2.13. Способы формирования управляющих сигналов
Для формирования сигналов, управляющих выполнением элементарных операций в процессорах, используются два основных способа:
Аппаратный, реализуемый на основе жесткой логики (Wired Logic).
Микропрограммный, реализуемый на основе программируемой логики (Stored /Programmed Logic).
Аппаратный способ формирования управляющих сигналов
Аппаратный способ формирования управляющих сигналов (УС) основывается на использовании автомата управления и реализации его схемным (аппаратным) образом.
Под автоматом понимается абстрактный дискретный процесс, который определяется тремя множествами и двумя функциями. К используемым множествам относятся:
Множество состояний процесса S = {S1, S2, . . . , Sn}.
Это множество конечно и поэтому автоматы также называются конечными.
Множество входных воздействий X = {X1, X2, . . . , Xn} автомата, поступающих в дискретные моменты времени ti . В качестве входных воздействий автомата управления выполнением команд ЭВМ рассматриваются: коды операций, режимы адресации, тактовые сигналы Ti, состояния устройств Qi и некоторые другие.
Множество выходных сигналов Y = {Y1, Y2, . . . , Yn} автомата, формируемых также в дискретные моменты времени ti .
Часто множество X называют входным алфавитом автомата, а множество Y – его выходным алфавитом.
Функциями, описывающими поведение автомата являются:
Функция переходов , определяющая правила перехода автомата из одного состояния в другое:
T: S x X S | S (t + ) = [s(t),x(t)], где > 0 – длительность такта.
Функция выходов , определяющая правила формирования выходных сигналов автомата:
| [s(t), x(t)], эта функция соответствует поведению
R: S x X Y | Y (t + ) = < автомата Мили (Mealy).
| [S (t + )], эта функция соответствует поведению
автомата Мура (Moore).
Вид функции выходов зависит от типа автомата управления – для автомата Мили сигнал управления вырабатывается в момент перехода автомата из одного состояния в другое и является импульсным, для автомата Мура – сигнал управления вырабатывается после перехода автомата в некоторое состояния и является потенциальным.
Структурная схема синхронного автомата управления представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6
Комбинационная схема – это логическая схема, у которой выходные сигналы определяются входными сигналами в текущий момент времени. Элементы памяти обеспечивают задержку на один такт . Поэтому переменные следующего состояния S’i будут определять текущее состояние Si в следующий момент времени t + . Отметим основные преимущества и недостатки аппаратного способа формирования УС:
Основным достоинством аппаратного способа формирования УС является максимально достижимое быстродействие управления выполнением команд процессор;.
Основной недостаток аппаратного способа формирования УС является жесткость структуры автомата управления, требующая его полного переконструирования даже при небольшом изменении состава входных или выходных сигналов, функций переходов или выходов.
Синтез и реализация автомата с большим количеством состояний является сложной научно-технической проблемой.
Нерегулярность структуры автомата затрудняет его реализацию с помощью серийно выпускаемых интегральных схем (ИС) и требует их выполнения в заказном варианте.
Микропрограммный способ формирования управляющих сигналов
Микропрограммный способ формирования УС основан на том, что входные сигналы автомата управления можно представлять как адреса некоторой памяти, ячейки которой содержат требуемые комбинации выходных сигналов. Поэтому формирование сигналов управления в текущий момент времени можно представить как выборку по n-битному адресу, каждый бит которого соответствует текущему значению одного из n входных сигналов Xi, одного из 2n слов памяти, содержащего требуемую m-битную комбинацию, соответствующую текущим значениям каждого из m выходных сигналов Yj. Тогда проблема формирования сигналов управления выполнением команд процессора сводится к организации последовательности выборок слов из памяти по адресам, соответствующим последовательности комбинаций входных сигналов, которая обеспечит требуемую последовательность комбинаций значений управляющих сигналов.
Поскольку набор микроопераций, выполняемых в текущем такте с помощью сформированных в этом такте управляющих сигналов, называется микрокомандой, а последовательность микрокоманд образует микропрограмму выполнения машинной команды, то память, хранящая набор микропрограмм для выполнения каждой команды процессора, называется микропрограммной памятью, а данный способ управления выполнением комад – микропрограммным управлением (МПУ). Идею построения МПУ впервые предложил M. Wilks (Кембридж) в 50-х годах прошлого века, но активная реализация МПУ началась только в середине 60-х. г.г. по мере развития технологии разработки ИС.
Структурная схема устройства микропрограммного управления представлена на рис. 2.7.
Рис. 2.7
На рисунке приняты следующие обозначения: МПЗУ – микропрограммное запоминающее устройство (память микропрограмм), РгКом и КОП – соответственно регистр команд (машинных) и его поле кода операции, РгАМК – регистр адреса текущей микрокоманды длиной n бит, РгМК – регистр текущей микрокоманды длиной m бит, ОпЧМК и АЧМК – соответственно операционная (длиной m’) и адресная (длиной m”) части микрокоманды, ФАСлМК – формирователь адреса следующей микрокоманды, ФормУС – формирователь управляющих сигналов Уi , ГТ – генератор тактов, РгСостВУ – регистр состояния внешнего устройства.
Код операции выполняемой машинной команды подается в РгАМК и определяет адрес начала микропрограммы, реализующей эту машинную команду в МПЗУ. На РгМК выбирается первая микрокоманда, операционная часть которой поступает на формирователь сигналов, управляющих выполнением микроопераций, входящих в состав этой МК, а адресная часть поступает на формирователь адреса следующей МК. Адрес следующей МК либо принудительно задается в коде текущей МК, либо формируется в зависимости от условий {Qi} завершения текущей МК. Сформированный адрес следующей МК поступает на РгАМК и из МПЗУ выбирается следующая МК. Этот процесс повторяется до завершения микропрограммы выполняемой машинной команды, после чего на РкКом выбирается следующая машинная команда, инициирующая выполнение микропрограммы этой команды.Основными достоинствами микропрограммного управления являются:
Регулярная структура устройства управления позволяет реализовать его на основе серийных БИС.
Большая гибкость в плане изменения или специализации набора команд ЭВМ путем замены (в случае ПЗУ) или перезаписи (в случае ППЗУ) микропрограммной памяти.
Возможность рационального распределения аппаратного и микропрограммного управления порождает семейство машин с одним набором команд, но разной производительностью.
Микропрограмма управление предоставляет возможность эмуляции на микропрограммном уровне новых архитектур машин на имеющейся инструментальной машине.
Микропрограммная реализация системных программ (компиляторы, файловые системы) значительно повышает производительность ЭВМ и широко используется в суперкомпьютерах.
Основные недостатки микропрограммного управления:
Снижение производительности процессора из-за замедления выполнения каждой микрокоманды, связанного с обращением к МПЗУ.
Увеличение площади кристалла, необходимой для размещения устройства МПУ.
|
