ЛР Типовые микрооперации (Методические материалы по курс.работе)

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный технический Университет им. Н.Э.Баумана

Типовые микрооперации.

Методические указания к лабораторным работам по курсу

"Архитектура ЭВМ"

Москва 2002 г.

1. Теоретическая часть.

I. Принципы микропрограммного управления операциями. Для выполнения операций над информацией в ЭВМ используют различные операционные устройства (ОУ) - процессоры, каналы ввода-вывода, УУВУ и т.д. Функция ОУ - выполнение заданного множества операций F={f ₁,… f _G} над входными словами D={d₁,… d_H} с целью вычисления выходных слов

R ={r₁,… r_Q} где R=f_g(D), g=1,G

Ф ункциональная и структурная организация ОУ в современных ЭВМ базируется на следующих принципах микропрограммного управ­ления:

1. Любая операция f_g, g=1,G ,реализуемая устройством, рас­сматривается как сложное действие, которое разделяется на пос­ледовательность элементарных действий над словами информации, называемых микрооперациями.

2. Для управления порядком следования микроопераций исполь­зуются логические условия, которые в зависимости от значений слов, преобразуемых микрооперациями, принимают значения "истина" или "ложь" (I или 0).

3. Процесс выполнения операций в ОУ описывается в форме алгоритма, представленного в терминах микроопераций и логи­ческих условий и называемого микропрограммой. Микропрограмма определяет порядок проверки значений логических условий и сле­дования микроопераций, необходимой для получения результатов.

4. Микропрограмма является основой для определения струк­туры и функционирования ОУ во времени.

Применение принципов микропрограммного управления позво­ляет формализовать и автоматизировать проектирование ОУ различного назначения.

В общем случае любое ОУ разделяется на две части - операционный и управляющий автоматы:

Операционный автомат (ОА) служит для хранения слов информации, выполнения набора микроопераций и вычисления зна­чений логических условий, т.е. ОА выполняет действия над информацией. Микрооперации (МО), реализуемые ОА, инициируются множеством управляющих сигналов Y={y₁ ,…,y_M}, с каждым из которых связана определенная МО.

Значения логических условий, вычисляемых в ОА, отобража­ются множеством осведомительных сигналов X={x₁ ,…,x_L} , каждый из которых связан с определенным логическим условием.

Управляющий автомат (УА) генерирует последовательность управляющих сигналов Y={y₁ ,…,y_M}, предписанную микро­программой и соответствующую значениям логических условий. Таким образом, УА задает порядок выполнения действий в ОА, вытекаю­щий из алгоритма выполнения операции.

В вычислительном устройстве может выполняться несколько различных операций. Выбор наименования операции, которую необходимо выполнить, задается кодом g операции.

Таким образом, любое ОУ - процессор, КВВ, УУВУ - являются комбинацией ОА и УА. ОА, реализуя действия над словами инфор­мации, является исполнительной частью устройства, работой которого управляет УА, генерирующей последовательности управ­ляющих сигналов.

R

ОА

УА

Y

g

D

X

Основные характеристики ОУ.

Основные характеристики ОУ - быстродействие и затраты оборудования.

Быстродействие ОУ определяется средним временем выполнения операций

_G

t_оп = p_i ^. t_i

ⁱ⁼¹

где p_i - вероятность выполнения i -той операции

t_i - время выполнения i -той операции

Вероятности p_i определяются классом решаемых задач. ОУ функционирует в дискретном времени t = 0,1,2.... Промежуток между двумя последовательными моментами t и (t+1) дискретного времени называется тактом работы ОУ или машинным тактом.

В течение такта формируется набор управляющих сигналов, выполняются соответствующие МО и вычисляются значения логичес­ких условий. Длительность такта Т зависит от сложности МО (сложение, сдвиг) и логических условий и от быстродействия элементов, из которых построено ОУ. С учетом этого среднее время выполнения операции будет t_оп =T ^. n

где n - среднее число тактов, за которое реализуется одна операция.

T – такт работы ОУ.

Затраты оборудования в ОУ определяются суммарной стои­мостью С элементов, из которых состоит ОУ.

Наибольшее влияние на быстродействие ОУ и затраты обо­рудования оказывает набор МО Y={y_m}и логических условий X={x_l}.

Например, если ОУ должно реализовать заданное множество операций F={f ₁,… f _G } над словами D для получения результатов R, то оно может быть построено различными способами. Рассмотрим два из них:

1. Множество всех операций F={f ₁,… f _G } реализуется всего одной МО с помощью комбинационной схемы за один такт (это вполне возможно).

