Аппаратные УУ

Устройства управления

4.4.1 Классификация УУ

Устройство управления (УУ) управляет работой процессора, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы. Выполнение команды процессором представляет собой последовательность следующих действий (иногда называемых машинными циклами):

- выборка команды из памяти и ее декодирование (дешифрация кода операции);

- формирование адреса следующей команды;

- формирование исполнительного адреса операнда и выборка его из памяти;

- исполнение операции и запись результата в память.

Для выполнения каждого машинного цикла необходим ряд управляющих сигналов, формируемых устройством управления.

В зависимости от способа формирования управляющих сигналов различают два основных типа УУ:

- аппаратные (с жесткой или схемной логикой);

- микропрограммные (с хранимой в памяти логикой).

В аппаратных УУ для каждой операции, задаваемой кодом операции команды, строится набор схем, которые в нужных тактах формируют соответствующие управляющие сигналы.

В УУ с микропрограммным управлением каждой операции соответствует набор микрокоманд, хранимых в памяти микрокоманд. Каждая микрокоманда несет информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение машинного такта и указания, какая микрокоманда должна быть выбрана из памяти следующей. Последовательность микрокоманд, выполняющая одну машинную команду или некоторую процедуру, образует микропрограмму.

Управляющие устройства с жесткой логикой представляют собой логические схемы, вырабатывающие распределенные во времени управляющие сигналы. В отличие от управляющих устройств с хранимой в памяти логикой в аппаратных УУ нельзя изменить логику работы без изменения их схемы. Типичная структурная схема управляемого автомата с жесткой логикой показана на рисунке 4.4.2.1. Её можно рассматривать в качестве автомата с конечным числом состояний (конечный автомат), который на каждом такте

Рисунок 4.4.2.1- Схема блока формирования сигналов управления

переходит из одного состояния в другое, определяемое содержи­мым регистра команды, кодами условий и внешними сигналами. Выходами такого автомата являются управляющие сигналы. Формируемая им последовательность операций задается физическими связями между логическими элементами.

В состав схемы входят регистр кода операции, являющейся частью регистра команд процессора, счетчик тактов, дешифратор тактов и дешифратор кода операции (Дешифратор КОП), а также логические схемы формирования управляющих сигналов. На счетчик тактов поступают сигналы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Состояние счетчика представляют собой номера тактов, изменяющие от 1 до m. Дешифратор тактов формирует на i-м выходе единичный сигнал при i-м состоянии счетчика тактов, т.е. во время i-го такта.

Принцип построения логических схем формирования управляющих сигналов поясняется на рисунке 4.4.2.2 На нем изображен фрагмент схемы, обеспечивающий выработку управляющих сигналов y1_, y2 и y3 выполнения команды сложения на тактах T₁,T₂, T₆.

В общем случае значения управляющих сигналов зависят еще от оповещающих сигналов U={u₁, u₂… u_n}, отражающих ход вычислительного процесса. Для реализации этих зависимостей логические элементы, представленные на рисунке 4.3.2.2, берутся многовходовыми и на них подаются требуемые сигналы логических условий.

Рисунок 4.4.2.2- Фрагмент логической схемы формирования управляющих сигналов

Сигналы y0 и yk (см. рисунок 4.3.2.1) обычно используются для определения моментов начала и окончания выполнения команд. С этой целью они используются для управления работой счетчика тактов. Управ­ляющий сигнал y0 (Пуск) указывает на начало выполнения команды. Когда он установлен в 1, в конце каждого такто­вого цикла значение счетчика увеличивается на 1. Если же его значение становится рав­ным 0, отсчет шагов прекращается. Сигнал yk (Останов) сбрасывает счетчик тактов в начальное состояние, обеспечивая начало нового цикла выборки команды.

Серьезным недостатком рассмотренных схем является одинаковое число тактов, необходимых для выполнения всех команд, значение которого выбирается по наиболее длинной команде. Это приводит к непроизводительным затратам времени и, как следствие, к уменьшению быстродействия процессора. Для устранения этого недостатка применяют УУ с переменным числом тактов, в котором используют счетчик тактов с изменяемым модулем счета. Для коротких команд используют счетчик с небольшим модулем счета и наоборот.

При реализации простой системы команд узлы устройства управления с жесткой логикой экономичны и позволяют обеспечить наибольшее быстродействие среди всех возможных методов построения УУ. Однако с возрастанием сложности системы команд усложнялись и схемы автоматов с жесткой логикой, при этом их быстродействие уменьшалось.

Дата добавления: 2014-11-29