Операционные устройства (АЛУ)

В разделе "Представление информации в ЭВМ" было показано, что различные арифметические операции над числами (представленными, кроме, того в различной кодировке) требуют существенно различных последовательностей микроопераций. Кроме того, очевидно, что чем многофункциональнее электронное устройство, тем сложнее его структура (больше элементов) и тем медленнее оно работает. С другой стороны, функции такого сложного устройства может выполнить набор более простых и быстродействующих устройств, однако, аппаратурные затраты и цена будут выше.

В общем случае, операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для ЧФЗ;

- операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для ЧПЗ;

- операции десятичной арифметики;

- логические операции;

- операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики (нормализация чисел, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды без знакового), логический сдвиг (сдвигаются все разряды) и т.д.).

ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции приведенных выше групп, но делают это по-разному, в зависимости от типа АЛУ, используемого в процессоре.

В общем случае АЛУ подразделяется на блочные и многофункциональные.

В блочных АЛУ (рис. 2.3) перечисленные группы операций выполняются в отдельных электронных блоках, при этом повышается скорость работы, т.к. блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции. Кроме того, специализированный блок всегда выполняет операции быстрее, чем универсальный перенастраиваемый блок.

Рис. 2.3. Блочные АЛУ

X – входные данные; S – управляющие сигналы; Z – результат операции;

P – извещение о завершении работы

 

Блочные АЛУ характерны для больших ЭВМ, где главным является максимальное быстродействие, а не аппаратные затраты и стоимость. Простейшие сопроцессоры в микро-ЭВМ, выполняющие операции с ЧПЗ, также можно рассматривать как специализированные блоки. Поэтому АЛУ микро-ЭВМ с сопроцессорами можно иногда рассматривать как блочные.

В многофункциональных АЛУ перечисленные группы операций выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. Такие АЛУ характерны для мини- и микроЭВМ, построенных на простых процессорах.

Существуют и другие структуры АЛУ (смешанные), находящиеся где-то между блочными и многофункциональными.

Следует иметь в виду, что часто ЭВМ, построенные на базе простейших микропроцессоров, имеют АЛУ, позволяющие выполнять только операции двоичной арифметики над ЧФЗ и некоторые логические операции. В этом случае остальные группы операций выполняются специальными подпрограммами, что сильно понижает скорость их выполнения.

Рассмотрим несколько подробнее структуру АЛУ простейшего процессора и определим минимально необходимый набор входящих в него устройств. Из изложенного выше следует, что в состав такого АЛУ должно входить устройство, выполняющее операции двоичного суммирования (сумматор). Кроме того, для хранения операндов и результата необходимо иметь, по крайней мере, три буферных регистра (регистры временного хранения). Однако, в простейшем случае, результат операции можно записывать в один из регистров временного хранения на место одного из операндов. Этот регистр принято называть аккумулятором, а процессор в целом – процессором аккумуляторного типа. Аккумулятор должен обязательно иметь двунаправленную связь с внутренней шиной данных процессора. (В более сложных АЛУ результат операции может быть записан по желанию программиста в любой из специально выделенных для этой цели регистр). Для выполнения арифметико-логических операций необходимо устройство, выполняющее сдвиги двоичных чисел (сдвигатель). И, наконец, необходим регистр, в котором хранятся некоторые признаки результата выполненной операции, необходимые для функционирования УУ (регистр признаков).

Структурная схема АЛУ простейшего микропроцессора аккумуляторного типа изображена на рис. 2.4.

Уже отмечалось, что АЛУ в целом, и двоичный сумматор имеют одно обозначение. В соответствии со сделанными ранее замечаниями регистр временного хранения и аккумулятор можно считать вспомогательными узлами АЛУ.

 

Рис. 2.4. Структурная схема АЛУ

 

Управляющие устройства

Выше отмечалось, что УУ управляет работой АЛУ путем выработки последовательности микрокоманд, необходимых для выполнения той или иной операции (+, -, /, *, и т.д.). Порядок выполнения микрокоманд определен микропрограммой реализации операции, но может изменяться в зависимости от признаков операции, вырабатываемых в АЛУ (P₁,...,P_m) и подаваемых на вход УУ. Общий вид УУ приведен на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Общий вид УУ

 

 

Микропрограммы могут иметь как линейную структуру, так и быть сильно разветвленными, причем условные переходы осуществляются в соответствии с признаками P.

Технические реализации УУ даже простейших процессоров весьма разнообразны. Однако в самом общем случае их различают по способу хранения микропрограмм. По этому критерию УУ подразделяются на УУ с жесткой (схемной) логикой и УУ с хранимой в специальной памяти микропрограммой. Если микропроцессорная память доступна программисту, то такие УУ являются микропрограммируемыми и позволяют изменить систему команд процессора. Если микропрограммная память не доступна, то процессор имеет неизменную систему команд, как и в случае УУ с жесткой логикой.

Данные варианты отличаются друг от друга принципами построения, аппаратными затратами, временем реализации микропрограмм, возможностью изменения последовательности микрокоманд, а следовательно, и системы команд процессора.

УУ современных процессоров во многих случаях комбинированные. Выполнением простых команд управляет быстродействующее УУ на жесткой логике, а выполнением сложных команд – более медленное УУ с микропрограммной памятью.

