Керуючі пристрої (УУ): їх види
Операційні пристрої дозволяють виконати перетворення деяких кодів згідно з логікою виконуваної операції.
При цьому операційний пристрій може бути представлено безліччю мікрооперацій, які можуть бути виконані послідовно або паралельно при ініціюванні певних складових вузлів за допомогою виділених сигналів управління.
Наприклад, складання / віднімання двійкових кодів виконується наступною послідовністю сигналів:
Т.ч. виникає необхідність у використанні спец. пристрої (пристрій управління), яке призначене для формування розподіленої у часі послідовності керуючих сигналів, що подаються на компоненти операційного блоку разом з сигналом синхронізації і забезпечують виконання заданої операції.
Існують 2 принципово різних підходи до УУ:
1) УУ з жорсткою логікою;
2) УУ з мікропрограмного логікою чи МПУУ
УУ з жорсткою логікою будуються на основі жорстко заданих зв'язків між його компонентами, що реалізують формування та передачу сигналів управління в необхідній послідовності, враховуючи стан УУ, виконувану операцію і значення т.зв. «Осведомітельних сигналів», які характеризують результати виконання попередньої операції, а також стану необхідних компонент операційного пристрою.
УУ з жорсткою логікою не піддаються модифікації і при необхідності змін повинні бути повністю замінені.
Їхня основна перевага - висока продуктивність, пов'язана з формуванням керуючих сигналів за допомогою комбінаційних схем.
Керуючі пристрої з жорсткою логікою представлені координаційними схемами, що забезпечують побудову розподілу в часі послідовності сигналів керування, в залежності від коду операції та № такту сигналу синхронізації.
При цьому враховується значення осведомітельних сигналу від операційного пристрою.
Попо ходу операції з Рг команд, дешифратор коду активує 1 вихідну лінію, соотв. виконуваної команді. Лічильник тактів запускається з мом. виконання тек. команди. Дешифратор нового такту активізує 1 вих. лінію, соотв. № такту.
У результаті пристрої. обр. упр. сигналів, в залежності від № такту і вип. команди, за допомогою логічних схем "та / або», формує необхідну послідовність керуючих сигналів, ініціюючих виконуються послідовності МО в операційних пристроях.
Недолік цього пристрою - орієнтація на виконання команд, що вимагають однакової кількості тактів, тому для її ісп. необх. «Вирівняти» всі команди по команді, треб. Max числа тактів.
Команди, треб. Min кількості тактів - однобайтні команди, або команди з min кількістю біт (команди обр. Регістрів, зм. Режимів, команди установки і т.д.).
На відміну від них, довгі команди ісп. змішану адрессацію (реєстрову і безпосередню, непряму).
Тому вирівнювання команд призводить до неефектив-му ісп. пам'яті.
Для підвищення ефективності виро-ти пристрої. упр. з ж. л. ісп. лічильники тактів, що забезпечують виконання необхідного типу команд.
В якості прикладу розглянемо керований пристрій, що забезпечує виконання, або підтримку коротких і довгих команд.
У залежності від типу команди по довжині, схема управління надає можливість активізувати чи тільки лічильник тактів 1, або на певному такті запускати лічильник тактів 2, реалізуючи виконання команд, що вимагають більшої кількості тактів.
Розглянемо, яким чином можна забезпечити утворення сигналів управління.
Для цих цілей використовується комбінації логічних елементів "та / або», які залежно від типу команди (код команди), № такту і знач. осведомітельних сигналів, формують необхідні сигнали упр.
На прикладі форм-я сигналу упр. ВР можна говорити, що цей сигнал генерується за вип. J-ї команди у всіх тактах, крім до-го за наявності освідоміт. сигналу L.
Для побудови пристрої. упр. з ж. л. використовується об'єднання мікропрограм, включаючи всі виконувані мікропрограми, кожн. з кіт. соотв. деякого коду команди.
Мікропр-ма предст. собою послідовність, а також розгалуження виконання окремих мікропрограм, в залежності від коду вип. команди і знач. повідомить. сигналів.
Об'єднанних мікропрограма м.б. побудована по слід. схемою:
Для викл. мікроопер., вхід. в усі мікропр-и, їх загальні частини, зв. з початковою ініціалізацією, а також коректним завершенням виконання, виділяються в загальні частини мікрокоманди. Виключені частині кожної мікропер., Не започатковано в зав. від коду виконуваної мікропрограми.
Для ісп. понять автоматів при постр. пристрої. упр. необхідно виділити стану пристрої. упр., а також ум. переходу з 1 сост. в ін Для автомата Мура, в кач. станів ісп. події генерації (виникнення соотв. сигналів упр.).
Деякі сост. можуть породжувати в т. сл. формування декількох сигналів упр. Після цього ум. переходу з сост. в сост. будуть мати значення соотв. повідомить. сигналів.
