Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Недостатки

Трудногеализуем

 

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Для инициирования микрооперации достаточно сформировать соответствующий управляющий сигнал на соответствующей шине управления. Это переводит линию в активное состояние. Для указания микрооперации, выполняемой в данном такте, можно сформировать управляющее слово, в котором каждый бит соответствует одной линии. Такое управляющее слово называется микрокомандой. Таким образом микрокоманда – это последовательность нулей и единиц. Последовательность микрокоманд, реализующих определенный этап машинного цикла называется микропрограммой. Микропрограмма размещается в специальном запоминающем устройстве – память микрокоманд.

Причина популярности автоматов с программируемой логикой в том, что они допускают разработку очень сложных и взаимосвязанных микропрограмм и допускают внесение изменений.

Каждой команде вычислительной машины в памяти микрокоманд соответствует микропрограмма.

Запуск микропрограмм, выполняющих операции, осуществляется путем передачи кода оперативной памяти из регистра команды на вход преобразователя кода операции. В преобразователе кода операции код операции преобразуется в адрес первой микрокоманды. Этот адрес поступает в формирователь адреса микрокоманды и далее в регистр адреса микрокоманды.

Микрооперационная часть команды (МО) поступает на дешифратор микрооперации(ДШМО). На его выходах образуются управляющие сигналы. Именно эти сигналы инициируют выполнение микроопераций в исполняющих устройствах и узлах вычислительных машин. \

Адресная часть микрокоманды подается в формирователь адреса микрокоманды. Адрес следующей микрокоманды формируется на основе 3х частей:

· Преобразователя кода операции

· Значений осведомительных сигналов флагов

· Адресной части

 

Достоинства:

Возможность модификации микропрограмм, возможность создания микропрограмм любой сложности.

Недостаток:

Большое время выполнения.

 

Типы интерфейсов. Правила для разработчиков интерфейса.

 

Интерфейс — это совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен информацией между устройствами ЭВМ. Он унифицирует состав и назначение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях.

Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса.

Надежность и производительность ЭВМ во многом зависят от характеристик интерфейсов.

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ.

В структуре ЭВМ используются интерфейсы четырех типов:

- оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);

- «процессор—канал», необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;

- ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);

- устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

 

Основным техническим параметром ЭВМ является ее быстродействие. Быстродействие ЭВМ - среднестатистическое число операций (кроме операций ввода, вывода и обращения к внешним запоминающим устройствам), выполняемых вычислительной машиной в единицу времени (номинальное быстродействие); один из основных параметров ЭВМ, характеризующий её производительность.

От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность ЭВМ. Интерфейс должен быть стандартизирован с тем, чтобы он обеспечивал связь процессора и оперативной памяти с любым периферийным устройством (ПУ). Необходимое преобразование формата данных должно производиться в ПУ. Алгоритмы функционирования интерфейса и управляющего сигнала также должны быть стандартизированы.

 

Форма и диапазон представления чисел с фиксированной запятой в информационных системах

1 способ

Форма представления:

a0 (запятая) a1 a2 … a31

a0 – знак числа

 

Диапазон представления:

max = 1-2^-31

min = 2^-31

 

2 способ

Форма представления:

a0 a1 a2 … a31(запятая)

a0 – знак числа

 

Диапазон представления:

max = 2³¹-1

min = 1

RS-триггер синхронный

Алгоритм функционирования синхронного RS-триггера можно представить формулой

где x — неопределённое состояние.

JK-триггер

JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер.

 

Шифраторы (кодеры).

Шифратор (coder) выполняет функцию преобразования унарного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из входов (обязательно на один, не более) на выходе появляется двоичный код номера активного входа.

Приоритетный шифратор отличается от шифратора наличием дополнительной логической схемы выделения активного уровня старшего входа для обеспечения условия работоспособности шифратора. Уровни сигналов на остальных входах схемой игнорируются. Схема выделения строится на конъюнкторах и инверторах таким образом, чтобы любое число старших нулей, образовывая после инверторов логические единицы, не влияло на работу конъюнкторов в цепи младших входов. Любая самая старшая единица (после инвертора -логический ноль) запирает конъюнкторы младших входов.

 

Мультиплексоры.

Назначение и принцип работы мультиплексора.

Мультиплексоры это комбинационные схемы предназнач. Для коммутац. Сигналов поступающих по нескольким входам на один общий выход. Мультиплексор имеет несколько информационных входов, адресные входы.

Соотношение между информационным и управляющим входом

K=2ⁿ K-инф. Вх. n- упр. Вх

 

 

Инф.вх Х	Адр.вх. а1, а2	Вых y
X0
X1
X2
X3

 

 

Демультиплексор.

Демультиплексор имеет один информационный вход и несколько выходов. Он представляет собой устройство, которое осуществляет коммутацию входа к одному из выходов, имеющему заданный адрес (номер). На рис. 6.30 показано символическое изображение демультиплексора с четырьмя выходами. Функционирование этого демультиплексора определяется табл. 6.18.

