Принципы микропрограммирования

Первая ЭВМ (электронная вычислительная машина) заработала в 1945 г. Электронный интегратор и вычислитель (ЭНИАК) – так назвали первую ЭВМ ее создатели инженеры Маучли и Эккерт. Строилась машина при Пенсильванском университете (США) в обстановке глубокой секретности.

В последующий период до 1955 г. происходило становление вычислительной техники. В это время определялись основные принципы организации ЭВМ. Затем с периодичностью 5-7 лет происходит переход к ЭВМ принципиально новых типов , использующих более совершенную элементную базу, имеющих новую структуру, расширяющую их возможности и обеспечивающие большие удобства при работе с ним человека. В связи с этим появилось понятие поколения ЭВМ.

Поколение (середина 40-х – начало 50-х)

Строилась на вакуумных полупроводниковых базах. Вакуумные проводниковые базы – электронные лампы, диоды, триоды. Использовались для решения вычислительных задач (2-3 тыс операций).

Монопольный доступ (персональное ЭВМ), решает одну задачу в один момент времени.

Носители информации – перфокарты, позднее – перфолента. Быстродействие – 2-3 тыс операций в секунду. Недостаток – низкая надежность (отказ после 5-7 часов работы), большие габориты (большой зал или маленькое здание), требовалась система охлаждения (вентиляция). Операционная система для каждой машины своя. Программное обеспечение (ПО) только начинает разрабатываться. Программа представляла собой стопку перфокарт, кот закладывались в приемник.

10.) Характеристика ЭВМ 2-го поколения

Поколение ЭВМ (50-60 гг)

Основные элементы – твердотелые полупроводники (транзисторы).

Минимизация габоритов, оборудования. Повышение надежности и быстродействия. Меньше прогревались, система вентиляции была не нужна.

Быстродействие – 20-30 тыс операций в сек. Развивалось ПО. Расширение сферы применения (различные программы).

Решались трудоемкие научные задачи, управление промышленным производством.

Способ использования – пакетная обработка. Задания группируются в пакет, закладыв в устройство ввода, задачи последовательно считываются на магнитную ленту (позднее стали появляются магнитные ленты).

Особенности выполнения программ (последовательное) приводит к тому, что ЭВМ работала с переменной скоростью. Требовалось совместить во времени работу УВВ и ЦП.

Независимо работает АЛУ и УВВ.

1. Эта идея назыв «децентрализацией внешнего обмена» (процессор и УВВ независимы, но согласованы во времени)

2. Мультипрограммный режим – процессор обрабатывает несколько задач одновременно.

Эти две идеи лежат в основе пакетной обработки.

Особенности архитектуры:

1. Начался переход к иерархической организации памяти.

2. Появились аппаратные устройства для 2-ой идеи (децентрализация внешнего обмена)

3. Появилась система прерываний.

4. Появился индексный регистр.

11.) Характеристика ЭВМ 3-го поколения.

Поколение ЭВМ (60-70 гг)

Основн часть – интрегральные микросхемы

Размер комнаты или большого шкафа. Развивались языки программирования, ОС, обрабатывалась цифровая или символьная ин-ция. Шла речь о микрокоде. Появился новый режим доступа (режим реального времени).

Режим реального времени заключался в том, что к одной ЭВМ подключались несколько пользователей (от 1 до 100). Они подключ через спец устройства – терминалы. Для обслуж кажд задачи выделялся квант времени от 1/100 до 1/10 доли секунды. Если прогр успела закончится – хорошо, если нет, то задача откладывалась и загружалась задача след пользователя. У кажд пользователя создавалось впечатление монопольного доступа. Этот способ реализации назыв режимом вытесняемой многозадачности.

На ЭВМ стали снижаться цены, появились серийные модели (семейства) ЭВМ, т.е. совместимые модели. Бурно развивалось прикладное ПО. В этом поколении стали появляться мини-ЭВМ, ЭВМ с ограниченным кол-вом блоков.

Особенности архитектуры:

1. Усложнение ЦП (несколько функциональных уровней); перемещение программ в памяти, создание защищенных областей памяти.

2. Дальнейшее развитие идеи «децентрализации внешнего обмена»; появл процессоров в/в (каналы).

