3.3. Назначение, классификация и организация ЦУУ

К оглавлению 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Центральное устройство управления — это комплекс средств автоматического управления процессом передачи и обработки информации. ЦУУ вырабатывает управляющие сигналы (УС), необходимые для выполнения всех операций, предусмотренных системой команд, а также координирует работу всех узлов и блоков ЭВМ. В связи с этим можно считать ЦУУ преобразователем первичной командной информации, представленной программой решения задачи, во вторичную командную информацию, представляемую

управляющими сигналами.

В общем случае ЦУУ формирует управляющие сигналы для реализации

следующих функций:

- выборки из памяти кода очередной команды;

- расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

- выборки операндов и выполнения машинной операции;

- обеспечения прерываний при выполнении команд;

- формирования адреса следующей команды;

- учета состояний других устройств машины;

- инициализации работы контроллеров (каналов) ввода-вывода;

- организации контроля работоспособности ЭВМ.

Для дальнейшего рассмотрения характеристик и способов организации ЦУУ введем ряд определений.

Элементарное машинное действие, выполняемое по одному УС, называют микрооперацией. Набор микроопераций, выполняемых параллельно в одном машинном такте, называют микрокомандой Последовательность микрокоманд, обеспечивающих выполнение некоторой операции, предписанной командой, называют микропрограммой.

К основным характеристикам ЦУУ следует отнести:

- принцип формирования и развертывания временной последовательности УС;

- способ построения цикла работы ЦУУ и ЭВМ в целом;

- общая организация управления ЭВМ;

- способ синхронизации узлов и блоков ЭВМ. По принципу формирования и развертывания временной последовательности УС различают ЦУУ:

- аппаратного (схемного) типа, выполненным в виде управляющего автомата с жесткой логикой, в котором функции переходов и выходов реализуются набором логических элементов, а требуемое количество состояний автомата задается множеством запоминающих элементов;

- микропрограммного типа, в которых блок управления реализован как блок микропрограммного управления (БМУ).

По способу построения рабочего цикла различают ЦУУ:

- с прямым циклом, когда на первом этапе производится выборка из памяти команды, а затем следуют этапы выполнения машинной операции;

- с обращенным циклом, когда сначала выдаются УС микроопераций для выполнения машинной операции по коду команды, поступившей в ЦУУ на предыдущем цикле (предвыборка команд), а затем из памяти выбирается код команды, которая будет исполняться в следующем цикле;

- с совмещением во времени циклов выполнения нескольких команд (конвейером команд).

По общей организации управление может быть центральным и смешанным. В первом случае в БУ вырабатываются все УС микроопераций для всех команд, выполняемых процессором ЭВМ. Во втором случае, кроме БУ центрального устройства управления, операционные и другие устройства процессора имеют собственные блоки местного управления. В последнем случае БУ вырабатывает сигналы для запуска в работу блоков местного управления.

По способу синхронизации работы ЭВМ в зависимости от числа тактов в цикле выполнения команды, различают ЦУУ с постоянным или переменным числом тактов. В микропрограмме рабочего цикла выделяют общую и специальную части. К общей относятся микрокоманды, исполняемые в цикле любой команды: выборки команды, анализа запросов на прерывание работы процессора. Они выполняются за постоянное число тактов. К специальной части относятся микрокоманды, по которым вырабатываются УС в зависимости от содержания операционной части исполняемой команды. В этом случае количество тактов будет переменным для различных команд. В современных ЭВМ с различной структурой используемых команд число тактов в рабочем цикле зависит от формата выбираемой команды, структуры ее адресной части и длины операндов.

По принципу организации циклов различают ЦУУ:

- синхронного типа, в которых время цикла может быть постоянным

или переменным;

- асинхронного типа, в которых продолжительность цикла определяется фактическими затратами времени на выполнение каждой операции. В этом случае необходимо вырабатывать сигналы об окончании операции;

- смешанного типа, где частично реализуются оба предыдущих принципа организации циклов.

3.3.1. Центральное устройство управления микропрограммного типа

Микропрограммный принцип управления обеспечивает реализацию одной машинной команды путем выполнения определенной микропрограммы, интерпретирующей алгоритм выполнения данной операции. Совокупность микропрограмм, необходимая для реализации системы команд ЭВМ, хранится в специальной памяти микропрограмм. Каждая микропрограмма состоит из определенной последовательности микрокоманд, которые после выборки из памяти преобразуются в набор управляющих сигналов.

