ПособиеМПЭВС_ч2

2.7 Операционное устройство

51

Рис. 2.14 – Модуль внутренней памяти безадресного параллельного ввода/вывода

Обобщённые группы входов/выходов модуля РП, указанные на рисунке 2.11, представлены сигнальными шинами в следующем соответствии: 1РП — DIA, DIB, DIC; 3РП — SR; 5РП — DOA, DOB, DOC. Группы входов/выходов 2РП, 4РП, 6РП, 7РП на рисунке не показаны.

Параллельная организация каналов доставки и вывода результатов числовой обработки к АЛУ позволяет одним импульсным воздействием, т. е. в течение половины тактового интервала, выполнить операцию преобразования операндов с фиксацией результата. Процесс преобразования потока данных с произвольным доступом к исходным объектам потока в последовательный поток для автоматической активизации данных памяти микропроцессора безадресным обращением назван кэшированием. Модуль памяти, поддерживающий процесс кэширования, получил наименование «кэш — cash (cache)». Командные конвееры, предложенные к реализации в микропроцессорах в 70-х годах 20-го века, стали прототипами кэшей

команд.

Переключение программных процедур одной задачи или переходы на другие задачи вызывают потребность чистки и обновления содержимого аппаратного конвеера [3, 4], ограничивая приемлемый состав команд в конвеере числом пять–шесть. Результатом этого является снижение позитивного эффекта от командного конвеера.

С развитием аппаратных средств и алгоритмов анализа потока команд с предсказателями ветвлений программ в дополнение к конвееру команд представилось целесообразным применить конвеер для данных, связанных с помещёнными в конвеер командами. Для этих конвееров удобно применить организационную структуру кэша с параллельным форматом хранимых кодов и расширенным объёмом. Рациональные размеры массива команд и данных, размещаемых в кэше универсальных микропроцессоров, зависят от содержания программируемых задач и состава «одновременно» решаемых задач. В задачах с линейными программами, ориентированными на обработку массивов данных, характерных для специализированных микропроцессоров, требуемые размеры аппаратного кэша определяются максимальными размерами массива обрабатываемых данных. В современных

52	Глава 2. Архитектура и структура процессора

универсальных и специализированных МП применяются обе рассмотренные разновидности внутренней памяти (и регистровая, и многоканальные кэши).

2.7.7 Средства коммутации входных и выходных сообщений

Средства коммутации входных и выходных сообщений между объектами ОУ

ивнешним окружением исполняются с учётом функционально-структурной организации и возможностей технологии производства микропроцессоров. Выделяются два варианта реализации связей в средствах коммутации ОУ. При ограниченных по составу аппаратных средствах, с потерей быстродействия широко используется многофункциональное применение объектов состава с магистральными трактами передачи широкоформатных информационных слов. В таких решениях предусматривается временное разделение информационных потоков, передаваемых по общей магистральной шине, соединяющей сигнальные цепи входов/выходов данных АЛУ, РП, ОУ (1ОУ, 1СК, 2СК, 3СК, 6СК, 7СК, 8СК, 11СК, 3ОУ). Цепи передачи управляющих и осведомительных сигналов между ОУ и УУ (2ОУ, 4ОУ), а также между входами/выходами управления АЛУ, РП (4СК, 9СК, 5СК, 10СК, 4СК, 12СК)

ивыходами состояния АЛУ (3СК, 8СК) исполняются в виде индивидуальных или двоично-кодированных линий микропрограммного управления.

Для параллельной передачи данных между АЛУ и регистровой (или конвеер-

ной многоканальной) памятью ОУ средства коммутации данных следует исполнять в виде подмножества однонаправленных магистралей (см. рисунок 2.15), каждая из которых имеет выходы (магистрали МА и МВ данных в АЛУ) и входы (магистраль МС потока результата из АЛУ).

