Тема 11_2010 Микропрограммное управление (Лекции (ещё одни))

Тема 11_2010. Устройства управления ЭВМ и ВСПроцессоры с микропрограммным управлениемЛюбая система обработки данных (СОД) рассматривается как совокупностьтрех устройств:• Памяти;• Операционного устройства;• УправленияУстройство управления (УУ) предназначено для выработкиуправляющих сигналов, необходимых для выполнения любого действия,происходящего в СОДКлассификация УУ:1. По структурной организации• Централизованные• Смешанные – централизованные + местные• Иерархические (в ВС)2.По технической организации• С жесткой логикой работы• Устройства микропрограммного управленияУУ с жесткой логикойВыполнение операций в машине сводится к элементарнымпреобразованиям информации (передача информации между узлами вблоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции,проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках подвоздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств)управления.

Элементарные преобразования, неразложимые на болеепростые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации иназываются микрооперациями.Известны два подхода к построению логики формирования функциональныхимпульсов. Один из них – аппаратный.В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операциисоответствует свой набор логических схем, выполненных на диодах,транзисторах и т. д. и определяющих, какой функциональный импульс (ФИ) и вкаком такте должен быть возбужден.

Т.е. логические схемы вырабатываютопределенныефункциональныесигналыдлявыполнениямикроопераций в определенные моменты времени. При этом способепостроения УУ реализация микроопераций достигается за счет однаждысоединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратнымустройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Этопонятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ иозначает практическую невозможность каких-либо изменений в системекоманд ЭВМ после ее изготовления.Пусть некоторый ФИ должен появиться в такте j операции m при условииналичия переполнения сумматора или в такте i операции n.

Требуемое действиебудет выполнено, если подать сигналы, соответствующие указанным кодамоперации, тактам и условиям на входы схем И, а выходы последних через схемуИЛИ соединить с формирователем ФИ (рис. 1).Рис. 1. Формирование функционального импульсаТакой принцип управления операциями получил название "жесткой" или"запаянной" логики и широко применяется во многих компьютерах.Другой принцип организации управления: каждой микрооперации (МИО) 1ставится в соответствие слово (или часть слова), называемое микрокомандой ихранимое в памяти подобно тому, как хранятся в памяти команды обычногокомпьютера. Здесь команде соответствует микропрограмма, т.

е. набормикрокоманд (МИК), указывающих, какие ФИ и в какой последовательностинеобходимо возбуждать для выполнения данной операции. Такой подход получилназвание микропрограммирования или "хранимой логики". Это подчеркиваетМикрокоманда – совокупность совместимых микроприказов, инициирующихвыполнение микрооперацииМикрооперация – элементарное действие, выполняемое тем или инымфункциональным узлом ЭВММикропрограмма – набор микроопераций1тот факт, что в микропрограммном компьютере логика управления реализуется нев виде электронной схемы, а в виде закодированной информации, находящейся вкаком-то регистре.Микропрограммное управлениеИдея микропрограммирования, высказанная в 1951 г.

Уилксом, нашлаширокое применение в машинах серии IBM 360, когда появились надежные ибыстродействующиеЗУдляхранениямикропрограммы.Засчетмикропрограммного управления появилась возможность эмуляции системы командстарых моделейДостаточнодолгомикропрограммирования.неправильнопонималисьзадачиивыгодыСчиталось, ценность микропрограммирования в том, что каждый потребительможет сконструировать себе из МИК нужный ему набор операций в даннойконкретной задаче. Замена наборов команд достигалась бы заменой информации вЗУ без каких-либо переделок в аппаратуре.

Однако в этом случае программистунеобходимо было бы знать все тонкости работы инженера-разработчикакомпьютера. А основная тенденция развития ЭВМ в связи с автоматизациейпрограммирования состоит в том, чтобы освободить программиста от детальногоизучения устройств компьютера и в максимальной степени приблизить языккомпьютера к языку человека. Поэтому микропрограммные компьютеры считалитрудными для пользователя.Микропрограммный принцип актуален, так как:•созданы односторонние (читающие) быстродействующие ЗУ с малымциклом памяти;•микропрограммирование рассматривается не как средство повышениягибкости программирования, а как метод построения системы управленияпроцессором, удобный для инженера-разработчика компьютера.Программист в своей работе может и не подозревать о микропрограммнойструктуре компьютера и использовать все средства ПО и языки программированиясамого высокого уровня. Использование микропрограммного принципа позволяетоблегчить разработку и изменение логики процессора.С появлением программного доступа к состоянию процессора послевыполнения каждой МИК обеспечивается возможность создания экономичнойсистемы автоматической диагностики неисправностей и появляется способность кэмуляции, т.

