Средства описания функций операционных устройств

Принцип микропрограммного управления (функциональная организация операционных устройств)

Организация ОУ базируется на принципе микропрограммного управления, основные положения которого можно сформулировать в виде следующих 4 тезисов.

1. Любая операция f_g ÎF рассматривается как сложное действие и разделяется на совокупность элементарных действий, называемых микрооперациями (МО). Выполнение каждой МО осуществляется специальной комбинационной схемой (КС) за один такт машинного времени.

2. Порядок выполнения МО задается алгоритмом операции f_g ÎF и зависит от значений логических условий (ЛУ). ЛУ принимают значения истина или ложь в зависимости от значений операндов. ЛУ используются в качестве условий альтернативных переходов в алгоритмах операций.

3. Алгоритм, представленный, записанный в терминах МО и ЛУ, называется микропрограммой (МП). МП задает порядок выполнения МО и проверки ЛУ во времени.

4. Совокупность микропрограмм МП₁, …, МП_g задает функцию ОУ.

В качестве примера рассмотрим операцию умножения fg ÎF. Пусть это будет простейший вариант - умножение правильных дробей в прямом коде (например, умножение мантисс чисел в формате с плавающей запятой): С=А´В. Формат операндов А, В, разрядность k=15:

Произведение С представить в том же формате, т.е. округлить до k разрядов (произведение двух k-разрядных чисел дает 2k-разрядный результат).

Алгоритм умножения (словесный):

1. Будущему произведению С присвоить нулевое значение (С:=0).

2. Если младший разряд множителя В(15) равен 1, то произведение С увеличить на А (С:=С+А).

3. Произведение С и множитель В совместно сдвинуть на один разряд вправо:

4. Действия 2,3 повторить для всех k=15 цифр множителя В.

5. Произведение С округлить по значению k+1 разряда произведения.

6. Сформировать знак произведения: С(0):=А(0)ÅВ(15).

Этот же алгоритм в графической форме - в виде так называемой граф-схемы алгоритма (ГСА) – представлен на рисунке 5.2.

Здесь СЦ - счетчик циклов. Как видно из этого примера, операция умножения разделяется на 7 МО, основные из которых сложение (реализуется за один такт комбинационным двоичным сумматором) и сдвиг (реализуется сдвигателем). Порядок выполнения МО зависит от значений трех ЛУ (осведомительных сигналов): В(15), В(0), СЦ=0. ГСА умножения задает порядок выполнения МО и проверки ЛУ во времени. Например, в зависимости от В(15) в следующий момент времени, в следующем такте

будет выполняться либо МО сложения С:=С+А (если В(15)=1), либо МО сдвига, если В(15)=0.

Выводы: 1) Обработка информации с помощью ОУ осуществляется путем выполнения операций из списка F в последовательности, которая задается алгоритмом (программой) решения задачи: ЦП, выполняя программу, распределяет выполнение операций, предписанных командами программы, между различными ОУ - АЛУ, контроллерами ПУ.

2) Запуск (инициализация) операции f_gÎF осуществляется путем подачи кода операции в ОУ из ЦУУ.

3) Реализация операции f_g осуществляется путем выполнения МО в порядке, заданном микропрограммой, хранимой внутри ОУ (т.е. без участия ЦУУ).

4) Работа (функционирование) ОУ осуществляется тактами. Реализация МПg в общем случае занимает различное количество тактов n, т.е. время выполнения операции t_g =nT, где Т-продолжительность такта.

Итак, принцип микропрограммного управления является основой организации (построения) ОУ. Нетрудно увидеть, что они (эти тезисы) достаточно схожи с фон Неймановскими тезисами программного управления.

1. И там, и здесь в основу управления положен алгоритм. Только у Неймана он представляется в виде программы и поступает в процессор извне (из ОП извлекается процессором). Здесь алгоритм в виде МП уже находится внутри ОУ.

2. При выполнении программы ЦП генерирует определенную последовательность операций, реализуемых ОУ. При выполнении операции f_g ОУ генерирует последовательность МО, реализуемых комбинационными схемами КС.

Отличия между этими принципами: 1)операция - сложное действие, для реализации которого необходимо ОУ. МО - элементарное действие, для реализации которого достаточно КС. 2)Операция выполняется за n тактов: t_опер=nT. МО выполняется за 1 такт (алгоритм - в КС)

Функция ОУ задается (определяется) совокупностью микропрограмм МП₁, …, МП_G, описывающих алгоритмы операций f₁, …, f_g. Для описания МП в вычислительной технике используются специальные средства описания - язык функционального микропрограммирования. Функциональная микропрограмма (ФМП) - это микропрограмма, описывающая алгоритм операции без привязки его к конкретной структуре ОУ. Отсюда название языка.

Для описания ФМП в языке используются различные средства, обеспечивающие описание слов, МО, ЛУ, а также средства, описывающие порядок их выполнения во времени.

Описание слов и массивов. Слово описывается своим именем и длиной: C(n₁:n₂). Здесь С - имя слова, n₁, n₂ - номера старшего и младшего разрядов слова соответственно. Примеры (смотри МП умножения): А(0:15) и др.

Часть слова называется полем и описывается аналогично словам: А(0:7), А(0:15), В(15), А(0) и т.п.

Слово обычно описывается один раз. После этого можно использовать его сокращенное описание, т.е. только имя А, В, С …

Массивы слов (например, запоминающее устройство) описывается в виде: М[m₁:m₂](n₁:n₂). Здесь М - имя массива, m₁,m₂ - номера первого и последнего элемента (ячейки) массива соответственно, n₁, n₂ - определены выше. Пример описания локальной памяти как массива регистров: ЛП[0:15](0:31) - 16 тридцатидвухразрядных регистров.

Описание МО. Для описания МО используется оператор присваивания «:=» (или «ß»). Слева от оператора указывается слово, поле, составное слово или элемент массива. Справа - двоичное выражение, которое описывает правило получения результата МО. Запись двоичного выражения осуществляется при помощи символов, обозначающих различные операции над операндами (словами), представленными в двоичной форме. Например, + - сложение кодов, Ú - логическая операция или и т.п. Примеры - в МП умножения.

Описание ЛУ. Для описания ЛУ используется различного рода отношения: ”<” - меньше, ”>” - больше, ”=0” - равно нулю, “¹0” - не равно нулю и т.п.

Примеры: А<0, В³0, С=0 и т.п. (смотри МП умножения).

Порядок выполнения МО. Порядок выполнения МО и проверки ЛУ задается в графической форме - в виде так называемой граф-схемы алгоритма (ГСА) (смотри пример МП умножения). ГСА строится с использованием вершин четырех типов: начальной, конечной, операторной и условной и дуг, связывающих эти вершины (рисунок 5.3).

Начальная вершина имеет одну выходящую дугу. Конечная вершина имеет одну входящую дугу. Операторная вершина имеет одну входящую и одну выходящую дугу. В ней записывается один или несколько операторов присваивания, описывающих МО. Условная вершина имеет одну входящую и две исходящих, отмеченных символами «да» (1) и «нет» (0). Выход по дуге «да» осуществляется в случае, если ЛУ принимает истинное значение (1), и по дуге «нет» - если ложное значение (0).

В качестве примера ГСА смотри МП умножения, рисунок 5.2. Совокупность ГСА₁, …, ГСА_G и задает функцию ОУ.

Дата добавления: 2014-01-11