Ниже будут рассмотрены общие принципы построения обоих типов УУ.

УУ с жесткой логикой

УУ, построенные на жесткой логике, исторически появились первыми и до настоящего времени используются очень широко. Основным преимуществом таких УУ является их быстродействие. Именно поэтому абсолютное большинство специализированных процессоров, особенно предназначенных для обработки информации в режиме реального времени имеют УУ на жесткой логике. Под специализированными понимаются процессоры, предназначенные для выполнения узкого набора специальных функций (обработка сигналов радиолокационных станций, преобразование Фурье, матричные операции, кодирование и декодирование сигналов в скоростных линиях связи и т.д.) с максимальной скоростью.

Однако и в процессорах общего назначения с универсальными наборами команд УУ на жесткой логике также используются очень широко, особенно, как уже отмечалось, для управления выполнением простых команд. Системы команд таких процессоров всегда фиксированные и не могут быть изменены пользователем. Подобные УУ иногда называют специализированными.

Структурная схема УУ с жесткой логикой изображена на рис. 2.6.

Специализированные УУ формируют неизменные последовательности сигналов управления (СУ).

Блок логических схем состоит из комбинационных схем, регистров, счетчиков, дешифраторов и других устройств, выполняющих функции запоминания текущего состояния автомата, определяющего СУ, и формирования следующего состояния в соответствии с входными признаками.

Микропрограмма в таком автомате хранится за счет системы жестких связей между узлами УУ. Для изменения микропрограммы требуется демонтаж жестких связей и создание новой схемы.

 

 

 

Рис. 2.6. Структура УУ на жесткой логике

ГТИ – генератор тактовых импульсов

 

Одним из недостатков УУ на жесткой логике является то, что любые изменения или модификации команд универсального процессора, требующие изменения микропрограмм, приведут к изменению структуры управляющего автомата, а, следовательно, и топологии его внутренних связей. При производстве специализированных процессоров требуется весьма широкая номенклатура УУ (по числу решаемых задач) при относительно небольшой потребности в каждом конкретном типе. С точки зрения технологии микроэлектронного производства процессоров в виде БИС и СБИС указанный недостаток является весьма существенным. Увеличивается цена каждого выпущенного кристалла процессора за счет увеличения расходов на разработку новых топологий УУ и отладку технологии их производства.

Оптимальным решением этой проблемы явилось построение УУ на специализированных логических структурах с фиксированной топологией – программируемых логических матрицах (ПЛМ). ПЛМ является слоистой структурой, в каждом слое которой сосредоточены однотипные логические элементы. Топология связей построена таким образом, что на входы каждого элемента последующего слоя подаются выходные сигналы всех элементов предыдущего слоя. ПЛМ может выполняться как отдельная БИС, так и формироваться внутри кристалла процессора, являясь весьма удобным элементом для создания управляющих автоматов.

Обобщенная функциональная схема простейшей ПЛМ представлена на рис. 2.7.

 

 

Рис. 2.7. Функциональная схема ПЛМ

 

При изготовлении ПЛМ образуется схема, допускающая множество вариантов обработки входных сигналов. Входные элементы позволяют иметь все входные переменные, как в прямой, так и в инверсной форме. На входы любого элемента "И" поданы все входные переменные и их инверсии. Ко входам каждого элемента "ИЛИ" подключены выходы всех элементов "И". Наконец, выходные элементы позволяют получить любую из выходных функций в прямом или инверсном виде.

Программирование матрицы состоит в устранении ненужных связей с помощью фотошаблонов или выжиганием (подобно тому, как это делается в ПЗУ).

Программируя ПЛМ, можно реализовать нужные системы булевых функций. Это позволяет строить управляющие автоматы весьма сложной структуры. В силу своей сложности УУ, как правило, описывается большим количеством булевых функций многих переменных. Эти переменные, в свою очередь, часто бывают зависимыми. Поэтому оказывается необходимой совместная минимизация реализуемой ПЛМ, системы булевых функций.

Рассмотренная выше функциональная схема иллюстрирует только саму идею построения ПЛМ. Структура же реально выпускаемых БИС достаточно разнообразна. Для построения управляющих автоматов наиболее удобны БИС, содержащие наряду с ПЛМ набор выходных триггеров.

Следующим поколением устройств типа ПЛМ являются ПЛИС – программируемые логические интегральные схемы, позволяющие программно скомпоновать в одном корпусе электронную схему, эквивалентную схеме, включающей от нескольких десятков до нескольких сотен ИС стандартной логики.

В настоящее время на мировом рынке доминируют несколько производителей ПЛИС – XILINX, ALTERA, LATTICE, AT&T, INTEL. Выпускаемые ими ПЛИС весьма разнообразны по сложности, назначению, многофункциональности и т.д., однако все они делятся на две большие группы EPLD и FPGA.

EPLD – многократно программируемые – для сохранения конфигурации используется ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

FPGA – многократно реконфигурируемые – для сохранения конфигурации используется статическое ОЗУ.

Фирмы производители поставляют также полное инструментальное обеспечение для разработки и применения устройств на базе EPLD и FPGA с помощью персональных компьютеров.