2 + b2) / (а + с) → P3
11	Зап	А4	Y → A4

С учётом ранее введённых предположений и анализа этой программы дадим следующие оценки:

- время решения задачи - Т_р.зад. = 22 t₀; (Одиннадцать адресных команд);

- сложность ПКНС - С_пкнс=С_р1+С_р2+С_р3+С_мс=8n+2x24n+17n=73n;

- объем ЗУ программ - Q_прог. = 11х16р = 176 бит.

Т.о. ПКНС при решении типовой задачи характеризуется следующей тройкой цифр: ПКНС (73n, 22t₀, 176)  ( C , Т_р.зад. , Q_прог. ).

3.5. ПКУР – ПК с универсальными регистрами.

Определение: ПКУР – это такой ПК, который содержит в своей структуре блок универсальных адресуемых регистров. Система команд таких процессоров имеет, по крайней мере, команды двух форматов RR и RS.

Структурная схема показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема ПКНС.

Форматы команд:

1. RR: 6 p. 2 p. 2 p. (10 р.)

{Ri} ☼ {Rj} → Ri

☼ - знак любой двухместной операции (+, -, ×, /, …)

.

2) RS: 6 p. 2 p. 10 p. (18 p.)

{Ri} ☼ {A} → Ri

3) Считывание из ОЗУ (формат RS):

Сч Ri A

{A}→Ri;

4) Запись в ОЗУ (формат RS):

{Ri}→А;

Обозначения:

{A} - содержимое ячейки ОЗУ с адресом А;