3. Развитие системы прерываний (прерывание – сигнал о событии), поял прерываний от таймера.

4. Усложнение УУ (появл микропрограммных реализаций (микропрогр – набор действий, выпо ЭВМ для конктр инструкции)

5. Усложнение иерархической организации памяти. Появл большой памяти, занимающей место между основной (оперативной) и внешней.

6. Расширение типов переферийных устройств.

7. Повысилась роль ПО.

12.) Структура ЭВМ 3-го поколения; назначение основных блоков.

Арифметико-логическое устройства (АЛУ)выполняет вычисления и расчеты по заранее заданной программе:

различные арифметические и логические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, И, ИЛИ и др. Иногда АЛУ называют устройством обработки данных.

Устройство управления (УУ)является организующим и направляющим устройством ЭВМ. Оно обеспечивает управление и контроль всех устройств, входящих в ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления образуют процессорЭВМ. Процессор на одной или нескольких интегральных схемах называется микропроцессором.Назначение процессора - реализация программного управления, т.е. выборка команд из памяти и их выполнение.

Запоминающие устройства (память)обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они делятся на оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при изготовлении и не подлежит изменению. Следовательно, прочитать эту информацию можно, а изменить нельзя. Даже при выключении питания информация в ПЗУ остается, в этом состоит отличие ПЗУ от ОЗУ.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)предназначены для записи, хранения и считывания информации; при выключении питания вся информация из ОЗУ разрушается. ОЗУ - устройство, способное работать в темпе процессора. Они обычно дороги и не обладают необходимыми характеристиками по объему хранимой информации. Поэтому для хранения больших объемов информации приходится применять более дешевые, но и значительно менее быстродействующие устройства - внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В качестве ВЗУ (внешней памяти)используются магнитные носители - ленты, диски, барабаны. Они предназначены для длительного хранения больших объемов информации, а также для переноса информации с одного компьютера на другой. ВЗУ не обладают нужными характеристиками по скорости и поэтому не могут согласованно работать вместе с процессором. Поэтому в ЭВМ применяется многоуровневая память. Непосредственно доступна процессору только информация, хранящаяся в ОЗУ. При необходимости использования информации из ВЗУ делается ее пересылка в ОЗУ. ВЗУ имеют много общего с устройствами ввода - вывода (УВВ). Поэтому в дальнейшем будем устройства этих двух классов называть единым термином - периферийные устройства(ПУ).

13.) Назначение системы прерываний. Типы прерываний. Методы построения систем прерываний и их сравнительная оценка.

Назначение системы прерывания – это реагировать на определенные события, путем прекращения выполнения программы в момент окончания выполнения операции, записи в резидентную область ОП состояния прерывания программы и передачи управления программе – преемнику, адрес которой определяется после причины прерывания, оператор прерывания реализуется процессором, обеспечивающим переход от выполняемой программы к программе – преемнику.

Сигналы прерывания.

Причины прерывания принять подразделять на следующие группы:

1. Внешние прерывания, соответствующие появлению сигналов от часов, таймеров, отсчитывающих промежуток времени, от других компьютеров, объединенных в единый комплекс и от кнопок, находящихся на пультах системных операторов.
2. Прерывание от в/в, формируемое в момент окончания операции в/в или при возникновении особых ситуаций в работе в/в . К особым ситуациям относится неготовность ВУ к выполнению операции в/в или особые ситуации в работе ВУ (отсутствие бумаги в принтере и так далее).
3. Программное прерывание, возникающее при выполнении программ в случае некорректного кода операции переполнения, потеря значимости и так далее.
4. Прерывание при обращении к супервизору, формируемые для выполнения привилегированных операций, выполняемых только в состоянии супервизор. При обращении к супервизору указывается код причины прерывания, по которому происходит переход к программе – преемнику.
5. Прерывание схем контроля, формируемые при нарушении верности информации, обрабатываемые процессором и ВУ.

Приоритеты прерываний.

Прерывания обрабатываются процессором по очереди и выполняются в момент окончания операции. За время выполнение команды может поступить несколько сигналов прерывания, которые обрабатываются в соответствии с приоритетами 1,2,…,J. Высший приоритет имеет наименьший номер. Высший приоритет присваивается сигналом от схем контроля.

