30

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный технический Университет им. Н.Э.Баумана

ЦЕНТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Архитектура ЭВМ»

Москва , 2001

Цель работы – освоение практических методов проектирования центрального устройства управления процессора, изучение структуры процессора, назначения и взаимодействия его блоков, разработка системы команд для заданного класса задач, а также микропрограмм машинных операций, синтезирование управляющего автомата и проверка работы спроектированного устройства моделированием на ЭВМ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Особенности центрального устройства управления

Любое вычислительное устройство всегда можно представить состоящим из двух частей: операционной и управляющей. Управляющая часть процессоров имеет специфическое название - центральное устройство управления (ЦУУ). ЦУУ процессоров различных ЭВМ отличаются друг от друга, как структурой, так и выполняемыми функциями.

Типовые функции ЦУУ современных ЭВМ [1]:

1. Формирование начального (загрузочного) адреса программы.

2. Выборка команды из оперативной памяти (ОП) и хранение ее до выборки следующей команды.

3. Расшифровка кода операций (КОП) команды для включения микропрограммы соответствующей операции.

4. Выборка операндов из аккумулятора (А), регистров общего назначения (РОН) или ОП.

5. Засылка результата в РОН или ОП.

6. Формирование адреса следующей команды.

7. Контроль выполнения команд (ошибки в КОП, переполнение и т.д.)

8. Остановка процессора.

9. Обработка прерываний.

Для выполнения этих функций в составе ЦУУ должны входить:

1. Регистр команд (РК), обеспечивающий прием и хранение машинных команд.

2. Программный счетчик (РС), называемый также счетчиком команд, который формирует адреса считываемых из памяти команд.

3. Регистры общего назначения, образующие внутреннюю память процессора. РОН используют для хранения индексов, базы, адресов, операндов и результатов.

4. Логические схемы контроля.

5. Дешифратор кода операции.

6. В ряде ЭВМ- стек для запоминания состояния процессора при прерываниях или при обращении к подпрограмме. Стек размещается обычно в оперативной памяти, а в ЦУУ хранится только указатель стека(SP), указывающий адрес первой свободной ячейки в стеке.

7. Аккумулятор - для автоматической засылки результатов арифметических и логических операций.

Для регистра команд, программного счетчика, указателя стека, индексного регистра и аккумулятора в ЦУУ используют либо специальные регистры, либо отдельные регистры внутренней памяти (РОН).

1. Индексный регистр – для хранения индексов при обработке массивов или базы.

2. Регистр возврата (РВ) – для запоминания адреса возврата при обращении к подпрограмме. В ряде процессоров адрес возврата может храниться в регистрах общего назначения или в стеке.

3. Регистр адреса (РА) – для хранения адреса оперативной памяти, по которому происходит запись или чтение информации (команд или данных).

4. Буферный регистр (В) – однобайтовый регистр для хранения адресов, операндов или результатов.

В значительной степени структуру ЦУУ определяют: набор команд, адресность команд, способы адресации и ширина выборки из оперативной памяти.

В лабораторной работе предусмотрено использование машинных команд для выполнения следующих классов операций: 1) пересылки; 2) арифметических и логических; 3) переходов; 4)ввода-вывода.

Машинные команды могут быть одно-, двух-, трехадресными и безадресными. Адресация операндов может быть: прямой, непосредственной, косвенной, регистровой, косвенной регистровой.

Причем каждый операнд в машинной команде может иметь свой способ адресации.

Допускается использовать модификации адресов с помощью специального индексного регистра. Модифицироваться могут либо все адреса операндов данной команды, либо только часть из них.

Типовые форматы машинных команд, рекомендуемые для использования в лабораторной работе при разработке системы команд приведены на рис.1.

коп R

коп R

S1

S2

S3

коп R

R1 R2

коп R

S2

S1

коп R

R1 R2

S2

коп R

S1

Рис. 1 Типовые форматы машинных команд: S1, S2, S3 –

прямые адреса первого, второго и третьего операндов соответственно (прямая адресация); R1,R2 – адреса, в которых хранятся прямые адреса первого и второго операндов соответственно (косвенная регистровая адресация); R – адрес РОН, используемого для хранения индекса для модификации адресов (индексный регистр). Может использоваться также для хранения адреса возврата в операциях перехода.

Машинные команды (машинные программы) и данные должны располагаться в оперативной памяти. Объем памяти – 256 байт. Ширина выборки памяти 1 байт. Это значит, что при обращении к памяти считывается или записывается 1 байт. Для адресации такой памяти необходимо восемь двоичных разрядов (или два шестнадцатеричных). Следовательно, поля команды S1,S2 и S3 должны быть однобайтовыми.