Рис. 2.15 – Схема подключения кэш-накопителя АЛУ

Передача из каналов памяти данных на входы модулей АЛУ и с их выходов в канал сохранения результата в этом случае выполняется в течение одного периода

2.8 Коммуникационные тракты структур процессоров

53

выдачи тактирующего сигнала Yi+0. Тракты передачи управляющих и осведомительных сигналов в этом варианте исполнения средств коммутации аналогичны варианту с общей магистралью данных.

2.8 Коммуникационные тракты структур процессоров

2.8.1 Структуры соединений

Для соединения объектов состава процессоров линиями и шинами применяются три варианта топологий структур:

•каскадная структура (цепи, кольца);

•древовидная (радиальная);

•общая, разделенная во времени шина.

Реальные связи между объектами характеризуются параметрами, которые следует учитывать в проектировании и эксплуатации аппаратуры.

2.8.2 Каскадные соединения

Каскадная связь (см. рисунок 2.16) организуется по принципу: информация передается или принимается по линиям связи двух смежных объектов, а доступ к несмежным объектам возможен только через смежные объекты. Каскадная связь может быть однонаправленной и двунаправленной.

В каскадной структуре при совмещённой во времени работе узловых процессорных элементов задержка процесса обработки определяется длительностью обработки на самом медленном участке.

Рис. 2.16 – Каскадная топология соединения устройств:

1, 2,. . ., n — объекты структуры; tл — время распространения сигнала (сек); tоб — время обработки сообщения

Для передачи сообщений в разных направлениях между смежными объектами могут использоваться раздельные не переключаемые (симплексные) линии или общие переключаемые (мультиплексные) с передачи на прием линии. Каскадные однонаправленные связи могут замыкаться в кольцо, когда концевой объект n становится смежным к первому.

2.8.3 Звездообразные (радиальные) связи

Звездообразная (радиальная или древовидная) связь (см. рисунок 2.17) соответствует принципу соединения, при котором информация из общего концентратора

54	Глава 2. Архитектура и структура процессора

передается по индивидуальным линиям отдельным объектам структуры. Подключение объектов структуры к концентратору выполняется через закрепленные за объектами порты подключения.

Рис. 2.17 – Радиальная топология соединений устройств: 1, 2,. . ., n — объекты структуры

Как и при каскадных связях, передача сообщений между объектами структуры и концентратором может осуществляться в двух направлениях по симплексным (однонаправленным) или мультиплексным (переключаемого направления) соединениям. Для передачи сообщений между объектами лучей звезды передающий объект направляет сообщение в концентратор, который далее передает его принимающему объекту. В этой структуре концентратор физически в конкретный момент времени взаимодействует с одним объектом структуры через закрепленный порт. В радиальных структурах задержки обслуживания связаны с очередями входа в ветви «дерева связей» и длительность задержки возрастает при увеличении числа абонентов в структуре.

2.8.4 Магистральные соединения

Магистральная связь между объектами организуется по общей шине (см. рисунок 2.18) с магистральным протоколом. Принцип магистрального соединения допускает выход на передачу по магистрали одного источника. «Слушать» сообщение могут все объекты структуры, включая передающие. Одновременное подключение к магистрали двух и более источников недопустимо, вследствие искажения передаваемых сигналов и возможного необратимого отказа одного или нескольких «столкнувшихся» на магистрали источников.

Рис. 2.18 – Магистральная топология соединения устройств:

1, 2,. . ., n — объекты структуры; П, И — приемник и источник соответственно

2.8 Коммуникационные тракты структур процессоров

55

Для обеспечения этого свойства источники сигнала должны допускать возможность третьего состояния цепи.

2.8.5 Сравнительная характеристика структурных соединений

Для перечисленных видов соединений характерны позитивные и негативные свойства, которые, так или иначе, учитываются в выборе их для применения. Сравниваются виды связи объектов по следующим критериям:

•по влиянию отказа объекта на функционирование структуры;

•по времени доступа к объекту структуры;

•по качеству согласования приемной и передающей сторон;

•по затратам на построение и обслуживание соединений;

По критерию влияния отказов объектов структуры наиболее уязвимой является каскадная связь. Магистральная организация соединений нарушает работоспособность структуры при отказе объектов в форме короткого замыкания входа или выхода объекта. Радиальная организация соединений не приводит к нарушению работоспособности структуры при отказе одиночных объектов за исключением отказа концентратора, к надёжности которого предъявляются повышенные требования.