Маскирование прерываний.

Отношение устройства прерывания к сигналам прерывания характеризуется маской M=m₁m₂…m_L где m_L - двоичный разряд, имеющий значение «0», если прерывание по причине L запрещено и значение «1», если прерывание разрешено. Маска М хранится в процессоре и загружается командой: «Установить маску М». Выполнение этой команды производится путем передачи слова из ячейки «А» ОП в регистр процессора, хранящий маску.

Операция прерывания.

Операция прерывания сводится к изменению значений слов состояния программы (ССП):

АК – адрес следующей команды, сформированный после окончания операции.

ПР – признак результата, определяющий знаки результата или состояния ВУ.

l₁,…,l_L – сигнал прерывания.

М – маска защиты от прерываний

J – код причины прерывания.

ССП содержит следующую информацию:

АК

пр

j

М

…….

ССП обычно занимает несколько ячеек ОП: 2,4,8 …

Операция прерывания реализуется следующим образом:

1. ССП_i характеризующее статус процессора в момент прерывания записывается в область ССП_i, при этом в память передаются состояния всех регистров процессора или как минимум:

2. Из области ССП_J загружается значение ССП_J , определяющее состояние процессора на момент прерывания.

3. Управление передается команде с адресом АК_J , определяющее начало программы – преемника.

Обработка ССП обычно организуется по типу причин прерывания и обеспечивается супервизором:

Количество ССП определяется из соображений, обеспечивающих высокую производительность компьютера. При возникновении причины прерывания выполняются следующие действия:

1. Запись в область старых ССП состояния процессора.

2. Загрузка из области новых ССП слова состояния программы, соответствующего коду причины прерывания.

3. передача управления по адресу АК, указанному в новом ССП.

В новом ССП адрес команды может относиться как к прикладной программе, так и к программе супервизора, обрабатывающей заданное прерывание.

14.) Организация подсистемы ввода-вывода. Мультиплексирование. Буферизация данных.

Подсистема ввода-вывода компьютера обеспечивает обмен данными с устройствами, являющимися внешними по отношению к процессору и оперативной памяти. Это могут быть как устройства, установленные в одном корпусе или стойке с процессором, например, дисковые массивы памяти, так и в различной степени удаленные. В состав компьютера должно входить необходимое количество различных типов контроллеров, поддерживающих необходимые протоколы обмена и обеспечивающих соединение и требующуюся пропускную способность с шинами внешних устройств и локальных и глобальных сетей передачи данных.

Особенно высокие требования предъявляются к системам ввода вывода компьютеров, работающих в многопользовательском режиме, таких как различного типа серверы, мейнфреймы, кластеры. Зачастую производительность таких компьютеров в большей степени определяется организацией подсистемы ввода вывода, а не быстродействием процессоров.

Устройства ввода предназначены для восприятия вводимой извне информации, её преобразования в электрические кодовые сигналы и передачи к мультиплексному каналу по средствам интерфейса ввода-вывода. Устройства вывода переводят выводимый из машины сигнал обратно и выводят его на перфокарты (перфоленты), либо на другие внешние устройства.

Мультиплексирование - передача по одному физическому каналу данных нескольких устройств методом временного или частотного его разделения на подканалы.

Буфер – промежуточная память, куда необх передать данные из одного вида носителя, чтобы потом записать на др.

Задача 1: выравнивание скоростей работы переферийных устройств

Задача 2: Преобразлование форматов данных

РДНМД – регистр данных НМД

УУММД – устройство управл НМД

П – пересчет по методу НМД

ГВ – группа вывода

БРД – буфер регистра данных

Ин-ция считыв с накопителя по байтам, а в системе должна представляться двойным словом. Для того, чтобы организвоать такой переход и требуется буфер. Значение буфера: группировать байт по 4, формулируя двойное слово данных.

15.) Организация подсистемы ввода-вывода. Классификация периферийных устройств по режиму обмена.

16.) Специализированные процессоры ввода-вывода (каналы). Селекторный и мультиплексный каналы.

Каналы ввода-вывода - это специализированные средства системы ввода- вывода. Они организовывают процесс обмена между периферийными устройствами и оперативной памятью.

Интерфейс- это совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединить между собой элементы системы автоматической обработки данных.

