Классификация МП по способам управления АЛУ

Для того, чтобы обеспечить выполнение микропрограмм (МКПМ), УУ должно подавать определенную пространственно-временную после­довательность сигналов на управляющие ашш АЛУ и других устройств.

Существует два основных метода реализации этой задачи. Первый- так называемое микропрограммное управление или микропрограмируемая логика. Каждую микрокоманду действий(МККД) можно закодировать числом, например, позиционного кода, тогда можно хранить МКПМ в памяти УУ и выбирать из памяти МККД в порядке их исполнения. Выбрав оче­редную МККД т.е. число, достаточно преобразовать его в соответ­ствующую пространственную последовательность единиц и нулей и подать эту последовательность на все управляющие шины АЛУ. Поступление единицы на некоторую шину физически означает появление сигнала на шине, поступление нуля - отсутствие сигнала, поэтому указанная выборка и преобразование МККД означает формирование этих сигналов, т.е. МККД-«защита» в УУ и их нужно только выбирать с помощью записанной микропрограммами.

Второй метод построения УУ- так называемый метод “жесткой” или “схемной” логики. Он отличается тем, что набор МККД и алгоритмы операций, т.е. МКПМ фиксируются при проектировании процессора- создается «жесткая» логика УУ, не подлежащая модификации в процессе эксплуатации. Пользователь волен программировать толь­ко командами, т.е. ИЩИ. УУ с жесткой логикой конструктивно мо­жет быть построено аналогично УУ с программируемой логикой в виде памяти, хранящей МКПМ, однако принципиальная разница в том, что эти МКПМ несменяемы и недоступны пользователи, либо УУ с "жест­кой" логикой может быть построено иначе - аппаратурно, схемно.

Достоинство метода программируемой логики в том, что он сох­раняет пользователю максимальную гибкость в использовании средств

процессора при алгоритмизация, программировании задач и систем. Достоинство метода жесткой логики в том, что фиксированные МКПМ можно хранить специализированной быстрой памяти, например ПЛМ, или реализовать аппаратно и благодаря этому получить меньшую длительность машинного цикла в расчете на команду (МКПМ), чем при хранении МКНД в памяти, т.е. большее быстродействие процессора. Таким образом существует два типа микропроцессоров по типа управления АЛУ:

- с жесткой логикой- это однокристальные МП;

-с программируемой логикой- это секционированные МП;

(далее акцент делается на секционированные МП)

Секционированный МП КI804

Секционированный или разрядно- модульный МП - другой вариант архитектуры МП. В отличие от однокристального МП в данном случае структурная схема процессора "разрезана" на секции и каждая сек­ция выполнена на отдельном кристалле, БИС; все БИС секций в сово­купности образуют МПК, Как правило, АЛУ с абонированного МП "разрезается" вертикалями, т.е. членится па одинаковые к- раз­рядные модули, секция; такая секция, содержащая кроме АЛУ другие фрагменты процессора, называется центральным процессорным эле­ментом (ЦПЭ), а упрощенно - МП (микропроцессор)или ЦП(централь­ный процессор). Для получения необходимой разрядности микропро­цессора используется соответствуйте число ПЦЭ, объединенных для параллельной работы под единых управлением.

Второе важнейшее отличие секционированного МП состоит в том, что его устройство управления строится по принципу микропрограммного управления. Это значит, что при создании МПК зафиксирован только набор МККД, МПКМ из них создает сам пользователь; поэтому МПК содержит БИС памяти MKDM и БИС устройства МКГМ управления.__

Типовая структура ЦПЭ секционированного МП представлена на рис. 2.5.1. Здесь имеются АЛУ, локальная память на РОН емкостью 8 - 16, два мультиплексора на входах АДУ, • коммутирующее различные источники на регистры-приемники АЛУ, выходные регистр адреса (РгА) и регистр результата АЛУ (РгР), входные н выходные магист­рали, дешифратор-шифратор микрокоманд ЦПЭ. Последний получает из УУ позиционный код МККД и преобразует его в пространственную по­следовательность "I" и "О" - управляющие сигналы, поступающие на шины узлов ПЦЭ, Исходные данные (операнды) поступает по магистра­ли Bх.I из ОЗУ или по магистрат Вх. 2 из устройств ввода, данных через мультиплексор в АЛУ. Результаты из АЛУ принимаются в РгР Рис. 2.5.1 Типовая структура ЦПЭ секционированного МП: MS₁, MS₂ - мультиплексоры; ДШ-ШP МККД - де­шифратор-шифратор микрокоманд МП

или РгА, а также в РОН. Результаты отправляются в ОЗУ или устрой­ства вывода по магистрата Вых.2 по адресу, передаваемому по ма­гистрата Вых. I. Связь с другими секциями ЦПЭ осуществляется по линиям межразрядных связей АЛУ, передавших и принимающих перенос и значения сдвигаемых разрядов при операциях сдвига; АЛУ выдает также вовне значения признаков результата (в описаниях МПК они обычно называются «флагами» АЛУ).