По времени доступа к объекту на аппаратном уровне наиболее заторможенными являются каскадные соединения, для которых время доступа к объекту (tД) зависит от числа соединённых объектов n:

tД = (n − 1) tЛ + tOБ (n − 1).

В радиальных соединениях для односторонней связи концентратора с объектом время доступа по аппаратным средствам не зависит от числа объектов. Однако централизация обмена сопровождается образованием очередей, вследствие чего задержка доступа к обмену возрастает с увеличением числа объектов в структуре. Наиболее быстродействующим по времени доступа является магистральное соединение объектов, которое обеспечивает приблизительно одинаковое время доступа для приема и передачи сообщений между объектами структуры, но в нём предъявляются повышенные требования к мощности источника сигнала, и имеет место задержка в очерёдности доступа к обмену.

По критерию согласования приемной и передающей стороны соединения каскадные и радиальные аналогичны, так как условия согласования одинаковы: один источник нагружается одним приемником. В магистральных соединениях условия согласования ухудшаются:

•во-первых, нагрузкой любого из источников является множество входов и «отключенных» выходов источников;

•во-вторых, уровнем помех в магистральном соединении, который определяется расширенным набором дестабилизирующих (порождающих) факторов.

Затраты на построение и обслуживание соединений определяются:

•стоимостью проводных линий и электронных узлов подключения объектов к линиям;

•стоимостью средств расширения подключения;

56	Глава 2. Архитектура и структура процессора

• расходами на локализацию и устранение отказов объектов состава.

Топология соединений обычно принимается в соответствии с топологией пространственного расположения участников соединения. Длина проводных каскадных и магистральных соединений одинакова. Радиальная топология соединений обеспечивает минимум длины соединений (равный расходу на каскадные соединения) при равноудаленных от концентратора объектах. Каскадные и радиальные структуры соединения создают одни и те же ограничения на расширение.

Локализация и устранение отказов в радиальных соединениях не требуют приостановки функционирования аппаратуры. Для каскадных соединений объект отказа обнаружить несложно, и отказ устраняется заменой или восстановлением отказавшего узла. В магистральных соединениях обнаружить отказ сложнее, так как отказ в форме «короткое замыкание» выводит магистраль из рабочего состояния. Локализовать неисправность можно последовательным отключением участников связи.

Электронные узлы подключения к магистрали функционально более сложны, характеризуются наличием третьего состояния, повышенной нагрузочной способностью и соответственно большей стоимостью в производстве. Магистральные соединения позволяют исключить в соединениях объектов коммутаторы и сократить затраты на соединения объектов с коммутируемыми направлениями передачи.

Электрические соединения объектов ЭВС осуществляются через физические линии и электронные узлы приемной и передающей сторон. Сведения по конструкциям линий соединений, технике электронных узлов, условиям статического и динамического согласования коротких и «длинных» соединений, мерам и решениям ослабления влияния помех на линиях соединений вынесены в приложение В папки электронных материалов пособия. Знание материала приложения необходимо для ответов на вопросы самоконтроля и сдачи экзамена.

2.9 Контрольные вопросы по главе 2

Разделы 2.1–2.6

1)Какие составляющие выделяются в структуре МП?

2)Какие направления структурной организации работы ОУ применяются?

3)Какой объект структуры МП определяет адресацию данных?

4)Сигнальные потоки какого назначения присутствуют в МП?

5)Что для МП означает принцип хранимой программы?

6)Что есть система команд? Каким требованиям должна соответствовать?

7)По каким обобщённым критериям (направлениям) классифицируются команды МП?

8)Какие отличия формата имеют команды относительной и косвенной адресации?

9)Какие составляющие образуют формат команды? Что есть операнд?

10)Какой процесс называется машинным циклом МП?