На практике интерфейс - это многоконтактное разъёмное кабельное соединение с чётким разграничением сигналов для каждого провода. Он позволяет присоединять и работать с различными периферийными устройствами, быстродействие которых не превосходит пропускной способности канала.

Существующие два типа каналов - селекторный (СК) и мультиплексный (МПК) отличаются по внутренней структуре, режимам работы и назначению. СК осуществляет обмен данными процессора поочередно только с одним из подключенных к нему ВУ, работающим с относительно высокой скоростью передачи данных (магнитные ленты, диски или барабаны), МПК обеспечивает одновременный обмен данными с несколькими ВУ (ориентировочно до 200), работающими с относительно малой или средней скоростью (например, перфокартные, перфолентные и печатающие устройства).

Селекторный и мультиплексный каналы служат для обеспечения связи между
ЭВМ и периферийными (внешними) устройствами.

По средствам селекторного канала ЭВМ соединяется с быстродействующими внешними устройствами, такими как накопители на МД, МБ и МЛ. Работа идет только с одним внешним устройством. Такой режим работы называется монопольным.

Так же селекторный канал может быть оснащён адаптером “канал-канал”, который устанавливает связь между каналами ЭВМ.

Через мультиплексный канал идёт обмен информацией между оперативной памятью и периферийным оборудованием с малым быстродействием, например, устройства ввода-вывода на перфоленты и перфокарты, алфавитно-цифровое печатающее устройство. Такие устройства могут работать независимо друг от друга.

17.) Принцип локальности. Сверхоперативная память (кэш-память).

Быстродействие СОЗУ (сверх оперативное запоминающ устройство) должно соответствовать быстродействию АЛУ и быстродействию УУ.

Задачи:

1. Ускорение обмена данными с ЦП.

2. Разгрузка основной памяти.

Для эффективного использование СОЗУ применяется принцип локальности.

Временная локальность:

Если произошло обращение к какой-либо области память, то с большей вероятностью произойдет повторное обращение к этой же области.

Пространственная локальность:

Если произошло обращение к какой-либо области память, то с большей вероятностью последующее обращение будет к смежным ячейкам.

к – коммутатор, h/m – попадание или промах.

Коммутатор решает:

1. Извлечь данные из ОП и отправить процессору

2. Извлечь данные из КЭШ

3. При опред накопл his/miss коммутатор может скомандовать выгрузить часть ин-ции из СОЗУ и загрузить часть в ОП.

КЭШ(СОЗУ) – исп для ускорения работы программы.

Строение КЭШ памяти аналогично строению регистра. Регистр – ячейка памяти, напрямую соед с процессором. У нее нет адреса, обращаются к регистру только по имени.

Строение КЭШ аналогично, разница только в размере. В СОЗУ появл внутр сист адреса (т.к. там много регистровых переменных). Основные Эл-ты СОЗУ явл триггеры. Триггер – лог устройство, имеющ 2 стабильных сост, рализ на логич Эл-тах: И, ИЛИ и НЕ.

18.) Различные способы построения кэш-памяти. Стратегии замещения страниц.

КЭШ-память - это сверхоперативная сверхскоростная промежуточная память. КЭШ устраняет простои процессора, так как скорость обмена процессора с КЭШ в несколько раз выше, чем с ОЗУ.

Принципы размещения блоков в кэш-памяти определяют три основных типа их организации:

• Если каждый блок основной памяти имеет только одно фиксированное место, на котором он может появиться в кэш-памяти, то такая кэш-память называется кэшем с прямым отображением (direct mapped). Это наиболее простая организация кэш-памяти, при которой для отображение адресов блоков основной памяти на адреса кэш-памяти просто используются младшие разряды адреса блока. Таким образом, все блоки основной памяти, имеющие одинаковые младшие разряды в своем адресе, попадают в один блок кэш-памяти, т.е.

