Будь-яка система обробки даних (СОД) розглядається як сукупність трьох пристроїв:
Пристрій управління (УУ) призначено для вироблення керуючих сигналів, необхідних для виконання будь-якої дії, що відбувається в СОД
1. За структурної організації
• Змішані - централізовані + місцеві
• Ієрархічні (в ВС)
2. За технічної організації
• З жорсткою логікою роботи
• Пристрої мікропрограмного управління
УУ з жорсткою логікою
Виконання операцій в машині зводиться до елементарних перетворень інформації (передача інформації між вузлами в блоках, зрушення інформації в вузлах, логічні порозрядні операції, перевірка умов і т.д.) в логічних елементах, вузлах і блоках під впливом функціональних керуючих сигналів блоків (пристроїв) управління. Елементарні перетворення, нерозкладних на більш прості, виконуються протягом одного такту сигналів синхронізації і називаються мікрооперацій.
Відомі два підходи до побудови логіки формування функціональних імпульсів. Один з них - апаратний.
В апаратних (схемних) пристроях управління кожної операції відповідає свій набір логічних схем, виконаних на діодах,
транзисторах і т. д. і визначають, який функціональний імпульс (ФМ) і в якому такті повинен бути збуджений. Тобто логічні схеми виробляють
певні функціональні сигнали для виконання мікрооперацій в певні моменти часу. При цьому способі побудови УУ реалізація микроопераций досягається за рахунок одного разу з'єднаних між собою логічних схем, тому ЕОМ з апаратним пристроєм управління називають ЕОМ з жорсткою логікою управління. Це поняття відноситься до фіксації системи команд в структурі зв'язків ЕОМ і
означає практичну неможливість будь-яких змін в системі команд ЕОМ після її виготовлення.
Нехай деякий ФМ повинен з'явитися в такті j операції m за умови наявності переповнення суматора або в такті i операції n. Потрібні дії буде виконано, якщо подати сигнали, що відповідають зазначеним кодам операції, тактам і умов на входи схем І, а виходи останніх через схему АБО з'єднати з формувачем ФМ (рис. 1).
Мал. 1. Формування функціонального імпульсу
Такий принцип управління операціями отримав назву "жорсткої" або "запаяної" логіки і широко застосовується в багатьох комп'ютерах.
Інший принцип організації управління: кожної мікрооперації (МІО) 1 ставиться у відповідність слово (або частина слова), зване мікрокоманда і збережене в пам'яті подібно до того, як зберігаються в пам'яті команди звичайного комп'ютера. Тут команді відповідає вбудоване, т. Е. Набір мікрокоманд (МІК), вказують, які ФМ і в якій послідовності необхідно порушувати для виконання даної операції. Такий підхід отримав назву микропрограммирования або "збереженої логіки". На цьому наголошує
1 Мікрокоманда - сукупність сумісних мікропріказов, що ініціюють виконання мікрооперації
Мікрооперацій - елементарна дія, що виконується тим чи іншим функціональним вузлом ЕОМ
Мікропрограма - набірмікрооперацій
той факт, що в микропрограммном комп'ютері логіка управління реалізується не у вигляді електронної схеми, а у вигляді закодованої інформації, що знаходиться в якомусь регістрі.
Ідея микропрограммирования, висловлена в 1951 р Уилксом, знайшла широке застосування в машинах серії IBM 360, коли з'явилися надійні і швидкодіючі ЗУ для зберігання прошивки. За рахунок вбудованого управління з'явилася можливість емуляції системи команд старих моделей
Досить довго неправильно розумілися завдання і вигоди микропрограммирования.
Вважалося, цінність микропрограммирования в тому, що кожен споживач може сконструювати собі з МІК потрібний йому набір операцій в даній конкретній задачі. Заміна наборів команд досягалася б заміною інформації в ЗУ без будь-яких переробок в апаратурі. Однак в цьому випадку програмісту необхідно було б знати всі тонкощі роботи інженера-розробника комп'ютера. А основна тенденція розвитку ЕОМ в зв'язку з автоматизацією програмування полягає в тому, щоб звільнити програміста від детального вивчення пристроїв комп'ютера і в максимальному ступені наблизити мову комп'ютера до мови людини. Тому мікропрограмні комп'ютери вважали важкими для користувача.
