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 их 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.
Разработалзав.кафедрой АСУ Я.Н. Немов
(должность, в/звание, подпись, фамилия)
“____” ______________ 2013 г.