Микрокоманда (МК) имеет операционно-адресную структуру. В операционной части МК размещается информация о микрооперациях (МО), одновременно выполняемых в блоках ЭВМ под управлением данной МК. В адресной части МК находится информация, необходимая для формирования адреса следующей микрокоманды.

Существуют различные способы организации операционной части МК:

- горизонтальное микропрограммирование;

- вертикальное микропрограммирование;

- смешанное микропрограммирование.

В первом случае операционная часть МК содержит столько разрядов, сколько различных МО выполняется в ЭВМ (число управляющих точек). Каждому разряду ставится в соответствие определенный УС, под действием которого выполняется соответствующая микрооперация. Таким образом, нет необходимости в преобразовании операционной части МК в управляющие сигналы. За счет этого сокращаются затраты времени на формирование УС. Недостатком данного метода является большая длина операционной части МК, что ведет к значительным затратам памяти микропрограмм.

По второму способу из всего множества М микроопераций выделяются подмножества, содержащие не более Н совместно выполняемых в каждом такте МО. Номера МО кодируются двоичным кодом, разрядность которого определяется по формуле m ³ log2М. Операционная часть МК должна содержать Н полей, каждое из которых имеет разрядность m и определяет код номера микрооперации. В результате использования данного метода уменьшается длина МК, сокращаются затраты микропрограммной памяти, но возникает необходимость в дешифрировании полей операционной части МК, что приводит к увеличению затрат времени на выработку УС.

В настоящее время наибольшее распространение получил третий способ — смешанное микропрограммирование, в котором сочетаются первые два способа. В этом случае операционная часть МК содержит как коды номеров микроопераций, так и сами УС, соответствующие отдельным МО.

Адресная часть МК используется для определения адреса следующей МК.

Существуют два способа адресации микрокоманд:

- принудительная адресация;

- естественная адресация.

Принудительная адресация МК заключается в том, что в каждой МК указывается адрес следующей МК. Адрес следующей МК может задаваться безусловно, независимо от значений признаков (осведомительных сигналов) или выбираться по условию, определяемому текущими значениями осведомительных сигналов, которые, в свою очередь, отображают текущее состояние операционных блоков процессора. Для этого в адресную часть МК кроме адресных полей включаются поля для задания условий (осведомительных сигналов).

При естественной адресации адрес следующей МК принимается равным увеличенному на единицу адресу предыдущей МК. В этом случае отпадает необходимость во введении адресной части в каждую МК. Если микрокоманды идут в естественном порядке, то процесс адресации реализуется счетчиком адреса МК. Для организации безусловных или условных переходов в микропрограмму включаются дополнительные управляющие МК.

Обобщенная структура блока микропрограммного управления (ЕМУ) представлена на рис. 3.7. Узел ФАМ предназначен для формирования адреса очередной МК с учетом значений адресной части (АЧ) предыдущей МК и множества {х} осведомительных сигналов. Микропрограммная память (МПП) хранит микропрограммы операций и по сформированному адресу в каждом такте выдает значение очередной МК, которое записывается в регистр микрокоманд (РМК). Поля операционной части (OЧ), выбранной МК, при необходимости дешифрируются для выработки управляющих сигналов {y}. Первоначальное обращение к какой-либо микропрограмме осуществляется по начальному адресу (НА), который соответствует коду операции выполняемой команды.

Рис.3.7. Обобщенная структура БМУ

С точки зрения физической реализации управления МПП делится на два вида: память с постоянно записанной информацией и память, допускающая перезапись информации. Память с постоянно записанной информацией (ПЗУ) работает только на чтение информации и, как правило, является более быстродействующей и простой по управлению, нежели память с перезаписью. В то же время память, допускающая перезапись, предоставляет больше дополнительных возможностей для повышения эффективности работы процессора за счет постоянного совершенствования алгоритмов выполнения операций.

Таким образом, использование в составе центрального устройства управления БМУ приводит к двухуровневому принципу управления процессом обработки данных. Первый уровень — это система команд ЭВМ (программное управление), второй — микропрограммное управление. Возникает задача организации перехода от одного уровня к другому. На рис. 3.8 приведена упрощенная структура процессора, в котором решается эта задача. По содержимому счетчика адреса команд (СЧАК) из памяти программ (кэшпамяти) выбирается команда и записывается в регистр команд (РК). Код операции из РКОП подается на дешифратор начального адреса (ДШНА), который на выходе формирует адрес первой микрокоманды микропрограммы, соответствующей данному коду операции. ДШНА реализуется на ПЗУ или ПЛМ (программируемой логической матрице). Под управлением микрокоманд выполняются все последующие действия. Адрес операнда из РА передается в память данных, осуществляется выборка операнда и занесение его в регистр общего назначения (СОЗУ) или в АЛУ. В АЛУ выполняется определенная микропрограммой операция, результат записывается в РОН или память данных.