У т. сл. для зберігання інф. про тек. сост. автомата упр. можна ісп. набір тригерів, к-ть кіт. k = ln r, r - к-ть станів.
Іншими словами мипронумеруем всі сост. і зіставимо всім сост. деякий 2-й код, соотв. даному сост. Знаючи породжувані сигнали упр. кожним сост., можна, ісп. логічну схему «або» і дешифратор стану, забезпечити формую-е необхідних сигналів упр.
Автомат Мілі вимагає меншого кол-ва тригерів для зобр. станів, тому що описується меншим кол-му станів, але його недолік - зміна стану відбувається при ізм. освед. сигн., що може спричинити ізм. упр. сигн., кіт. будуть передчасними для поточної виконуваної команди.
Тому апарат Мілі застосовують зі схемами затримки, або в комбінації: Мура - Милі. Для побудови пристрої. упр. з ж. л. ісп. програмовані логічні матриці, які містять шар вхідних інверторів, шар ел-ів «і», шар ел-ів «або» і шар вих. інверторів. Хрестики - можливість розірвати соотв. ланцюг в процесі програмування матриці.
Матриця утворена таким чином, що на будь-ел-т «і» м.б. подані всі знач. прямих і інвертних вхідних сигн. На вхід будь-якого ел-та «або» м.б. подані виходи будь-якого ел-та «і».
МПУУ - необхідний набір керуючих сигналів зберігається в т.зв. «Мікропрограмного пам'яті» з доступом тільки для читання (read - only).
Кожен набір таких сигналів є певною мікрооперації і представлений у вигляді мікрокоманд.
Відповідно до логіки виконання операції кожна мікрокоманда вбудованого визначає (містить) адреса наступної мікрокоманди, необхідної для виконання операції.
МПУУ функціонують з використанням доступу до МП-пам'яті, тому їх застосування стало виправданим лише з появою швидких модулів пам'яті.
Основна перевага МПУУ - можливість модернізації процесора або заміни безлічі виконуваних операцій шляхом переходу до нових модулів МП-пам'яті.
Оскільки МП-пам'ять входить до складу процесора у вигляді компонента УУ, то дана перевага дає можливість автоматизованого та автоматичного проектування компонент УУ і мікропроцесора в цілому.
Для вироблення керуючих сигналів використовуються наступні позначення:
кожен керуючий сигнал відповідає деякої операції, реалізованої операційним блоком. Нехай V 1 ... V m - сукупність керуючих сигналів, причому V i ініціює виконання відповідної мікрооперації.
При виробленні керуючих сигналів використовуються U 1 ... U n - значення «осведомітельних сигналів» про результати виконання попередньої операції, а також про стан компонент операційного пристрою.
УУ може перебувати в одному із станів безлічі
Q = {Q 1, Q 2, ..., Q L}
Безліч виконуваних операцій y 1 ... y s
УУ можна представити деяким кінцевим автоматом, відповідним логіці автомата Мура або автомата Мілі.
Перехід у новий стан для автомата Мура визначається якоїсь функцією А від поточного станів, виконуваної операції і значення.
Q (t +1) = A (Q (t), y i, u 1 ... u n)
вих. сигнали:
V 1 = F 1 (Q (t), y i), V 2 = F 2 (Q (t), y i), ... V m = F m (Q (t), y i)
Т.ч. значення керуючих сигналів при побудові УУ як автомата Мура, залежать тільки від стану УУ.
При побудові УУ як автомата Мілі, вироблення керуючих сигналів залежить також від значень «осведомітельних сигналів»
V 1 = f 1 (Q (t), y i, u 1 ... u n), V 2 = f 2 (Q (t), y i, u 1 ... u n), ... V m = f m (Q (t), y i, u 1 ... u n)
Побудова автомата Мура вимагає більшого використання компонент для відображення стану автомата (пам'яті).
Побудова автомата Мілі знижує кількість елементів пам'яті для відображення його стану і вимагає більше складних перетворень всіх вхідних аргументів, тому застосовують обидва підходи.
Кожна мікрооперацій має певну тривалість.
Для використання min кількості тактових імпульсів синхросигналу всі мікрооперації «вирівнюють» по самій довгою. Будь-яка мікрооперацій може бути ініційована тільки на кордоні тактів.
Т.ч. послідовність мікрооперацій реалізується послідовністю керуючих сигналів, що подаються на початку кожного такту сигналів синхронізації.
Не дивлячись на те, що ідея МПУУ була відома з 1951р. як підхід до побудови УУ з упорядкуванням формування керуючих сигналів.
УУ складається з пам'яті (матриця С), містить 2 S різних мікрокоманд, де S - код, адреса соотв-щей мікрокоманди.
Якщо з будь-яким правилам задати адресу першої мікрокоманди, що виконує задану операцію і розмістити її в РгАдреса Мікрокоманда, а потім подати на дешифратор з сигналами синхронізації, то на виході ДШ буде активізована одна вихідна горизонтальна лінія, відповідна виконуваної мікрооперації.
