Назначение и Классификация ЦУУ
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.
К основным характеристикам ЦУУ следует отнести:
- принцип формирования и развертывания временной последовательности управляющих сигналов;
- 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 последовательностиУС 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.
По способу построения рабочего цикла различают ЦУУ:
¨ с прямым циклом,
На первом этапе производится выборка из памяти команды, а затем следуют этапы выполнения машинной операции.
¨ с обращенным циклом,
В первую очередь выдаются управляющие сигналы 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 способу синхронизацииработы ЭВМ в зависимости от числа тактов в цикле выполнения команды различают ЦУУ:
¨ с постоянным числом тактов;
¨ с переменным числом тактов.
В микропрограмме рабочего цикла выделяют общую и специальную части. К общей части относятся микрокоманды, исполняемые в цикле любой команды: выборка команды, анализ запросов на прерывание, формирование адреса следующей команды, анализ состояния процессора. Эти микрокоманды выполняются за постоянное число тактов.
К специальной части относятся микрокоманды, по которым вырабатываются управляющие сигналы 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 зависит от формата выбираемой команды, структуры ее адресной части и длины операндов.
По общей организацииуправление может быть:
¨ централизованным
Блок управления ЦУУ вырабатывает все УС микроопераций для всех команд, выполняемых процессором;
¨ смешанным
Применяются в процессорах, операционные и другие устройства которых имеют собственные узлы местного управления. Тогда блок управления ЦУУ, помимо сигналов микроопераций, вырабатывает так же сигналы для блоков местного управления;
По принципу организации цикловразличают 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.
УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЦП
ЦУУ с жесткой логикой.
Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) – представляет собой логическую схему, вернее совокупность логических схем, вырабатывающих распределенные во времени функциональные управляющие сигналы. Изменить логику работы у таких управляющих автоматов можно, только переделав схему. Множество состояний таких управляющих автоматов задается набором запоминающих элементов (ячеек памяти), а функции переходов и выходов – реализуются набором логических элементов. При синтезе таких управляющих автоматов применяются законы алгебры логики. Синтез комбинационной схемы (КС) автомата происходит в несколько этапов.
¨ построение таблицы истинности;
¨ построение функций переходов и выходов;
¨ минимизация функций переходов и выходов;
¨ построение схемы в требуемом элементном базисе.
Обобщенная структурная схема автомата с жесткой логикой приведена на рис. 5.7.
Состояние счетчика тактов, входящего в структурную схему автомата с жесткой логикой (рис. 5.7), представляет собой номер такта от 1 до N. DC тактов формирует на i-ом выходе единичный сигнал при i-ом состоянии счетчика тактов, то есть во время i-ого такта. DC кода операции вырабатывает единичный сигнал на j-ом выходе, если исполняется j-ая команда. Логические схемы образования функциональных сигналов возбуждают формирователи функциональных управляющих сигналов для выполнения требуемых в данном такте микроопераций. Принцип построения логической схемы образования функциональных сигналов и формирования выходящих управляющих сигналов отражен на рис 5.8.
Здесь показан фрагмент схемы, обеспечивающей выработку управляющего сигнала vk в i-м и n-м тактах выполнения j-й команды. В общем случае значения управляющих сигналов зависят еще и от оповещающих сигналов, отражающих ход вычислительного процесса. Эти оповещающие сигналы поступают от операционных блоков ЭВМ. Для реализации этих зависимостей элементы, представленные на рис. 5.8, берутся многовходовыми и на них заводятся требуемые сигналы логических условий.
Схема формирования тактовых сигналов (датчик тактовых сигналов) может строиться на основе использования регистра сдвига, по которому двигается одна единица, что не требует использования дешифратора.