Мікропрограмний принцип актуальний, так як:
• створені односторонні (читають) швидкодіючі ЗУ з малим циклом пам'яті;
• мікропрограмування розглядається не як засіб підвищення гнучкості програмування, а як метод побудови системи управління процесором, зручний для інженера-розробника комп'ютера.
Програміст в своїй роботі може і не підозрювати про мікропрограмного структурі комп'ютера і використовувати всі засоби ПО і мови програмування найвищого рівня. Використання вбудованого принципу дозволяє полегшити розробку і зміна логіки процесора.
З появою програмного доступу до стану процесора після виконання кожної МІК забезпечується можливість створення економічної системи автоматичної діагностики несправностей і з'являється здатність до емуляції, т. Е. До виконання на даній ЕОМ програми, складеної в кодах команд іншого комп'ютера. Це досягається шляхом введення додаткової набору МІК, відповідних командам емульованого комп'ютера.
Ці можливості сприяють поширенню методів микропрограммирования при побудові УУ в сучасних комп'ютерах.
Мікропрограма записується в спеціалізовану пам'ять - пам'ять мікропрограм або микрокоманд
При мікропрограмного реалізації УУ до складу останнього вводиться ЗУ, кожен розряд вихідного коду якого визначає появу певного функціонального сигналу управління. Тому кожної мікрооперації ставиться у відповідність свій інформаційний код - мікрокоманда. Набір микрокоманд і послідовність їх реалізації забезпечують виконання будь-якої складної операції. Набірмікрооперацій називають мікропрограмами. Спосіб управління операціями шляхом послідовного зчитування і інтерпретації микрокоманд з ЗУ (найбільш часто у вигляді вбудованого ЗУ використовують швидкодіючі програмовані логічні матриці), а також використання кодів мікрокоманд для генерації функціональних керуючих сигналів називають мікропрограмним, а мікроЕОМ з таким способом управління - мікропрограмні або з збереженої ( гнучкою) логікою управління.
До микропрограммам пред'являють вимоги функціональної повноти і мінімальності. Перша вимога необхідно для забезпечення можливості розробки мікропрограм будь-яких машинних операцій, а друге пов'язане з бажанням зменшити обсяг використовуваного обладнання. Облік чинника швидкодії веде до розширення мікропрограм, оскільки ускладнення останніх дозволяє скоротити час виконання команд програми.
Перетворення інформації виконується в універсальному арифметико-логічному блоці мікропроцесора. Він зазвичай будується на основі комбінаційних логічних схем.
Для прискорення виконання певних операцій вводяться додатково спеціальні операційні вузли (наприклад, циклічні з двигуном). Крім того, до складу мікропроцесорного комплекту (МПК) БІС вводяться спеціалізовані оперативні блоки арифметичних розширювачів.
В цілому, принцип мікропрограмного управління включає наступні позиції:
1. будь-яка операція, реалізована пристроєм, є послідовністю елементарних дій - микроопераций;
2. для управління порядком проходження мікрооперацій використовуються логічні умови;
3. процес виконання операцій в пристрої описується в формі алгоритму, яку представляють в термінах мікрооперацій і логічних умов, званого вбудованого;
4. мікропрограма використовується як форма представлення функції пристрою, на основі якої визначаються структура і порядок функціонування пристрою в часі.
Принцип мікропрограмного управління забезпечує гнучкість мікропроцесорної системи і дозволяє здійснювати проблемну орієнтацію мікро- і мініЕВМ.