Анализ аппаратурной (схемной) и микропрограммной реализации устройства управления указывает на зависимость стоимости управления от величины набора команд и их сложности. Для сокращенного набора простых команд выгоднее использовать схемное управление, что и реализуется в RISC-процессорах. При расширенном составе сложных команд (как в CISC-процессорах) наиболее эффективно, с точки зрения затрат оборудования, микропрограммное управление. Однако оно приводит к увеличению затрат времени на выработку управляющих воздействий. Основным же преимуществом микропрограммного управления является его гибкость, которая позволяет повышать эффективность серийно выпускаемых и эксплуатируемых машин за счет введения новых средств математического обеспечения, использующих дополнительный набор команд и новые функции процессора. Модернизация алгоритмов или реализация дополнительных команд легко осуществляется путем изменения содержимого микропрограммной памяти. Наглядным примером использования данной возможности является технология ММХ, разработанная фирмой Intel. В серийно выпускаемый процессор Pentium были добавлены 57 новых команд для параллельной обработки видео- и аудиоинформации. Аппаратурные средства процессора остались прежними, изменению подверглась лишь микропрограммная память.

Рис.3.8. Процессор с микропрограммным управлением

33.2. Процедура выполнения команд

Стандартные фазы работы ЦП включают в себя выборку команды, вычисление адреса и выборку операндов, выполнение команды и запись результатов, обработку прерывания, изменение состояния процессора и системы в целом.

Выборка команд (ВК) — передача содержимого счетчика команд в регистр адреса памяти, считывание команды из основной памяти в регистр команды, модификация содержимого счетчика команд для выборки следующей

команды.

Выборка операнда (ВО) — вычисление адреса и обращение в основную память или к регистру локальной памяти. Операнд считывается и принимается в регистр АЛУ.

Арифметическая операция (АО) — инициализация (кодом операции) цикла работы устройства управления, которое, в свою очередь, управляет работой АЛУ, регистров и схем сопряжения. Результат выполнения передается в локальную или основную память и процессор переходит к выборке и выполнению следующей команды.

На рис. 3.9 показаны временные диаграммы обработки команды с разбиением на этапы (фазы) выполнения (а): последовательная обработка команд (б); обработка команд в режиме совмещения — конвейер команд (в).

Рис. 3.9. Временные диаграммы обработки команд в процессоре:

а) этапы выполнения команды;

б) последовательное выполнение команд;

в) совмещенное выполнение команд (конвейеризация) »

Совмещенные принципы обработки (конвейер команд) существенно увеличивают пропускную способность процессора, однако эффективность их использования зависит от управления (синхронизации), числа уровней обработки.

Приостановка работы конвейера вызывает любая команда условного перехода в программе или взаимозависимость команд, т. е. использование следующей командой результатов предыдущей команды.

Следует учитывать, что совмещение обработки увеличивает объем оборудования и усложняет схемы управления тем сильнее, чем больше число уровней совмещения.

Все эти обстоятельства приходится учитывать при выборе числа уровней совмещения в каждом конкретном случае для получения заданных параметров и прежде всего удельных затрат (отношение производительности к стоимости). Опыт разработки ЭВМ общего назначения и проведенные исследования показывают, что технически и экономически целесообразной является совмещенная обработка 5-6 команд.

Для обеспечения непрерывности вычислительного процесса и сглаживания влияния логической зависимости команд в структуре ЦП используется блок прогнозирования ветвлений или устройство выполнения переходов.

В большинстве современных компьютеров используется конвейер команд.

3.3.3. Принципы организации системы прерывания программ

Во время выполнения ЭВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (технологический процесс, управляемый ЭВМ) "могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины.

Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершению этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы.

Рассматриваемый процесс, называемый прерыванием программ, поясняется на рис. 3.10.

Принципиально важным является то, что моменты возникновения событий, требующих прерывания программ, заранее не известны и поэтому не могут быть учтены при программировании.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, который называют запросом прерывания.

Программу, затребованную запросом прерывания, называют прерывающей программой, противопоставляя ее прерываемой программе, выполнявшейся в ЭВМ до появления запроса.