Видно, что структура ЦПЭ аналогична структуре однокристаль­ного МП, разница между ними в том, что сложное УУ однокристального МП в секции ЦПЭ отсутствует; в последнем имеется только сред­ство реализации готовой МККД - дешифратор- шифратор; МККД в ЦПЭ по­дает секция микропрограммного управления, считывая ее из памяти микропрограмм.

Задача, решаемая УУ с микропрограммируемой логикой, относи­тельно проста - в каждом цикле поставлять в управляемые секции и устройства (ЦПЭ, ОЗУ, УВВ) код микрокоманды, его интерпретация в виде пространственной последовательности "I" и "О" выполняется в управляемых секциях. МКПМ хранятся в памяти, ее (в зависимости от организации ЭВМ) функционально следует отнести либо к УУ, либо к ОЗУ, мы будем называть ее памятью МКПМ. Считанная из памяти МКПМ очередная МККД принимается на Рг МККД и в течение цикла управля­ет работой секций.

Второй компонент УУ – БМУ(блок местного управления), основное назначение БМУ - определять адрес очередной МККД в памяти МКПМ. Код МККД представляет собой слово (длиной несколько десятков двоичных разрядов), разде­ленное на несколько полей, отличающихся функциональным назначе­нием и принадлежностью к различным управляемым устройствам: име­ется поле ЦПЭ, поле БМУ, поле ОЗУ и УВВ. Поле ЦПЭ содержит код, определяющий все необходимое для выполнения цикла в ПЦЭ - опера­цию в АЛУ, источники операндов, приемник результата, непосред­ственное данное (операнд, перенос),

БМУ, управляющий определением адреса следующей МККД в памяти МКПМ, сам управляется соответствующим полем текущей МККД, полем ЕМУ, обозначит его Р. Поле Р указывает тип перехода к следующей МККД - последовательный переход, безусловный переход, условный переход. В первом случае БМУ прибавляет константу к адресу текучей МККД, в частном случае- единицу: РгА= РгА + I.

Перехода в МКПМ реализуются на основе метода принудительной адресации т.е. МККД содержат поле адреса следующей МККД, обозначим его В R, на последовательных участках МКПМ это поле не используется. В случае безусловного перехода БМУ, по указанию поля Р, определяет в качестве адреса следующей МККД адрес из поля В R в текущей МККД, РгА : = BR. Имеются разно­видности безусловного перехода, одна из них - переход с возвра­том, применяемый для обращения к подмикропрограммам (подМКПМ). При совершении такого перехода БМУ должен запомнить адрес теку­щей МККД; в конце подМКМП стоит МККД возврата, исполняя ее, БМУ прибавляет константу к сохраняемому адресу и результат выдает в качестве адреса следующей МККД.

Другая разновидность безусловного перехода - определение в качестве адреса следующей МККД поля КОП регистра команд (РгК) ЭВМ. Подобный переход необходим по окончании текущей МКПМ для выхода на начало другой МКПМ, соответствующей очередной команде программ. Для совершения данного перехода последняя МККД текущей МКПМ указывает БМУ передать КОП из РгК в адресный регистр памяти МКПМ: РгА := РгК (КОП). В ячейках с номерами КОП i хранятся МККД безусловного переходам по фиксированным адресам, с которых начинаются МКПМ i- х команд.

При условном переходе поле Р, указывая тип перехода, указы­вает и признак- условие перехода, например отрицательней знак результата, полученного в АЛУ в предыдущей МККД. Если признак имеет истинное значение, переход совершается, т.е. БМК передает на РгА код из поля ВR , в противном случав переход не делается. БМУ модифицирует на константу адрес текущей МККД и результат вы­дает в РгА.

Описанные функции БМУ технически могут быть реализованы по-разному. В МПК К589 БМУ реализован в виде логической схемы, в IDE KI804 - в виде логической схемы определения адреса и ПЗУ, хранящего логику переходов и выдающего управляющие сигналы на логическую схему. В МЦК KI804 два разряда, поля Р - разряды P₁ P₀ -подается с регистра МККД на мультиплексор наделения признаков ПЦЭ, выход мультиплексора, назовем его ϕ , присоединяется к ко­ду P₃ P₂ P₁ P₀ поля P полученный 5-разрядный код ϕ подается на ПЗУ в качестве адреса A₄ A₃ A₂ A₁ A₀; выходное слово ПЗУ восьмиразрядное Q₇/Q₀ подается на шины логической схемы

определения адреса ШУ. Под действием сигналов Q₇/Q₀ слова, выбранного из ПЗУ, логическая схема либо переписывает поле ВR из регистра МККД в РгА памяти МКПМ, либо прибавляем единицу к текущему значению РгА.