2 . Множество всех операций F={f ₁,… f _G } выполняется с помощью элементарной МО S_:=S_S_, где S_, S_ S_,- от­дельные разряды слов (биты). На выходе схемы формируется един­ственное логическое условие X=S_, значение которого 0 или I определяется результатом МО. Теоретически доказано, что в терминах функций 0 можно описать любой алгоритм, т.е. система является функционально полной. В этом случае ОА в каж­дом такте может выполнять одну МО S_:=S_S_, под управ­лением УА. При этом ОА выполняет операции в виде последователь­ности простейших операций над битами.

Рассмотренные два варианта построения ОА обладают диа­метрально противоположными свойствами:

1. Первый вариант является наиболее быстродействующим, второй - наименее быстродействующим.

2. В первом ОУ управляющий автомат отсутствует, в то время как во втором ОУ на него приходится максимальная доля затрат оборудования.

3. ОА в первом устройстве наиболее сложен по конструкции, а во втором - наиболее прост.

Между двумя рассмотренными вариантами существует целый ряд вариантов с промежуточными характеристиками.

Исходные данные для проектирования ОУ.

Обычно при проектировании ОУ бывает известным:

- перечень входов D и выходов R устройства,

- набор операций F={f ₁,… f _G }

• ограничение на среднее время выполнения операции.

Требуется спроектировать схему ОУ, обеспечивающую реализацию заданных функций с заданным быстродействием при минимальном количестве оборудования.

Для проектирования схем ОУ выполняемые операции должны быть описаны в виде микропрограмм.

Микропрограмма, описывающая работу ОУ безотносительно к его структуре, называется функциональной микропрограммой (ФМП). ФМП содержит в себе алгоритм выполнения операции, рекоменду­емый проектировщиком, и используется как основа для выбора структуры ОУ.

Для записи ФМП разработан язык функционального микропрограммирования - Ф-язык. Средства языка обеспечивают описание слов, МО, логических условий и порядка их выполнения.

Язык функционального микропрограммирования.

Ф-язык предназначен для описания работы операционных уст­ройств на уровне микропрограмм безотносительно к их структуре. Рассмотрим инженерную версию языка, в которой используется общепринятая математическая символика, таблицы в их обычной форме и графическое представление схем алгоритмов.

Машинно-ориентированная форма языка описана в книге:

Майоров С.А., Новиков Г.И.,. Принципы организации цифровых машин (1974г.).

Средствами Ф-языка описываются ФМП, определяющие алгорит­мы выполнения операций в устройствах.

ФМП состоит из двух частей:

1. Описание слов и массивов, устанавливающее типы и форматы слов.

2. Содержательный граф микропрограммы, который определяет алгоритм в виде описаний микроопераций и логических условий.

Описание слов и массивов.

Слово - это основной элемент информации в ФМП. Описание слова содержит: наименование, формат и тип слова, характери­зующий способ присваивания и использования значений слова. Наименование и формат слова задаются в виде: C(n₁:n₂)

где С - идентификатор

n₁ и n₂ - номера старшего и младшего разрядов слова.

Разряды слова нумеруются справа налево неотрицательными целыми числами. Причем n₂ < n₁ .

Так, описание А(0:31) определяет 32-разрядное слово А, описание В(1:8) - 8-раэрядное слово В.

Описание одноразрядного слова состоит только из одного идентификатора. Так, описания Z,ПП,ТР – определяют три одноразрядных слова.

Массив - совокупность слов, имеющих одинаковую длину.

Массив описывается в виде M=[m₁:m₂](n₁:n₂)

где М- идентификатор массива

m₁ и m₂ - границы номеров слов, составляющих массив,

причем m₂>m₁

n₁ и n₂ - номера старшего и младшего разрядов слова. Например, описание РП[0:15](0:31) представляет массив из 16-ти 32-разрядных слов.

Действия в микропрограмме могут производиться как над словами, так и над полями.

Поле - часть слова, имеющая самостоятельное значение. Поля описываются следующими конструкциями:

1) С(p₁:p₂) ,C(p)

где С - идентификатор слова С(n₁:n₂)

p₁ и p₂ – номера старшего и младшего разрядов поля, причем p₁<p₂ ,n₁p₁<n₂, n₁<p₂  n₂

p – номер разряда слова С(n₁:n₂), где n₁ p n₂

Здесь первая конструкция выделяет (p₂-p₁+1) -разрядное

поле, а вторая - Р разряд слова С.

Полям можно присваивать собственные имена. Наименования полей вводятся следующими описаниями:

G(n₁:n₂)= С(p₁:p₂); H=C(p)

где G и H - имена полей слова С, причем n₁-n₂ = p₂-p₁.

В зависимости от способа использования все слова бывают четырех типов:

I) Входные - значения им присваиваются вне микропрограммы (МП), а используются - внутри МП (тип-1).