Вопрос № 5 Микропрограммное управление регистрами АЛУ

Микропроцессор является основой микроЭВМ, основная его особенность - программируемость поведения. Для комплексной оценки свойств отдельных микропроцессоров вводят понятие архитектуры МП, понимая под этим его схемотехническую и логическую организацию. Основным узлом МП является арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для непосредственного выполнения арифметических и логических операций с данными. АЛУ входят в состав обрабатывающей части МП, структурная схема которой представлена на рис. 1.1.

Любая команда, операция или процедура, выполняемая в АЛУ, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за несколько тактов, в каждом из которых выполняется одна или несколько микроопераций.

Интервал времени, отводимый на выполнение микрооперации, называется рабочим тактом или просто тактом цифрового устройства. Если все такты имеют одну и ту же длину, то она устанавливается по самой продолжительной микрооперации.

Для реализации команды, операции или процедуры (микропрограммы) необходимо на соответствующие управляющие входы АЛУ подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих функциональных сигналов. Каждый управляющий функциональный сигнал поступает в начале некоторого такта на соответствующий вход АЛУ, вызывая в этом такте выполнение в АЛУ определенной микрооперации (передача слова, суммирование кодов и др.).

Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенная для выработки последовательностей управляющих функциональных сигналов, называется управляющим блоком или управляющим устройством. Генерируемая управляющим блоком последовательность управляющих сигналов задается поступающими на входы блока кодом операции, сигналами из операционного блока, несущими информацию об особенностях операндов, промежуточных и конечного результатов операции, а также синхросигналами, задающими границы тактов.

Формально управляющий блок можно рассматривать как конечный автомат, определяемый:

1. множеством двоичных выходных сигналов V = {v₁, v₂, …, v_m}, соответствующих множеству микроопераций операционного блока. При v₁=1 возбуждается i-я микрооперация
2. множествами входных сигналов Z и U:

Z = {z₁, z₂, …, z_p} U = {u₁, u₂, …, u_n}, соответствующих задаваемому блоку извне двоичному коду операции (Z) и двоичным оповещающим сигналам (U)

1. множеством подлежащих реализации микропрограмм, устанавливающих в зависимости от значений входных сигналов управляющие сигналы, выдаваемые блоком в определенные такты.

 

По множествам входных и выходных сигналов и микропрограммам определяется множество внутренних состояний блока S={Q₀, Q₁, …, Q_r}, мощность которого (объем памяти управляющего блока) в процессе проектирования стараются минимизировать.

Сказанное поясняет, почему управляющие блоки называют управляющими автоматами. Поскольку эти автоматы задаются микропрограммами, они часто именуются микропрограммными автоматами.

Управляющий автомат может быть задан как автомат Мура:

Закон функционирования автомата Мура задается следующими уравнениями:

a(t+1)=d(a(t), x(t)); y(t)=l(a(t)), где t=0, 1, 2,...

иными словами выходной сигнал в автомате Мура зависит только от состояния и никак не зависит от входного.

или управляющий автомат может быть задан как автомат Мили:

Закон функционирования автомата Мили задается уравнениями:

a(t+1)=d(a(t), x(t)); y(t)=l(a(t), x(t)), где t=0, 1, 2,...

т.е. выходной сигнал в автомате Мили зависит от входного сигнала и от состояния

Существуют два основных типа управляющих автоматов:

1. Управляющий автомат с жесткой, или схемной, логикой. Для каждой операции, задаваемой, например, кодом операции команды, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы. Другими словами, строится конечный автомат, в котором необходимое множество состояний представляется состояниями k запоминающих элементов:

q = {q₁, q₂, …, q_k

*В МП с фиксированной системой команд управляющий блок расшифровывает поступившую команду и в соответствии с ее кодом вырабатывает управляющие сигналы в необходимой последовательности. Расшифровке поддаются только те команды, которые входят в систему команд данного МП. Такой способ организации управления получил название жесткого или схемного. Жесткость и сложность структуры этого типа управления являются основным его недостатком, высокое быстродействие - главным преимуществом.*

1. Управляющий автомат с хранимой в памяти логикой (с «запоминаемой или программируемой логикой»). Каждой выполняемой в АЛУ операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов – микрокоманд, содержащих каждая информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение одного машинного такта, и указание (в общем случае зависящее от значений входных сигналов), какое должно быть выбрано из памяти следующее слово (следующая микрокоманда). Таким образом, в этом случае функции переходов и выходов А и В управляющего автомата реализуются хранимой в памяти совокупностью микрокоманд. * Микропрограммный способ управления позволяет легко вносить изменения в систему команд МП, путем записи в ЗУ микропрограммы выполнения новой команды. Недостатком микропрограммного способа управления является ограниченность скорости быстродействия МП быстродействием управляющего ЗУ.*

 

Последовательность микрокоманд, выполняющих одну машинную команду или отдельную процедуру, образует микропрограмму. Обычно микропрограммы хранятся в специальной памяти микропрограмм («управляющей памяти»).

В управляющих автоматах с хранимой в памяти программой микропрограммы используются в явной форме, они программируются в кодах микрокоманд и в таком виде заносятся в память. Поэтому такой метод управления АЛУ называется микропрограммированием, а использующие этот метод управляющие блоки – микропрограммными управляющими устройствами.

*Команды, составляющие программу, размещаются во внешнем запоминающем устройстве команд (ЗУК). МП обеспечивает выборку команд в нужной последовательности, их дешифрацию и т.д. Для выполнения этих функций МП должны иметь: программный счетчик (ПС), хранящий текущий адрес команды, регистр команд (РК), предназначенный для хранения команд, поступающих из ЗУК. Адрес команды из ПС поступает через блок усилителей буфера адреса (БА) на шину адреса, а затем на адресные входы ЗУК. Команда, выбранная из ЗУК, поступает на буфер данных (БД), а затем, на регистр команд (РгК). Код команды расшифровывается дешифратором команд (ДшК), который передает код выполняемой операции в устройство управления выполнением операций (УУВО), вырабатывающее последовательность управляющих сигналов (рис. 1.3).*