е. к выполнению на данной ЭВМ программы, составленной в кодахкоманд другого компьютера. Это достигается введением дополнительного набораМИК, соответствующих командам эмулируемого компьютера.Этивозможностиспособствуютраспространениюметодовмикропрограммирования при построении УУ в современных компьютерах.Микропрограмма записываетсямикропрограмм или микрокомандвспециализированнуюпамять–памятьПри микропрограммной реализации УУ в состав последнего вводитсяЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появлениеопределенного функционального сигнала управления.

Поэтому каждоймикрооперации ставится в соответствие свой информационный код микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализацииобеспечиваютвыполнениелюбойсложнойоперации.Набормикроопераций называют микропрограммами. Способ управленияоперациями путем последовательного считывания и интерпретациимикрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУиспользуют быстродействующие программируемые логические матрицы),атакже использованиякодов микрокоманд длягенерациифункциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, амикроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или схранимой (гибкой) логикой управления.К микропрограммам предъявляют требования функциональнойполноты и минимальности. Первое требование необходимо дляобеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинныхопераций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемогооборудования.

Учет фактора быстродействия ведет к расширениюмикропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократитьвремя выполнения команд программы.Преобразование информации выполняется в универсальномарифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится наоснове комбинационных логических схем.Для ускорения выполнения определенных операций вводятсядополнительно специальные операционные узлы (например, циклическиесдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК)БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметическихрасширителей.Операционные возможности микропроцессора можно расширить засчет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закреплениефункций регистров отсутствует, то их можно использовать как дляхранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистрымикропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН).

Помере развития технологии реально осуществлено изготовление вмикропроцессоре 16, 32, 64 и более регистров.В целом, принципследующие позиции:микропрограммногоуправлениявключает1. любаяоперация,реализуемаяустройством,являетсяпоследовательностью элементарных действий - микроопераций;2. для управления порядком следования микроопераций используютсялогические условия;3. процесс выполнения операций в устройстве описывается в формеалгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логическихусловий, называемого микропрограммой;4. микропрограмма используется как форма представления функцииустройства, на основе которой определяются структура и порядокфункционирования устройства во времени.Принцип микропрограммного управления обеспечивает гибкостьмикропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемнуюориентацию микро- и миниЭВМ.Существуют два вида микропрограммного управления:• горизонтальное (схема с минимальным кодированием, когдатребуется достичь макс.

скорости работы процессора)и• вертикальное (исп. сильно закодированные команды, носнижены аппаратные затраты на обработку микрокоманд)Горизонтальное микропрограммированиеПри горизонтальном – каждому разряду МИК соответствует определеннаямикрооперация, выполняемая независимо от содержания других разрядов.Микропрограмма может быть представлена в виде матрицы n × m, где n – числоФИ, m – количество МИК, т. е. строка соответствует одной МИК, а столбец –одной МИО (рис.2).Рис.2.

Микропрограмма при горизонтальном микропрограммированииПримерные значения разрядов МИК приведены на рис. 3...Рис.3. Значение разрядов МИК (МИО):1 – гашение сумматора; 2 – гашение указателя переполнения; 3 – обратный кодсумматора; 4 – гашение регистра множителя частного; 5 – инвертирование знака; 6 –сдвиг содержимого сумматора влево; 7 – сдвиг содержимого сумматора вправо; 8 –увеличение содержимого сумматора на 1; 9 – чтение из ЗУ в сумматор; …Наличие "1" в пересечении какой-либо строки и столбца означаетпосылку ФИ в данную МИК, а наличие "0" – его отсутствие.Размещение "1" в нескольких разрядах МИК означает выполнениенескольких МИО одновременно.

Конечно, возбуждаемые МИО должны бытьсовместимы.Пусть, например, разряды 9-разрядной МИК принимают следующиезначения: 001001101. Тогда, если заданные разряды соответствуют семантике,указанной на рис. 3, то МИО, определяемые разрядами 9, 7 и 6, несовместимы.Для расширения возможностей МИК иногда используют многотактныйпринцип исполнения МИК. При этом каждому разряду присваивается номер такта,в котором выполняется соответствующая ему МИО, т. е.

здесь все совместимыеМИО имеют один номер такта. Все остальные такты нумеруются в порядке ихестественного выполнения. Однако универсальную нумерацию МИО в МИКуказать затруднительно.Достоинства горизонтального микропрограммирования:• возможность одновременного выполнения нескольких МИО;• простота формирования ФИ (без схем дешифрации).Недостатки:• большая длина МИК, так как число ФИ в современных компьютерахдостигает нескольких сот, и соответственно большой объем ЗУ дляхранения МИК;• из-за ограничений совместимости операций, а также из-запоследовательного характера выполнения алгоритмов операций лишь небольшаячасть разрядов МИК будет содержать "1".