(адрес блока кэш-памяти) =

(адрес блока основной памяти) mod (число блоков в кэш-памяти)

• Если некоторый блок основной памяти может располагаться на любом месте кэш-памяти, то кэш называется полностью ассоциативным (fully associative).
• Если некоторый блок основной памяти может располагаться на ограниченном множестве мест в кэш-памяти, то кэш называется множественно-ассоциативным (set associative). Обычно множество представляет собой группу из двух или большего числа блоков в кэше. Если множество состоит из n блоков, то такое размещение называется множественно-ассоциативным с n каналами (n-way set associative). Для размещения блока прежде всего необходимо определить множество. Множество определяется младшими разрядами адреса блока памяти (индексом):

(адрес множества кэш-памяти) =

(адрес блока основной памяти) mod (число множеств в кэш-памяти)

Далее, блок может размещаться на любом месте данного множества.

Диапазон возможных организаций кэш-памяти очень широк: кэш-память с прямым отображением есть просто одноканальная множественно-ассоциативная кэш-память, а полностью ассоциативная кэш-память с m блоками может быть названа m-канальной множественно-ассоциативной. В современных процессорах как правило используется либо кэш-память с прямым отображением, либо двух- (четырех-) канальная множественно-ассоциативная кэш-память.

У каждого блока в кэш-памяти имеется адресный тег, указывающий, какой блок в основной памяти данный блок кэш-памяти представляет. Эти теги обычно одновременно сравниваются с выработанным процессором адресом блока памяти.

Кроме того, необходим способ определения того, что блок кэш-памяти содержит достоверную или пригодную для использования информацию. Наиболее общим способом решения этой проблемы является добавление к тегу так называемого бита достоверности (valid bit).

Адресация множественно-ассоциативной кэш-памяти осуществляется путем деления адреса, поступающего из процессора, на три части: поле смещения используется для выбора байта внутри блока кэш-памяти, поле индекса определяет номер множества, а поле тега используется для сравнения. Если общий размер кэш-памяти зафиксировать, то увеличение степени ассоциативности приводит к увеличению количества блоков в множестве, при этом уменьшается размер индекса и увеличивается размер тега.

В системах со страничной организацией основная и внешняя память (главным образом дисковое пространство) делятся на блоки или страницы фиксированной длины. Каждому пользователю предоставляется некоторая часть адресного пространства, которая может превышать основную память компьютера и которая ограничена только возможностями адресации, заложенными в системе команд. Эта часть адресного пространства называется виртуальной памятью пользователя. Каждое слово в виртуальной памяти пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер страницы, а младшие - как номер слова (или байта) внутри страницы.

Управление различными уровнями памяти осуществляется программами ядра операционной системы, которые следят за распределением страниц и оптимизируют обмены между этими уровнями. При страничной организации памяти смежные виртуальные страницы не обязательно должны размещаться на смежных страницах основной физической памяти. Для указания соответствия между виртуальными страницами и страницами основной памяти операционная система должна сформировать таблицу страниц для каждой программы и разместить ее в основной памяти машины. При этом каждой странице программы, независимо от того находится ли она в основной памяти или нет, ставится в соответствие некоторый элемент таблицы страниц. Каждый элемент таблицы страниц содержит номер физической страницы основной памяти и специальный индикатор. Единичное состояние этого индикатора свидетельствует о наличии этой страницы в основной памяти. Нулевое состояние индикатора означает отсутствие страницы в оперативной памяти.

Для увеличения эффективности такого типа схем в процессорах используется специальная полностью ассоциативная кэш-память, которая также называется буфером преобразования адресов (TLB traнсlation-lookaside buffer). Хотя наличие TLB не меняет принципа построения схемы страничной организации, с точки зрения защиты памяти, необходимо предусмотреть возможность очистки его при переключении с одной программы на другую.

Поиск в таблицах страниц, расположенных в основной памяти, и загрузка TLB может осуществляться либо программным способом, либо специальными аппаратными средствами. В последнем случае для того, чтобы предотвратить возможность обращения пользовательской программы к таблицам страниц, с которыми она не связана, предусмотрены специальные меры. С этой целью в процессоре предусматривается дополнительный регистр защиты, содержащий описатель (дескриптор) таблицы страниц или базово-граничную пару. База определяет адрес начала таблицы страниц в основной памяти, а граница - длину таблицы страниц соответствующей программы. Загрузка этого регистра защиты разрешена только в привилегированном режиме. Для каждой программы операционная система хранит дескриптор таблицы страниц и устанавливает его в регистр защиты процессора перед запуском соответствующей программы.

