Организация работы операционных устройств во времени

Самым простым способом организации работы ОУ во времени является синхронный способ, при котором функционирование ОУ осуществляется тактами. Такт - фиксированный отрезок времени. За один такт ОУ выполняет одну или несколько совместимых МО. Такт задается как период T (T=const) следования сигналов синхронизации С, вырабатываемых генератором тактовых импульсов (ГТИ) (рисунок 5.7):

Анализ структуры ОУ, представленной на рисунке 5.6, показывает, что выполнение микроопераций в ОУ состоит из следующих четырех этапов (стадий): 1) этап выработки управляющих сигналов y_mÎ Y в УА; 2) этап выполнения МО схемами Ф ОА; 3) этап формирования осведомительных сигналов x_lÎX схемами y ОА; 4) этап занесения результатов МО и осведомительных сигналов x_l в память S ОА. Далее эта последовательность этапов периодически повторяется (рисунок 5.8).

Начало такта (начало последовательности этапов) обычно задается фронтом сигнала синхронизации С и привязывается к началу первого этапа. Отрицательный фронт сигнала С делит такт на две части - два микротакта - и обычно привязывается к началу четвертого этапа (занесение результатов в память S ОА).

В качестве примера рассмотрим МО сложения С:=С+В. Структура ОА, реализующего эту МО, и временная диаграмма его работы представлена на рисунке 5.9. Как видно из этого рисунка, на выполнение МО и формирование ЛУ отводится первая часть такта. Она задается единичным значением сигнала С. На занесение результатов - вторая часть такта, которая задается нулевым (низким) уровнем сигнала С. Т.о. сигналы, инициирующие выполнение МО, формируются по сигналу С, а сигналы занесения результатов -- по инверсному значению С -.

Тактовая организация работы ОУ вытекает из принципа микропрограммного управления: обработка информации сводится к выполнению МО и формированию осведомительных сигналов. Реализация МО и формирование ЛУ осуществляется комбинационными схемами, поэтому результаты с выходов КС необходимо сохранять для последующего использования.

T t

t

t

T

Продолжительность такта Т при синхронной организации работы ОУ определяется, очевидно, суммой t₁ +t₂ +t₃ +t₄ , которая определяется для наихудшего случая по формуле:

T=t_УА+max(t₁, …, t_М)+max(t_x1, …,t_xL)+t_S. (5.1)

Здесь: t₁ = t_УА=const - время формирования управляющих сигналов Y в УА -является постоянным, обычно не зависит от того, какие управляющие сигналы у_m вырабатываются в данном такте; t₄ = t_S=const - время занесения результатов. Также обычно является постоянным, например, время занесения в регистры можно считать одинаковым для всех регистров.

Время выполнения МО y₁,..., y_m, а также время формирования осведомительных сигналов x₁, …, x_L в общем случае разное, поэтому продолжительность этапов t₂, t₃ определяется для наихудшего случая, т.е. как max от всех возможных значений.

Недостатки синхронного способа очевидны – потери времени при выполнении действий, продолжительность которых меньше максимальных значений. Как устранить эту неэффективность? Можно использовать синхронный же способ, но не с постоянной длительностью такта, а с переменной: T=var. В этом случае все МО делятся на группы по времени их выполнения t_1, ..., t_М, t_x1, ..., t_xL: T₁, T₂,..., T_k. Обычно k<M, т.к. есть разные МО, но примерно одинаковые по времени их выполнения. Например, логические операции И, ИЛИ и т.п. Таким образом, для каждой группы МО вводится свой такт из набора Т_1,..., Т_k. Реализация синхронного способа с тактом Т= var усложняет структуру ОУ, в частности, ГТИ, который должен вырабатывать сигналы с интервалом, который зависит от выполняемых в данном такте МО и ЛУ.

Асинхронный способ при организации работы ОУ не применяется, т.к. его реализация требует очень больших затрат оборудования на выработку сигналов, свидетельствующих о фактическом завершении МО.

Время выполнения операций в ОУ определяется выражением:

t_оп=nT. (5.2)

Здесь n – количество тактов, Т – продолжительность такта. Быстродействие ОУ определяется выражением

V=1/t (5.3),

т.е. зависит от продолжительности такта Т. Один из способов увеличения быстродействия ОУ – уменьшение Т. Продолжительность такта при синхронной организации работы ОУ можно уменьшить, если использовать конвейерный способ, при котором ОУ организуется в виде конвейерной цепочки (линии), состоящей из двух блоков: УА и ОА, работающих одновременно, параллельно, а не последовательно (рисунок 5.10):

При конвейерной организации этап выполнения i-й МО в ОА совмещается во времени (выполняется одновременно) с формированием управляющих сигналов для (i+1)–й МО в УА. В результате продолжительность такта работы ОУ определяется выражением:

T_k= max(T_УА, Т_ОА), (5.4)

где Т_ОА= t_вып+ t_{занес.рез.}, Т_УА=t_форм+t_занес, т.е. может сократиться в два раза, если Т_УА≈Т_ОА. Конвейерная организация требует дополнительных организационных усилий и затрат оборудования.

Дата добавления: 2014-01-11