Кроме рассмотренных БИС (секций) ЦПЭ, БМУ и памяти МКПМ, в МПК обычно имеется БИС схема ускоренного переноса (СУП) (рис. 2.5.2) обеспечивающая быструю передачу переноса между секциями ЦПЭ, ИС многорежимного буферного регистра (МБР), ИС блока приоритетного прерывания (БПП), ИС шинного формирователя (ЕВ). Используемые при сборке микро- ЭВМ микропроцессорных систем.

Рис. 2.5.2 Организация условного переноса

Ниже оценивается система ШКД секционированного МП KI804, этот комплект выполнен по технологам ТТЛШ, предназначен для светец высокого быстродействия (тактовая частота до 8 МГц) и име­ет типичную для секционированного МП систему МВД. Секция цпэ имеет разрядность 4, локальная память содержит 16 РОН.

Макет представлен на рис. 2.5.3.

Микрокоманды операций(МККО) или микрокоманды действий(МККД)

Это расширенная структура микрокоманд, рассмотренных в курсовой работе.

:

Адрес следующей МКК

Тип перехода на один разряд(P3…P0)

Наличие поля «выходные данные» (Д3..Д0)

Наличие полей для приемника результата (Y8..Y3) c МС2

Наличие полей источника операнды (Y2..Y0) c МС1

В вышеизложенных выносках рассмотрены отличия от ранее рассмотренной(в курсовой работе) структуры микрокоманд.

Микропрограмма имеет длину 32 разряда и разделена на восемь полей, поле №0 предназначено для непосредственного указания дан­ного, вступающего в операцию. Поле №1 адресует операнд B указанием номера РОИ, в которой находима операнд, т.е.. поле I прямо адресует операнд В из РОН. Поле №2 прямо адресует операнд А из РОН. Поле №3 содержи кед операции КОП, подлежащей выполнению АЛУ(Со). Поле №4 указывает источники операндов. В 19-м и 23-м разрядах расположены модификаторы операций сдвига MS₁ и MS₂. Поле кодирует приемник результата операции, т.е. указывает куда отправляется результат. Поле №6- поле управления БМУ, т.е. определяющее алгоритм выбора следующей МККД.

На рис. 2.5.4 показана расшифровка кода операции АЛУ, КОП, АЛУ; на рис.2.5.5- расшифровка кода источников операндов АЛУ; на рис. 2.5.6 расшифровка кода приемника результата. На рис.2.5.7 дана схема модификаций операций сдвига в зависимости от кодифи­каторов MS₁ и МS₂. Выполнение операции сдвига задается полем 5_, I₈ I₇ I₆ : сдвиг вправо - кодами 100 и 101, сдвиг влево - кодами 110 и 111.

Рис. 2.5.4. Расшифровка КОП АЛУ МП KI804: источники операндов R и S определяются согласно рис. 3.9.'Сn-перенос в младший разряд секции. Результату операции присваивается имя F/

Рис. 2.5.5 Расшифровка кода источников операндов АЛУ; А -РОН; В - РОН; Q - регистр ре­зультата АЛУ; D - поле D МККД; О - нуль

На рис. 2.5.8 представлена расшифровка кода поля Р - поля управления переходами в микропрограмме. Прокомментируем некото­рые; случаи.

Если в поле Р текущей команды записано значение 0000, то, если результат текущей операции в АЛУ F≠0, следующей будет исполняться МККД, выбранная из памяти МКПМ по адресу, указанно­му в поле ВR текущей МККД РгА : = BR ; если же F =0, следующей будет исполняться следующая в памяти МККД (РгА : = РгА+1).

Если в поле Р записано 0001, то следующей будет испол­няться МККД из ячейки, номер которой равен коду поле ВR те­кущей МККД (РгА : = ВR ).

Рис. 2.5.5 Приемник результата операции F

Рис. 2.5.7 Схема выполнения операции сдвига: F3-значение знакового разряда(старшего разряда результата) предыдущей операции

F₃, 0VR , С₄ - признаки, флаги, АЛУ

F - значение знака (старшего разряда разряда результата АЛУ )

О V R - признак переполнения разрядной сетки

С₄- значение переноса из стершего разряда результата А1У

Рис. 2.5.8 Расшифровка кодов поля Р управления переходами в МКПМ

Если в поле Р загасало 0010, го следующей будет дополняться МККД из следующей ячейки памяти МКПМ (РгА : = РгА+I9),

Если в поле Р записано значение 0101, следующей будет ис­полняться МККД, выбранная по адресу из пола BR . Адрес текущей МККД передается на сохранение в регистр БМУ. Это переход к подпрограмме. В конце подпрограммы стоит некоторая МККД, в поле Р ко­торой записано значение 0110. Прочитав это значение, БМУ извлека­ет из своего регистра сохраняемый адрес, увеличивает его на еди­ницу и полученный результат передает на адресный регистр памяти МКПМ, на следящем такте произойдет возврат из под МКПМ в вызывающую МКПМ