2.9 Контрольные вопросы по главе 2

57

11)Какие отличия имеют комбинационные и последовательностные узлы МП?

12)Какие функции отработки команд выполняет УУ в составе МП?

13)Какие составляющие образуют импульс переключения логических схем?

14)Какие различия соответствуют организации УУсЖЛ и УУсУП?

15)Что есть микрооперация, микрокоманда, микропрограмма для УУ?

16)Что означает понятие «централизованное управление адресацией»?

17)Какой аппаратный ресурс отслеживает адресацию команд?

18)Какие варианты применяются для описания процессов управления?

19)Что есть развитие ресурса управления по «горизонтали» и «вертикали»?

20)Какие микрооперации может отрабатывать указатель стека?

Разделы 2.7–2.8

1)Какие компоненты образуют ОУ МП?

2)Какой состав сигнальных потоков относится к внешним связям ОУ?

3)Какой состав сигнальных потоков и линий соответствует АЛУ ОУ?

4)Какой состав сигнальных потоков и линий соответствует памяти ОУ?

5)Какие способы применяются для выбора ячеик памяти ОУ?

6)Для чего нужна память в ОУ?

7)Что есть слово признаков результата АЛУ ЦП?

8)Какие признаки результата и для чего формируются АЛУ?

9)Чем отличаются в применении многофункциональные и блочные АЛУ?

10)Какие операции АЛУ могут выполняться последовательной обработкой данных?

11)Какие теневые ресурсы и для чего применяются в АЛУ?

12)Чем привлекательны для обработки аналоговые элементы и узлы?

13)Какие сопутствующие устройства нужны для аналоговых вычислителей?

14)Как организовано СОЗУ ОУ? Как снизить время обработки в ОУ?

15)Как применить ресурсы СОЗУ для косвенной адресации?

16)Какие свойства имеет каскадная топология соединений?

17)Каковы негативные свойства имеет магистральная топология соединений?

18)Когда и почему применяется симметричное соединение устройств?

19)Что есть статическое и динамическое согласование соединения?

20)Что является условием «длинного» соединения? Как устранить эхо?

Глава 3

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

3.1 Внешнее описание микропроцессора

3.1.1 Общие сведения

Через внешнее описание объекта объединяется разнообразие внутренних свойств и связей с их внешними проявлениями. Внешние описания МП необходимы для построения контроллеров, микропроцессорных систем разного функционального назначения и применения.

Ксвойствам внешнего представления МП относятся:

•организация внешних шин для потоков информации,

•соотношение разрядности средств внутренней обработки и внешней доставки для двоичных данных);

•режимы взаимодействия с окружением;

•программные модели, состав и форматы системы команд;

•наличие сервисных устройств в составе микропроцессора;

•тактовая частота, по отношению к которой определяются временные отношения операций, средства и принципы синхронизации;

•конструктивное исполнение, условия эксплуатации, уровни и временные циклы сигналов.

3.1.2 Технические средства внешнего окружения МП

За пределами процессора, на разном пространственном удалении, размещаются память команд и данных, порты для подключения источников и приёмников информации. Часть объектов окружения являются «пассивными». Их взаимодей-

3.1 Внешнее описание микропроцессора

59

ствие с МП является «пассивным» в том смысле, что сводится к приёму или выдаче данных по управляющим сигналам (требованию) МП.

Другая часть объектов окружения МП может быть «активной» и в произвольный момент времени, для работающего МП, сами могут потребовать изменения состояния МП по управлению.

Разделение внешних объектов по статусу «активный, пассивный» во взаимодействии с МП в процессе управления определило модификации режима функционирования МП и, как следствие, состав сигнальных линий в шинах связи МП с объектами окружения.

3.1.3 Режимы взаимодействия МП с объектами окружения

Взаимодействие МП с внешними «пассивными» объектами окружения осуществляется по командам программы. В этом режиме, который определён как программный, микропроцессор выполняет действия:

•по извлечению команды из памяти;

•по исполнению операций над операндами;

•по настройке на следующую команду.