Запросы на прерывания могут возникать внутри самой ЭВМ и в ее внешней среде. К первым относятся, например, запросы при возникновении в ЭВМ таких событий, как появление ошибки в работе ее аппаратуры, переполнение разрядной сетки, попытка деления на 0, выход из установленной для данной программы области памяти, затребование периферийным устройством операции ввода-вывода, завершение операции ввода-вывода периферийным устройством или возникновение при этой операции особой ситуации и др. Хотя некоторые из указанных событий порождаются самой программой, моменты их появления, как правило, невозможно предусмотреть. Запросы во внешней среде могут возникать от других ЭВМ, от аварийных и некоторых других датчиков технологического процесса и т.п.

Таким образом, запросы прерывания генерируются несколькими развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторые моменты требуют вмешательства процессора.

К этим процессам, в частности, относится процесс выполнения самой программы, процесс контроля правильности работы ЭВМ, операции ввода -вывода, технологический процесс в управляемом машиной объекте и др.

Рис.3.10. Процесс прерывания программы

Возможность прерывания программ - важное архитектурное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора при наличии нескольких, протекающих параллельно во времени, процессов, требующих в произвольные моменты времени управления и обслуживания со стороны процессора. В первую очередь это относится к организации параллельной во времени работы процессора и периферийных устройств машины, а также к использованию ЭВМ для управления в реальном времени технологическими процессами,

В некоторых машинах, наряду или вместо прерывания с переключением управления на другую программу, используется примитивное прерывание -так называемая приостановка, когда по соответствующему запросу приостанавливается выполнение программы и выполняется аппаратурными средствами некоторая процедура без изменения содержания счетчика команд, а по ее окончании продолжается выполнение приостановленной программы.

Чтобы ЭВМ могла, не требуя больших усилий от программиста, реализовывать с высоким быстродействием прерывания программ, машине необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерывания программ. В качестве аппаратных средств используется контроллер прерывания (блок прерывания).

Основными функциями системы прерывания являются:

- запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе;

- восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней. При наличии нескольких источников запросов прерывания между ними должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливающие: имеет право или нет данный запрос (прерывающая программа) прерывать ту или иную программу.

Характеристики системы прерывания

Для оценки эффективности систем прерывания могут быть использованы следующие характеристики.

1. Общее число запросов прерывания (входов в систему прерывания).

2. Время реакции — время между появлением запроса прерывания и моментом прерывания текущей программы. На рис. 3.11 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания.

Рис.3.11. Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания

Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждут обслуживания, поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом (tр).

Время реакции зависит от того, в какой момент допустимо прерывание. Большей частью прерывание допускается после окончания текущей команды. В этом случае время реакции определяется в основном длительностью выполнения команды.

Это время реакции может оказаться недопустимо большим для ЭВМ, предназначенных для работы в реальном масштабе времени. В таких машинах часто допускается прерывание после любого такта выполнения команды (микрокоманды). Однако при этом возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при переключении программ, так как в этом случае необходимо сохранять также и состояние в момент прерывания счетчика тактов, регистра кода операции и некоторых других узлов, поэтому такая организация прерывания возможна только в машинах с быстродействующей сверхоперативной памятью.

Имеются ситуации, в которых желательно немедленное прерывание. Если аппаратура контроля обнаружила ошибку, то целесообразно сразу же прервать операцию, пока ошибка не оказала влияние на следующие такты работы программы.

3. Затраты времени на переключение программ (издержки прерывания) равны суммарному расходу времени на запоминание и восстановление состояния программы (рис. 3.11):

4. Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием запросов прекращается, то говорят, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритета в системе прерывания. На рис. 3.12 показаны процессы прерывания в системах с различной глубиной прерывания (предполагается, что приоритет каждого последующего запроса выше предыдущего). Система с большим значением глубины прерывания обеспечивает более быструю реакцию на срочные запросы.

Если запрос окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника, то возникает так называемое насыщение системы прерывания.

В этом случае предыдущий запрос от данного источника будет машинально утерян, что недопустимо.

Рис.3.12. Процессы прерывания с различной глубиной прерывания и дисциплиной обслуживания

5. Число классов (уровней) прерывания. В ЭВМ число различных запросов (причин) прерывания может достигать нескольких десятков или сотен. В таких случаях часть запросов разделяют на отдельные классы или уровни.

Совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу, образует класс или уровень прерывания (рис. 3.13).

