Аппаратное управление

Аппаратное управление осуществляется последовательностным цифровым устройством (ПЦУ), построенным на принципах схем­ной логики. В соответствии с управляющими сигналами ПЦУ вы­полняются микропрограммы, поэтому его можно назвать микро­программным автоматом. Для каждой операции в ПЦУ имеется спой набор логических схем, вырабатывающих определенные уп­равляющие сигналы для выполнения микроопераций в заданные моменты времени. При указанном построении управляющего ПЦУ микрооперации осуществляются за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому такие устройства называются процессорами с жесткой логикой управления.

Рис. 10.2. Схема процессора с жесткой логикой

Это означает, что для процессора существует определенный фиксированный набор команд по числу операций и неизменная структура связей между узлами, обеспечивающая заданную последовательность выполнения каждой операции (рис. 10.2). В управляющей части процессора имеется ряд узлов для выполнения различных опера­ций на одном и том же оборудовании операционной части ОЧ процессора. Каждой операции из фиксированного для такого про­цессора набора (на рис. 10.2 всего к операций) соответствует оп­ределенная команда, которая поступает из оперативного запоми­нающего устройства ОЗУ. В управляющей части процессора код этой команды с помощью дешифратора команд Д преобразуется в сигнал на определенном выходе, который включает в работу соответствующий узел управления УУi, (всего и х к — столько же, сколько и операций) процессом выполнения данной операции.

На основе рассмотренной схемы может быть создан и микропроцессор, т.е. процессор в виде интегральной схемы. Реализация принципа схемной логики в МП означает, что после его изготов­ления практически невозможно изменить набор команд и опера­ций. Это приводит к узкой специализации изделия и снижает серийность выпуска, а, следовательно, стоимость такого МП будет большой.

В состав управляющего устройства входят следующие основные узлы: регистр команд; счетчик команд; дешифратор операций; адресный сумматор; индексные регистры; шины адресов, команд и данных.

Программное управление

При программном управлении некоторые функции управляющей части процессора реализуются аппаратным путем. В частности, в большинстве ЭВМ используется естественный порядок следования команд, при котором применяется счетчик команд. В начале работы по данной программе в счетчик засылается адрес первой команды этой программы, а при исполнении каждой очередной команды содержимое счетчика возрастает на единицу. Исполнение команд условного или безусловного перехода вызывает замену со­держимого счетчика. В него засылается первый адрес новой про­граммной последовательности.

Суть принципа программируемой логики заключается в том, что при выполнении новой операции (отличающейся от предыдущей) используются прежние логические элементы, но изменяются функциональные связи между ними.

При реализации этого принципа кодовые комбинации управляющих сигналов представляются в виде кодов микрокоманд, которые сохраняются в управляющей памяти УП (рис. 10.4, а). При выполнении некоторой операции из УП выбирается микрокоманда и выдается в виде совокупности управляющих сигналов в операционную часть ОЧ. Для каждой операции в УП имеется своя микропрограмма. В соответствии с содержимым счетчика команд из оперативной памяти выбирается команда и по ее коду определя­ется соответствующая ей микропрограмма в УП. Микрокоманды найденной микропрограммы последовательно считываются и подаются в ОЧ. В результате реализуется операция, определяемая данной командой. Такой способ реализации операций получил название «микропрограммный», а процессор с устройством управления, основанном на этом принципе, называется процессором с программируемой логикой.

Рис. 10.4. Процесс с программируемой логикой:

а — структура устройств; б — структура команд

Микрокоманда (МК) содержит три поля (рис. 10.4, б): адреса, условных переходов, управляющих сигналов. По содержимому поля адреса определяется адрес следующей МК. В поле условных переходов указывается наличие безусловного или условного перехода, а в случае условного перехода отмечаются условия определения адреса очередной МК. Поле управляющих сигналов МК служит для организации функционирования ОЧ (см. рис. 10.4, а). Поступающая из ЗУ команда используется для определения с помощью блока микропрограммного управления БМУ адреса первой МК той микропрограммы, которая реализу­ет заданную командой операцию.

Адреса последующих МК определяются БМУ следующим образом. Поле адреса МК содержит адрес очередной МК. В случае ус­ловного перехода один из разрядов поля условных переходов от­водится для указания вида перехода (например, 0 — безусловный переход, 1 — условный переход). Для каждого условия отводится разряд, определяющий участие данного условия в определении адреса. В зависимости от условия образуются два различающихся младшим разрядом адреса и очередная МК считывается из одной или другой ячейки УП. В результате получается разветвление на два направления. Таким образом, МК может быть разбита на две. Микрокоманда микропрограммного управления определяет функционирование БМУ при определении адреса очередной МК по полю адреса и полю условных переходов.

Использование принципа программируемой логики при пост­роении управляющего устройства может привести к снижению быстродействия МП из-за увеличения числа тактов выполнения микропрограммы. Достоинство такой организации управления зак­лючается в возможности гибкого изменения набора команд в МП с помощью изменения совокупности микропрограмм, реализу­ющих эти команды.

Программа записывается в ЗУ в виде последовательности ко­манд. Каждая команда определяет вид операции, исполняемой в данном цикле работы, адреса операндов, участвующих в опера­ции, место расположения результата операции, адрес располо­жения следующей команды. При малой разрядности МП трудно задать такую обширную информацию с помощью только одного слова. Проблемы выбора формата команд и кодирования полей команд МП имеют особое значение. Гибкость МП и его эффек­тивность определяются числом команд и полнотой системы ко­манд, средствами и способами адресации, возможностями орга­низации разветвленных вычислительных процессов.

С увеличени­ем разрядности команды растут и возможности МП. Ограничен­ная разрядность команды создает существенные трудности в раз­мещении информации о ходе операции и методе адресации дан­ных. Для преодоления этих трудностей в систему команд вводятся операции с удвоенной разрядностью, а также команды с пере­менной разрядностью.

Кроме поля кода операции и кодов адресов операндов команда должна содержать поле признаков с указаниями способов адреса­ции. Способы адресации определяют механизм формирования прямого адреса памяти по полю адреса и полю признаков адреса­ции. Гибкость системы команд в значительной мере определяется разнообразием способов адресации. Команды различают по функ­циональному назначению, числу адресов, способу кодирования команд, длине команды, способу адресации.

Заключение

Мы рассмотрели физическую и функциональную структуру микропроцессоров.

Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.

Разработал зав.кафедрой АСУ Я.Н. Немов

^{(должность, в/звание, подпись, фамилия)}

“____” ______________ 2013 г.

Дата добавления: 2014-01-03