Існують два види мікропрограмного управління:
• горизонтальне (схема з мінімальним кодуванням, коли потрібно досягти макс. Швидкості роботи процесора) і
• вертикальне (ісп. Сильно закодовані команди, але знижені апаратні витрати на обробку микрокоманд)
При горизонтальному - кожному розряду МІК відповідає певна мікрооперація, виконувана незалежно від змісту інших розрядів.
Мікропрограма може бути представлена у вигляді матриці n × m, де n - число ФМ, m - кількість МІК, т. Е. Рядок відповідає одній МІК, а стовпець - однієї МІО (рис.2).
Рис.2. Мікропрограма при горизонтальному мікропрограмування
Зразкові значення розрядів МІК наведені на рис. 3.
Рис.3. Значення розрядів МІК (МІО):
1 - гасіння суматора; 2 - гасіння покажчика переповнення; 3 - зворотний код суматора; 4 - гасіння регістра множника приватного; 5 - інвертування знака; 6 - зсув вмісту суматора вліво; 7 - зрушення вмісту суматора вправо; 8 - збільшення вмісту суматора на 1; 9 - читання з ЗУ в суматор; ...
Наявність "1" в перетині якого-небудь рядка і стовпця означає посилку ФМ в дану МІК, а наявність "0" - його відсутність.
Розміщення "1" в декількох розрядах МІК означає виконання декількох МІО одночасно. Звичайно, порушувані МІО повинні бути сумісні.
Нехай, наприклад, розряди 9-розрядної МІК приймають наступні значення: 001001101. Тоді, якщо задані розряди відповідають семантиці, зазначеної на рис. 3, то МІО, що визначаються розрядами 9, 7 і 6, несумісні.
Для розширення можливостей МІК іноді використовують багатотактного принцип виконання МІК. При цьому кожному розряду присвоюється номер такту, в якому виконується відповідна йому МІО, т. Е. Тут все сумісні МІО мають один номер такту. Всі інші такти нумеруються в порядку їх природного виконання. Однак універсальну нумерацію МІО в МІК вказати важко.
Переваги горизонтального микропрограммирования:
• можливість одночасного виконання декількох МІО;
• простота формування ФМ (без схем дешифрування).
• велика довжина МІК, так як число ФМ в сучасних комп'ютерах
досягає декількох сот, і відповідно великий обсяг ЗУ для зберігання МІК;
• через обмеження сумісності операцій, а також з-за послідовного характеру виконання алгоритмів операцій лише невелика частина розрядів МІК буде містити "1". В основному матриця буде складатися з нулів. Неефективне використання ЗУ призвело до малому поширенню горизонтального микропрограммирования.
При вертикальному мікропрограмування кожна МІО визначається не станом одного розряду, а двійковим кодом, що містяться в певному полі МІК. Мікрокоманда дещо нагадує формат звичайних команд.
Відмінність полягає в тому, що:
• • виконується більш елементарне дію - МІО замість операції;
Формат МІК при вертикальному мікропрограмування наведено на рис. 4.
Мал. 4. Формат вертикальної МІК
виражена формулою (P 1) (P 2) → P 1, або (P 2) → P 1,
де - символ МІО.
Кожна МІК виконує наступні функції:
• вказує виконувану МІО;
• задає тривалість МІК;
• вказує додаткові дії - контроль і т. Д.
Зазвичай в слові МІК є чотири зони, що відповідають зазначеним функціям. Взагалі кажучи, деякі з зон можуть зазначатися неявно, наприклад вибір черговий МІК може здійснюватися з наступної комірки, тривалість МІК може бути визначена однаковою для всіх МІК і т. Д.
Першими комп'ютерами з мікропрограмного управлінням серед вітчизняних ЕОМ були СВІТ, НАИРИ, серед зарубіжних - IBM / 360, Spectra 70. (70-ті роки)
1. Існують два підходи до реалізації керуючого блоку процесора
2. Апаратну реалізації УУ ефективніше використовувати, якщо на першому плані швидкодію комп'ютера
3. Мікропрограмне УУ використовується, якщо на першому плані гнучкість реалізації команд