В составе ЦУУ имеется 16 регистров общего назначения, для их адресации потребуется четыре двоичных разряда. Поэтому поля R,R1 и R2 должны иметь по четыре разряда. Так как ширина выборки памяти 1 байт, регистры общего назначения, аккумулятор и арифметико-логическое устройство (АЛУ) также выбраны однобайтовыми, что облегчает их взаимодействие с памятью.

Чтобы ЦУУ работало, длина машинной команды должна быть пропорциональна ширине выборки памяти. В соответствии с этим форматы команд имеют длину 2,3 и 4 байта (см. рис. 1).

Под полем кода операции выделим четыре двоичных разряда, что позволит закодировать до 16 различных типов машинных команд.

При этом в одном байте можно разместить два поля: КОП и R.

Разрядность программного счетчика (счетчика команд) определяется разрядностью адреса оперативной памяти. В этом случае программный счетчик должен быть однобайтовым.

Разрядность указателя стека определяется емкостью памяти, в которой размещается стек. При перемещении стека в оперативной памяти разрядность указателя стека равна разрядности адреса оперативной памяти(1 байт).

Регистр команд должен принимать и хранить все типы команд (см. рис.1). Поэтому он должен быть четырехбайтовым. Каждое поле команды жестко закреплено за определенными разрядами регистра команд:

КОП(4:1)=РК(31:28) S1(8:1)=РК(23:16)

R (4:1)=РК (27:24) S2 (8:1)=(15:8)

R 1 (4:1)=РК (23:20) S3 (8:1)=РК (7:0)

R 2 (4:1)=РК (19:16) I (8:1)=РК (23:16)

Центральное устройство управления в процессе работы непосредственно взаимодействует с пультом управления, оперативной памятью и арифметико-логическим устройством. С пульта управления осуществляется запуск ЦУУ и контроль его работы. В памяти хранятся команды и данные. В АЛУ выполняются арифметические и логические операции над данными. ЦУУ осуществляет выборку команд программы из памяти: расшифровку полей команды, вычисление исполнительных адресов операндов, выборку операндов и передачу их в АЛУ, засылку результата в память и т.д.

В общем случае ЦУУ является сложным устройством, которое, как и любое вычислительное устройство, можно представить состоящим из операционного и управляющего автоматов.

В состав ЦУУ (рис.2) входят регистры общего назначения, регистры индекса (РИ), программный счетчик, указатель стека, аккумулятор: буферный регистр, схема инкремента-декремента (СИД), регистр команд, регистр возврата (РВ), регистр адреса (РА) и управляющий автомат (УА). Взаимодействие устройств между собой, а также с оперативной памятью и арифметико-логическим устройством осуществляется через шины Ш1 , Ш2 и Ш3 (связи ЦУУ с пультом управления, внешними устройствами, а также блоки прерываний и контроля на рисунке не указаны). Назначение и работа РОН, РИ, РС,SP и РК были рассмотрены выше. Все регистры, а также схемы АЛУ и СИД – однобайтовые. Аккумулятор и буферный регистр используются для работы с АЛУ при выполнении арифметических и логических микроопераций (табл. 1) тип А:=А*В. При этом формируются признаки результатов Z , N , C , P.

РОН

РИ

РС

SP

А

В

РК

СИД

РВ

РА

Результат

Из АЛУ

Команды и

Данные из ОП

Y₁

Y _n

X₁ – X₄

УА

Z,N,C,P

Из АЛУ

операнды

Данные

В АЛУ

Данные в ОП

Адрес в ОП

R

ТИ

Ш1 Ш2 Ш3

Рис. 2 Структурная схема ЦУУ

Таблица 1. Управление работой АЛУ

Управляющие сигналы Логические операции Арифметические

в АЛУ операции в АЛУ

y11 y12 y13 y14 y15=1 y15=0

1 2 3 4 5 6

0	0	0	0	x	X+1
0	0	0	1	x y	L1(X.1)
0	0	1	0	xy	X+2
0	0	1	1	0	-
0	1	0	0	xy	R1(0.X)
0	1	0	1	y	X+3
0	1	1	0	xy	X-Y
0	1	1	1	xy	-
1	0	0	0	xy	R1(1.X)
1	0	0	1	xy	X+Y
1	0	1	0	y	Y-X
1	0	1	1	xy	X+4
1	1	0	0	FF	L1(X.0)
1	1	0	1	xy	-
1	1	1	0	xy	-
1	1	1	1	x	X-1

С хема инкремента-декремента (СИД) увеличивает или уменьшает на единицу подаваемые на ее вход значения. Она может работать одновременно с АЛУ, увеличивая производительность процессора. СИД используют для обработки содержимого РОН, РИ, РС, SP. Она выполняет микрооперации типа С:=С + 1, где С - переменная на входе СИД.