События отработки команды могут развиваться по разным сценариям функционального назначения команд.

Взаимодействие МП с «активными» внешними объектами окружения связано

спрерыванием текущего процесса управления в связи с внешним требованием. Последствия прерывания текущего процесса управления для состояния МП могут быть разными. В одном случае внутренние ресурсы МП востребованы для обслуживания программы прерывания с последующим возвратом к продолжению текущей программы функционирования. Во втором случае требование прерывания существенно более «жёсткое» и управляющие функции взаимодействия МП

свнешним окружением блокируются. Этому варианту управления соответствует специальное определение «прямой доступ к внешним ресурсам с блокировкой управления от МП» (в компактной формулировке «прямой доступ»). Радикальным способом блокировки управления внешними объектами является размыкание шин, связывающих МП с окружением. Для бесконфликтного «прямого доступа» внешним ресурсам шины связи МП с окружением должны быть отключены прежде, чем к ним подключится «активный» объект окружения, требующий отключения от них МП.

3.1.4 Неформальное определение состава внешней шины МП

Состав сигнальных линий в шинах внешней коммутации МП зависит от поддерживаемых режимов взаимодействия.

В программном режиме процессор должен выполнять адресацию команд, данных и инициировать их ввод или (для данных) вывод. Состав общей шины для ЭВС с обшей памятью «команд— данных» для поддержки программного режима может иметь следующие модификации исполнения:

60	Глава 3. Микропроцессоры

•с раздельными магистральными шинами адреса, «команд— данных» и управления считыванием или записью к памяти программ, данных и портам «ввода— вывода»;

•с совмещёнными (или частично совмещёнными) переключаемыми по функциональному назначению и направлению передачи шинами «адресов— команд— данных» и отдельной шиной управления считыванием или записью к памяти программ, данных и портам «ввода— вывода»;

•с совмещённой шиной последовательной двунаправленной передачи «адресов— команд— данных— сигналов управления» между МП, с одной стороны, и памятью «команд— данных» и портами — с другой стороны.

Применение совмещённых шин для поддержки программного режима, а тем более увеличение числа коммутируемых потоков по совмещённому тракту передачи сопровождается повышением длительности цикла МП на шинах и обязывает размещать в его окружении объекты идентификации и распаковки передаваемых потоков. На этом фоне совмещение потоков в шине актуально в условиях повышенного уровня внешних помех и жёстких ограничениях на число монтажных соединений.

Микропроцессоры с раздельными магистральными шинами адресации, «команд— данных», управления считыванием или записью наиболее адаптированы к построению быстродействующих комплексов с открытой к расширению структурой.

В режиме «прерываний» передача запроса процессору не должна конфликтовать с передачей сигналов и сообщений по шинам поддержки программного режима, а с другой стороны, прерывающее устройство должно формировать сообщение, на которое реакция процессора могла быть подобной вызову программы обслуживания. Названные требования удовлетворяются следующими решениями:

•под запросы прерывания должны выделяться отдельные сигнальные входные линии управления МП;

•прерывающее устройство должно генерировать подобие команды программного прерывания вне командного файла и выставлять его по обращению процессора;

•процессор должен выполнять опрос и анализ состояния запросов и, в отсутствие внутренних логических ограничений, осуществлять переход от выполнения текущей программы на программу обслуживания запроса.

При обнаружении процессором активного запроса во время выполнения текущих команд выполняется переход МП к прерыванию. Запрос подлежит идентификации для выбора программы обслуживания. Вариантом реакции является выполнение управляющей операции чтения на шину данных слова идентификации с прерывающего объекта. Варианты состава линий запросов могут особо специфицироваться в рамках построения систем прерываний разных по архитектуре МП.

Прерывание процесса управления для «прямого доступа к внешним ресурсам»

МП, для бесконфликтной передачи управления может исполняться по запросам, подаваемым на специально выделенные входы связи с отличием реакции на них МП от реакции на прерывания для программного обслуживания. Отключение от