Управляющие автоматы с программируемой логикой. Способы кодирования микрокоманд. Прямое и косвенное кодирование микроопераций.

Отличительной особенностью УУ с программируемой логикой является хранение микрокоманд в виде кодов в специализированном запоминающем устройстве – памяти микропрограмм. Каждой машинной команде в этом ЗУ в явной форме соответствует микропрограмма, поэтому такой метод управления называется микропрограммированием, а устройства управления с программируемой логикой называют микропрограммными.

В общем виде устройство микропрограммного управления включает: память микропрограмм (РМП), регистр адреса микрокоманды (РAM), регистр микрокоманды (РМК), дешифратор микрокоманд (ДшМК), преобразователь кода операции, формирователь адреса следующей микрокоманды Ф(АСМ), формирователь синхроимпульсов (ФСИ).

Микропрограммное управление имеет следующие особенности:

1) устройства микропрограммного управления отличаются большой регулярностью структуры, универсальностью, возможностью оперативного внесения изменений в алгоритм работы проектируемого устройства путем изменения содержимого управляющей памяти;

2) независимость объема оборудования от сложности реализуемых алгоритмов, а также наглядность, облегчающая изучение процесса функционирования системы;

3) возможность проектирования устройств управления со сложными системами переходов между состояниями. Облегчается само проектирование, а также изготовление устройства;

4) проектирование аппаратной части компьютерной системы можно разделить на два вида – разработку микропрограмм и логических схем, которые можно проводить параллельно;

5) рационально распределяя функции между аппаратными и микропрограммными средствами можно проектировать семейства компьютерных систем, имеющих одинаковую архитектуру на уровне машинных команд, но отличающихся друг от друга величиной соотношения стоимость-

производительность;

6) анализируя программу в машинных кодах и добавляя новые машинные команды, реализующие часто используемые в программах действия, можно модифицировать наборы машинных команд – выполнять настройку системы (machinetuning). В качестве новых машинных команд можно реализовывать команды операционных систем и процедур прикладного характера высокого функционального уровня;

7) недостатком устройств микропрограммного управления является более медленная обработка по сравнению с устройствами управления с жесткой логикой, так как на скорость работы УМУ накладывает ограничение быстродействие управляющей памяти.

Способы кодирования микрокоманд

Информация о том, какие сигналы управления должны быть сформированы в процессе выполнения текущей МК, в закодированном виде содержится в микрооперационной части (МО) микрокоманды. Способ кодирования микроопераций во многом определяет сложность аппаратных средств устройства управления и его скоростные характеристики. Применяемые в микрокомандах варианты кодирования сигналов управления можно свести к трем группам: горизонтальное, вертикальное,смешанное. Структуры микропрограммных автоматов при различных способах кодирования микроопераций показаны на рис. 53.

 

При горизонтальном микропрограммировании (53, а) под каждый сигнал управления в микрооперационной части микрокоманды выделен один разряд. Это позволяет в рамках одной микрокоманды формировать любые сочетания сигналов управления, чем обеспечивается максимальный параллелизм выполнения микроопераций. Отсутствует необходимость в декодировании МО и выходы регистра микрокоманды могут быть непосредственно подключены к операционному устройству системы. Но большие затраты на хранение микрооперационных частей микрокоманд. Эффективность использования получается низкой, так как при большом числе микроопераций в каждой отдельной МК реализуется лишь одна или несколько из них, т.е. подавляющая часть разрядов МО содержит нули.

При максимальном (вертикальном) кодировании (см. рис. 53, б) каждой микрооперации присваивается определенный код, например, ее порядковый номер в полном списке возможных микроопераций. Этот код и заносится в МО. Минимальные аппаратные затраты в ПМП на хранение микрокоманд, однако возникает необходимость в дешифраторе ДшМК, который должен преобразовать код микрооперации в соответствующий сигнал управления. При большом количестве сигналов управления дешифратор вносит значительную временную задержку и в каждой МК указывается лишь один сигнал управления, инициирующий только одну микрооперацию, за счет чего увеличиваются длина микропрограммы и время ее реализации. Проблема устраняется при подключении к выходам ДшМК шифратора (см. рис. 53, в), что приводит к увеличению количества сигналов управления, формируемых одновременно.

В зависимости от принципа разбиения микроопераций на группы различают горизонтально-вертикальное и вертикально-горизонтальное кодирование. В горизонтально-вертикальном методе (см. рис. 53, г) в каждую группу включаются взаимно несовместимые сигналы управления (микрооперации), т.е. сигналы управления, которые никогда не встречаются вместе в одной микрокоманде. При этом сигналы, обычно формируемые в одном и том же такте, оказываются в разных группах. Внутри каждой группы сигналы управления кодируются максимальным (вертикальным) способом, а группы – минимальным (горизонтальным) способом.

При вертикально-горизонтальном способе (см. рис. 53, д) все множество сигналов управления (микроопераций) также делится на несколько групп, однако в группу включаются сигналы управления (микрооперации), наиболее часто встречающиеся вместе в одном такте. Поле МО делится на две части: MO₁ и МО₂. Поле МО₁, длина которого равна максимальному количеству сигналов управления (микроопераций) в группе, кодируется горизонтально, а поле МО₂, указывающее на принадлежность к определенной группе, – вертикально. Со сменой группы меняются и сигналы управления поля MO₁. Это достигается с помощью демультиплексоров (Дмп), управляемых кодом номера группы из поля МО₂.

При горизонтальном, вертикальном и горизонтально-вертикальном способах кодирования микроопераций каждое поле микрокоманды несет фиксированные функции, т.е. имеет место прямое кодирование. При косвенном кодировании одно из полей отводится для интерпретации других полей. Примером косвенного кодирования микроопераций может служить вертикально-горизонтальное кодирование.

В случае прямогокодированиямикрокомандкаждоеполе микрокоманд имеет фиксированные функции.Косвенное кодирование характеризуется наличием дополнительныхполей,содержимоекоторыхменяет смысл основных полей микрокоманды. Таким образом, интерпретация полей, формирующих управляющиесигналы, зависит от бит дополнительных полей.Косвенное кодирование сокращает объём памяти микропрограмм, таккак позволяет уменьшать длину микрокоманд. Однако косвенное кодирование в некоторой степени нарушает стройность микропрограммного управления, вызываетусложнение дешифраторов и приводит к снижению скорости работы из-за потерь времени наоперационная частьадресная частьдополнительных полей микрокоманды.