Рис.3.13. Разделение запросов на классы прерывания

Запросы всех источников прерывания поступают на регистр запросов прерывания РгЗП, устанавливая соответствующие его разряды в состояние 1, указывающее на наличие запроса прерывания определенного источника. Запросы классов прерывания ЗПК1-ЗПКk формируются элементами ИЛИ, объединяющими разряды РгЗП, относящиеся к соответствующим классам (уровням). Еще одна схема ИЛИ формирует общий сигнал прерывания ОСП, поступающий в устройство управления процессора.

Информация о действительной причине прерывания, породившей запрос данного класса, содержится в коде прерывания, который отражает состояние разрядов РгЗП, относящихся к данному классу прерывания.

После принятия запроса прерывания на исполнение и передачу управления прерывающей программе соответствующий триггер РгЗП сбрасывается. Объединение запросов в классы прерывания позволяет уменьшить объем аппаратуры. но приводит к замедлению работы системы прерывания.

Программно-управляемый приоритет прерывающих программ

Относительная степень важности программ, их частота повторения, относительная степень срочности в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных отношений. Поэтому во многих случаях приоритет между прерывающими программами не может быть зафиксирован раз и навсегда. Необходимо иметь возможность изменять по мере необходимости приоритетные соотношения программным путем. Приоритет между прерывающими программами должен быть динамичным, т.е. программно управляемым.

В ЭВМ широко применяются два способа программно-управляемого приоритета прерывающих программ:

- использование порога прерывания;

- использование маски прерывания.

Порог прерывания. Этот способ позволяет в ходе вычислительного процесса программным путем изменить уровень приоритета процессора (а следовательно, и обрабатываемой в данный момент на процессоре программы) относительно приоритетов запросов источников прерывания (периферийных устройств), другими словами, задавать порог прерывания, т. е. минимальный уровень приоритета запросов, которым разрешается прерывать программу, идущую на процессоре.

Порог прерывания задается командой программы, устанавливающей в регистре порога прерывания код порога прерывания. Специальная схема выделяет наиболее приоритетный запрос, сравнивает его приоритет с порогом прерывания и, если он оказывается выше порога, вырабатывает общий сигнал прерывания, и начинается процедура прерывания.

Маска прерывания представляет собой двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие запросам или классам (уровням) прерываний. Маска загружается командой программы в регистр маски (рис. 3.14).

Рис.3.14. Маскирование прерываний

Состояние 1 в данном разряде регистра маски (РгМ) разрешает, а состояние 0 запрещает (маскирует) прерывание текущей программы от соответствующего запроса. Таким образом, программа, изменяя маску в регистре маски, может устанавливать произвольные приоритетные соотношения между программами без перекоммутации линий, по которым поступают запросы прерывания. Каждая прерывающая программа может установить свою маску. При формировании маски 1 устанавливаются в разряды, соответствующие запросам (прерывающим программам) с более высоким, чем у данной программы, приоритетом. Схемы И выделяют поступившие незамаскированные запросы прерывания, из которых специальная схема выделяет наиболее приоритетный и формирует код его номера.

С замаскированным запросом, в зависимости от причины прерывания, поступают двояким образом: или он игнорируется, или запоминается, с тем чтобы осуществить затребованные действия, когда запрет будет снят. Например, если прерывание вызвано окончанием операции в ПУ, то его следует, как правило, запомнить, так как иначе ЭВМ останется неосведомленной о том, что ПУ освободилось.

Прерывание, вызванное переполнением разрядной сетки при арифметической операции, следует при его маскировании игнорировать, так как запоминание этого запроса может оказать действие на часть программы или другую программу, к которым это переполнение не относится.

Организация перехода к прерывающей программе

Вектор начального состояния прерывающей программы называют вектором прерывания. Он содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому запросу (уровню) прерывания соответствует свой вектор прерывания, способный инициировать выполнение соответствующей прерывающей программы. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти (стеке).

Главное место в процедуре перехода к прерывающей программе занимает передача из соответствующего регистра (регистров) процессора в память (стек) на сохранение текущего вектора состояния прерываемой программы (чтобы можно было вернуться к ее исполнению) и загрузка в регистр (регистры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором.

Наиболее гибким и динамичным является векторное прерывание, при котором источник прерывания, выставляя запрос прерывания, посылает в процессор (выставляет на шины интерфейса) код адреса в памяти своего вектора прерывания.

При векторном прерывании каждому запросу прерывания или, другими словами, устройству — источнику прерывания, соответствует переход к начальному адресу соответствующей прерывающей программы, задаваемому вектором прерывания.