У такому випадку на вертикальних шинах матриці С, які пов'язані з відповідною горизонтальною лінією, з'являться сигнали управління.
Матриця З пов'язана з Т, яка аналогічним чином дозволяє формувати адреса наступної мікрокоманди.
Використання спеціального тригера умов дозволяє врахувати значення «осведомітельних сигналів» і виконати розгалуження вбудованого шляхом переходу до іншої горизонтальної лінії, яка задає іншу адресу наступної мікрокоманди.
Затримка сигналів потрібна, щоб формувати нові керуючі сигнали після виконання поточної мікрокоманд.
Послідовність мікрокоманд повинна отримати природне завершення. Практична реалізація МПУУ пов'язана з використанням різних форматів мікрокоманд та різних модулів МП-пам'яті.
МП-управління з одного боку дозволяє адаптувати систему команд до потреб виконання алгоритмів програм. З іншого боку дозволяє спростити і автоматизувати процеси проектування УУ і мікропроцесорів в цілому.
Склад: УФАМК - пристрій формування адреси мікрокоманди; РгАМК - регістр адреси мікрокоманд; ПМК - пам'ять мікрокоманд; РГМК - регістр мікрокоманд; ДШМК - дешифратор мікрокоманд (дешифратор мікрооперації); КОП - код операції.
Початковий джерело операції - регістр команд, з якого використовується код операції мікрокоманди. На підставі цього коду УФАМК формує першу мікрокоманд у складі МП-програми, що забезпечує виконання цієї команди.
Один з варіантів формату мікрокоманди наступний: код МО з РГМК потрапляє в ДшМК, який використовується для утворення керуючих сигналів.
код МО | адресу слід. МК |
Керуючі сигнали йдуть на операційне пристрій і спільно з сигналами синхронізації забезпечують (синхронізують) виконання однієї або кількох мікрооперацій в складі операційного пристрою (АЛП).
Адресна частина мікрокоманд йде в УФАМК для вибору наступної мікрокоманди.
На вибір наступного мікрокоманд впливають результати виконання попередньої мікрооперації, що надходить з операційного блоку. Процес йде до виконання всіх операцій у складі команди.
Для кодування мікрокоманд використовується кілька форматів:
Горизонтальне кодування: поле команди, відповідне коду мікрооперації уявлялося у вигляді
V 1 | V 2 | ... | V n | Адреса.
Кожен розряд поля відповідає одному функціональному сигналу УУ, відповідному деякої мікрооперації операційного пристрою. Якщо в цьому полі - «1» то це означає, що відповідна мікрооперацій буде ініціалізований незалежно від змісту інших рядів цього поля. У такому випадку кожній мікрокоманд одиничні розряди поля мікрооперації забезпечують виконання відповідних функцій операційного пристрою.
Недолік - довжина мікрокоманд, враховуючи, що кількість мікрооперацій може становити кілька сотень. З іншого боку, враховуючи, що багато мікрокоманд несумісні, відповідне поле мікрокоманд буде складатися практично з нулів.
Вертикальне кодування. У полі мікрооперації знаходиться код мікрооперації, який для подальшого використання вимагає дешифратора. Недолік - «довгий» мікропрограми, тому що в кожному такті сигналів синхронізації може бути активізована тільки одна мікрооперацій.
На практиці поширене змішане кодування в 2-х варіантах: вертикально-горизонтальне і горизонтально-вертикальне.
Ветртікално-горизонтальне: всі безліч операцій V розбивається на k підмножин V i. Кожна підмножина розміщується у складі поля мікрооперації, займаючи фіксований розмір у складі поля.
Такі мікрокоманд називають мікрокоманд з польовою структурою. Кожне таке виділеної полі управляє деяким підмножиною мікрооперацій, задаючи код даної мікрооперації. У результаті потрібно k дешифраторів.
Даний підхід дозволяє об'єднувати в одному такті виконання k мікрооперацій.
Горизонтально-вертикальне містить поле мікрооперації з двох частин:
V 1 | V 2 | ... | V k | l
Перша область містить деякі керуючі сигнали, зміст і значення яких залежить від коду в другій області.
Якщо потрібно поєднати в одному такті сигналів синхронізації принципово несумісні мікрооперації, то використовують т.зв. багатофазні мікрокоманд, в яких період сигналів синхронізації ділиться на фази, протягом яких виконуються певні компоненти мікрокоманд.
Всі формати мікрокоманд забезпечують одні цілі: збільшення продуктивності, зменшення часу виконання, зменшення необхідних обсягів пам'яті для зберігання мікрокоманд.
Якщо мікропроцесор призначений для виконання суворо окресленого безлічі операцій з максимально високою продуктивністю, то УУ будується як автомат з жорсткою логікою.