Микрооперации и микропрограммы

Для пояснения логики функционирования ВМ ее целесообразно представить в виде совокупности узлов, связанных между собой коммуникационной сетью. Процесс функционирования вычислительной машины состоит из последовательности пересылок информации между ее узлами и элементарных действий, выполняемых в узлах. Понятие узла здесь трактуется весьма широко: от регистра до АЛУ или основной памяти. Также широко следует понимать и термин “элементарное действие”. Это может быть установка регистра в некоторое состояние или выполнение операции в АЛУ. Любое элементарное действие производится при поступлении соответствующего сигнала управления (СУ) из микропрограммного автомата устройства управления. Возможная частота формирования сигналов на выходе автомата определяется синхронизирующими импульсами, поступающими от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Элементарные пересылки или преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями. В течение одного такта могут одновременно выполняться несколько микроопераций. Совокупность сигналов управления, вызывающих микрооперации, выполняемые в одном такте, называют микрокомандой. Относительно сложные действия, осуществляемые вычислительной машиной в процессе ее работы, реализуются как последовательность микроопераций и могут быть заданы последовательностью микрокоманд, называемой микропрограммой. Реализует микропрограмму, то есть вырабатывает управляющие сигналы, задаваемые ее микрокомандами, микропрограммный автомат (МПА). Для записи микропрограмм в компактной форме используются граф-схемы алгоритмов и языки микропрограммирования.

Цикл команды

Программа в фон-неймановской ЭВМ реализуется центральным процессором (ЦП) посредством последовательного исполнения образующих эту программу команд. Действия, требуемые для выборки (извлечения из основной памяти) и выполнения команды, называют циклом команды. В общем случае цикл команды включает в себя несколько составляющих (этапов):

а. выборку команды;

б. формирование адреса следующей команды;

в. декодирование команды;

г. вычисление адресов операндов;

д. выборку операндов;

е. исполнение операции;

ж. запись результата.

Перечисленные этапы выполнения команды называются стандартным циклом команды. Отметим, что не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), тем не менее этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения имеют место всегда.

В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

а. косвенная адресация;

б. реакция на прерывание.

Кратко охарактеризуем каждый из этапов стандартного цикла команды. (распределение функций по разным этапам цикла команды и последовательность выполнения некоторых из них в реальных ВМ могут отличаться от излагаемых):

1. Этап выборки команды. Цикл любой команды начинается с того, что центральный процессор извлекает команду из памяти, используя адрес, хранящийся в счетчике команд (СК). Двоичный код команды помещается в регистр команды (РК) и с этого момента становится “видимым” для процессора. Без учета промежуточных пересылок и сигналов управления это можно описать следующим образом: РК:=ОП[(СК)]. Приведенная запись охватывает весь этап выборки, если длина команды совпадает с разрядностью ячейки памяти. В то же время система команд многих ВМ предполагает несколько форматов команд, причем в разных форматах команда может занимать 1, 2 или более ячеек, а этап выборки команды можно считать завершенным лишь после того, как в РК будет помещен полный код команды. Информация о фактической длине команды содержится в полях кода операции и способа адресации. Обычно эти поля располагают в первом слове кода команды, и для выяснения необходимости продолжения процесса выборки необходимо предварительное декодирование их содержимого. Такое декодирование может быть произведено после того, как первое слово кода команды окажется в РК. В случае многословного формата команды процесс выборки продолжается вплоть до занесения в РК всех слов команды.

2. Этап формирования адреса следующей команды. Для фон-неймановских машин характерно размещение соседних команд программы в смежных ячейках памяти. Если извлеченная команда не нарушает естественного порядка выполнения программы, для вычисления адреса следующей выполняемой команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды, представленную количеством занимаемых кодом команды ячеек памяти. Для однословной команды это описывается микрооперацией +1СК: СК:=СК+1. Длина команды, а также то, способна ли она изменить естественный порядок выполнения команд программы, выясняются в ходе ранее упоминавшегося предварительного декодирования. Если извлеченная команда способна изменить последовательность выполнения программы (команда условного или безусловного перехода, вызова процедуры и т. п.), процесс формирования адреса следующей команды переносится на этап исполнения операции. В силу сказанного, в ряде ВМ рассматриваемый этап цикла команды следует не за выборкой команды, а находится в конце цикла.

3. Этап декодирования команды. После выборки команды она должна быть декодирована, для чего ЦП расшифровывает находящийся в РК код команды. В результате декодирования выясняются следующие моменты:

– находится ли в РК полный код команды или требуется дозагрузка остальных слов команды;

– какие последующие действия нужны для выполнения данной команды;

– если команда использует операнды, то откуда они должны быть взяты (номер регистра или адрес ячейки основной памяти);

– если команда формирует результат, то куда этот результат должен быть направлен.

Ответы на два первых вопроса дает расшифровка кода операции, результатом которой может быть унитарный код, где каждый разряд соответствует одной из команд, что можно описать в виде УнитК:=decod(KОп). На практике вместо унитарного кода могут встретиться самые разнообразные формы представления результатов декодирования, например адрес ячейки специальной управляющей памяти, где хранится первая микрокоманда микропрограммы для реализации указанной в команде операции. Полное выяснение всех аспектов команды, помимо расшифровки кода операции, требует также анализа адресной части команды, включая поле способа адресации. По результатам декодирования производится подготовка электронных схем ВМ к выполнению предписанных командой действий.

4. Этап вычисления адресов операндов. Этап имеет место, если в процессе декодирования команды выясняется, что команда использует операнды. Если операнды размещаются в основной памяти, осуществляется вычисление их исполнительных адресов, с учетом указанного в команде способа адресации. Так, в случае индексной адресации для получения исполнительного адреса производится суммирование содержимого адресной части команды и содержимого индексного регистра.

5. Этап выборки операндов. Вычисленные на предыдущем этапе исполнительные адреса используются для считывания операндов из памяти и занесения в определенные регистры процессора. Например, в случае арифметической команды операнд после извлечения из памяти может быть загружен во входной регистр АЛУ. Однако чаще операнды предварительно заносятся в специальные вспомогательные регистры процессора, а их пересылка на вход АЛУ происходит на этапе исполнения операции.

6. Этап исполнения операции. На этом этапе реализуется указанная в команде операция. В силу различия сущности каждой из команд ВМ, содержание этого этапа также индивидуально.

7. Этап записи результата. Этап записи результата присутствует в цикле тех команд, которые предполагают занесение результата в регистр или ячейку основной памяти. Фактически его можно считать частью этапа исполнения, особенно для тех команд, которые помещают результат сразу в несколько мест.