Объединяя мультиплексор с демультиплексором, можно построить устройство, в котором по заданным адресам один из входов подключается к одному из выходов (рис. 6.31). Таким образом, может быть выполнена любая комбинация соединений входов с выходами.

Например, при комбинации значений адресных переменных x_l = l, x₂ = 0, x₃ = 0, x₄ = 0 вход D₂ окажется подключенным к выходу Y₀.

Использование демультиплексора может существенно упростить построение логического устройства, имеющего несколько выходов, на которых формируются различные логические функции одних и тех же переменных.

Заметим, что если на вход демультиплексора подавать константу D = 1, то на выбранном в соответствии с заданным адресом выходе будет лог. 1, на остальных выходах - лог. 0. При этом по выполняемой функции демультиплексор превращается в дешифратор.

Таблица 6.18
Адресные входы	Выходы
А1	А0	Y0	Y1	Y2	Y3
		D
			D
				D
					D

 

 

 

рис 6.30

 

 

рис 6.31

 

Классификация ЗУ

По физическому принципу:1)перфорационные (с отверстиями или вырезами) перфокарта2)с магнитной записью (магнитные диски магнитные ленты)оптические (CDDVD)3)использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ) 4)звуковые и ультразвуковые (линии задержки);

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

1)Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.2)Записываемые ЗУ (ППЗУ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).3)Многократно перезаписываемые ЗУ (ПППЗУ) (например, CD-RW).4)Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки.

По типу доступа ЗУ делятся на:

1)Устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).2)Устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память).

3)Устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски).

4)Устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности БД)

По геометрическому исполнению:

1)дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические);2)ленточные (магнитные ленты, перфоленты);3)барабанные (магнитные барабаны);

4)карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.)5)печатные платы (карты DRAM, картриджи).

На полупроводниках

Полупроводниковая статическая — ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Благодаря принципиальным достоинствам широко используется в качестве кеш-памяти процессоров в компьютерах.

Полупроводниковая динамическая — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижениебыстродействия, большое энергопотребление. Процесс регенерации реализуется специальным контроллером, установленным наматеринской плате или в центральном процессоре. DRAM обычно используется в качестве оперативной памяти (ОЗУ) компьютеров.

На ферромагнетиках

Ферромагнитная — представляет собой матрицу из проводников, на пересечении которых находятся кольца или биаксы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Достоинства — устойчивость к радиации, сохранение информации при выключении питания; недостатки — малая ёмкость, большой вес, стирание информации при каждом чтении.

ЧТ-чтение

Здесь организуется FIFO

 

 

Операции в АЛУ

Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

операции десятичной арифметики;

операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

операции специальной арифметики;

операции над логическими кодами (логические операции);

операции над алфавитно-цифровыми полями.

 

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами.

 

К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ является логической функцией или последовательностью логических функций описываемых двоичной логикой для двоичных ЭВМ, троичной логикой для троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, …, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и т. д.

Классификация АЛУ:

По способу действия над операндами АЛУ делятся на

последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

- для чисел с фиксированной точкой;

- для чисел с плавающей точкой;

- для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на

блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций.

Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

 

Недостатки

Трудногеализуем

 

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Для инициирования микрооперации достаточно сформировать соответствующий управляющий сигнал на соответствующей шине управления. Это переводит линию в активное состояние. Для указания микрооперации, выполняемой в данном такте, можно сформировать управляющее слово, в котором каждый бит соответствует одной линии. Такое управляющее слово называется микрокомандой. Таким образом микрокоманда – это последовательность нулей и единиц. Последовательность микрокоманд, реализующих определенный этап машинного цикла называется микропрограммой. Микропрограмма размещается в специальном запоминающем устройстве – память микрокоманд.

Причина популярности автоматов с программируемой логикой в том, что они допускают разработку очень сложных и взаимосвязанных микропрограмм и допускают внесение изменений.

Каждой команде вычислительной машины в памяти микрокоманд соответствует микропрограмма.

Запуск микропрограмм, выполняющих операции, осуществляется путем передачи кода оперативной памяти из регистра команды на вход преобразователя кода операции. В преобразователе кода операции код операции преобразуется в адрес первой микрокоманды. Этот адрес поступает в формирователь адреса микрокоманды и далее в регистр адреса микрокоманды.

Микрооперационная часть команды (МО) поступает на дешифратор микрооперации(ДШМО). На его выходах образуются управляющие сигналы. Именно эти сигналы инициируют выполнение микроопераций в исполняющих устройствах и узлах вычислительных машин. \

Адресная часть микрокоманды подается в формирователь адреса микрокоманды. Адрес следующей микрокоманды формируется на основе 3х частей:

· Преобразователя кода операции

· Значений осведомительных сигналов флагов

· Адресной части

 

Достоинства:

Возможность модификации микропрограмм, возможность создания микропрограмм любой сложности.

Недостаток:

Большое время выполнения.