Отметим некоторые особенности, присущие простым схемам со страничной организацией памяти. Наиболее важной из них является то, что все программы, которые должны непосредственно связываться друг с другом без вмешательства операционной системы, должны использовать общее пространство виртуальных адресов. Это относится и к самой операционной системе, которая, вообще говоря, должна работать в режиме динамического распределения памяти. Поэтому в некоторых системах пространство виртуальных адресов пользователя укорачивается на размер общих процедур, к которым программы пользователей желают иметь доступ. Общим процедурам должен быть отведен определенный объем пространства виртуальных адресов всех пользователей, чтобы они имели постоянное место в таблицах страниц всех пользователей. В этом случае для обеспечения целостности, секретности и взаимной изоляции выполняющихся программ должны быть предусмотрены различные режимы доступа к страницам, которые реализуются с помощью специальных индикаторов доступа в элементах таблиц страниц.

Следствием такого использования является значительный рост таблиц страниц каждого пользователя. Одно из решений проблемы сокращения длины таблиц основано на введении многоуровневой организации таблиц. Частным случаем многоуровневой организации таблиц является сегментация при страничной организации памяти. Необходимость увеличения адресного пространства пользователя объясняется желанием избежать необходимости перемещения частей программ и данных в пределах адресного пространства, которые обычно приводят к проблемам переименования и серьезным затруднениям в разделении общей информации между многими задачами.

19.) Назначение, структура и принцип работы селекторного канала.

20.) Назначение, структура и принцип работы мультиплексного канала.

21.) Особенности организации устройства управления (УУ) центрального процессора. Микропрограммная и аппаратная реализация УУ.

Принцип работы УУ.

Перемещение по тракту данных, модификация разрядов различных инструкций данных и машинных адресов.

Тракт данных (Data Path). Сюда входят различные регистры (буферные, специального назначения), коды в/в, чт/запись и направл движ шины и функциональные устройства обработки данных.Данные перемещаются по тракту в определенные отрезки времени (такты). Если начало и конец пути явл регистрами, то это назыв регистровой передачей (выполняется за 1 такт).

Задача УУ – выработка и выполнение инструкций. Выборка определяет какую инструкцию взять следующей. Одна регистровая операция назыв микрооперацией.

Команда, кот мы имеем на языке программирования, назыв макрооперацией. Она расшифровывается в ряд микроопераций.

Существует 2 подхода к построению УУ:

1. Жесткая схематическая реализация (что занято, тем и пользуйся; модификация невозможна)

2. Микропрограммная реализация. Каждой макрооперации соотв макропрограмма, хранящаяся в ПЗУ МП. Аналогичен адресу вызова этой макропрограммы.

Этапы выполнения инструкций УУ:

1. Выборка очередной инструкции. Определение адреса в памяти и загрузка ее регистра.

2. Декодирование выбранной инструкции. Распознавание. Что за команда и какие действия производят.

3. Выборка операторов. Если необходимо. В зависимости от того, как мы распознаем инструкцию…

4. Управление вентелями (функциональными узлами) для выполн инструкции.

5. Изменение состояния процессора для выработки условий выполнения следующей инструкции. Какие именно условия могут быть?

6. Запись, если необходимо, результата операции в регистр или в ОП.

7. Проверка условий выполнения перехода, и, если надо, изменения нормальной последовательности выполнения инструкций.

Кажд из рассмотренных шагов может содерж подэтапы.

22.) Преимущества и недостатки микропрограммной реализации устройства управления (УУ) центрального процессора.

В микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов: программный и микропрограммный.

Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.

При микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код - микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

Для ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:
1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;
2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и миниЭВМ.

23.) Основные принципы микропрограммирования.

Принципы микропрограммирования

Выполнение команд в ЦВМ (цифровых вычислительных машинах) организуется на основе принципа микропрограммного управления. Любая машинная операция, возбуждаемая командой, рассматривается как сложное действие и разделяется на последовательность элементарных машинных действий над словами информации, называемых микрооперациями. Для выбора порядка следования микроопераций вводятся логические условия, которые в зависимости от величин преобразуемых слов принимают значения истина или ложь (1 или 0). Алгоритм операции записывается в терминах микроопераций и логических условий и называется микропрограммой.