6. 3.2. Устройства управления.

Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенная для выработки последовательностей управляющих функциональных сигналов, называется устройством управления (УУ), либо управляющим блоком.

Основной «потребитель» управляющих сигналов – операционный блок АЛУ.

Остановимся подробнее на функциях УУ: Это:

1. управление автоматическим вводом программ (команд) и исходных данных;

2. управление инициализацией (выборкой, «выбором») программы (команд, вызываемых для выполнения);

3. управление исполнением команд, включая выборку операндов (чисел); заметим, что выполнение всякой команды распадается на микрооперации, каждая из которых суть некоторый выполняемый процессором элементарный акт передачи или преобразования информации; каждая такая микрооперация инициируется управляющим функциональным сигналом (УФС);

4. управление контролем работы вычислительной машины (корректности работы), поддержка связи с пультом оператора; пуск и останов.

Совершенно объективно УУ можно рассматривать (и синтезировать!) как конечный автомат. Поэтому УУ иногда называют еще управляющим автоматом. А ввиду того, что выполнение микроопераций (выдачу УФС) можно программировать, то появляется и еще одно наименование: микропрограммные автоматы. Поясним это чуть позже.

В соответствии с принципом организации управления ЭВМ и ее отдельными блоками, УУ разделяются на:

• УУ центрального управления;

• УУ местного управления;

• УУ смешанного управления.

В первом случае все УФС вырабатываются в едином УУ. Однако, чем более развитой системой команд располагает ЭВМ, тем сложнее централизованное УУ. Обратите внимание на существенную разницу в понятиях централизованное управление (соответственно используется централизованное УУ) и центральное УУ.

Во втором случае (применение местных УУ) каждый блок ЭВМ снабжается «персональным» УУ, но поскольку нужна координация сигналов, то в чистом виде местные УУ не применимы. Поэтому наиболее естественным, удобным и эффективным является УУ смешанного типа.

Рис. 3.2.0.1. УУ смешанного типа.

<127>

Сложность УА (управляющего автомата) неимоверно высока. Два решения декомпозиция и микропрограммирование.

Центральная часть такого системного УУ входит в процессор. В дальнейшем мы будем заниматься, в основном, этой центральной частью (если не будет специальных оговорок).

Возможны два основных подхода к построению логической структуры управляющих автоматов:

1. Управляющий автомат с «жесткой» или схемной логикой, при которой для каждой операции (см. коды операций команды) строится набор комбинационных схем, срабатывающих в соответствующих тактах (микрооперации, зачастую, должны быть разнесены во времени). Это, по сути дела, классический КА.

2. Управляющий автомат с хранимой в памяти («гибкой», программируемой) логикой, при которой для каждой операции в специальном ЗУ хранится набор двоичных слов (микрокоманд) соответствующих наборам УФС, параллельно выдаваемых для выполнения совместимых по времени микроопераций.

Мы много говорили о микрооперациях, а для ясности, конечно, лучше всего привести их примеры:

• очистка сумматора;

• передача машинного слова из регистра в регистр;

• сдвиг;

• изменение содержимого счетчика;

• выполнение логической операции (И, ИЛИ, - сумма по модулю 2, «Исключающее ИЛИ»)

и многое-многое другое.

<128>

Если же рассмотреть процесс выполнения программы во времени, то договоримся использовать следующие термины:

• время выполнения программы (определения фактически не нужно);

• командный цикл (время выполнения команды) – промежуток времени, в течение которого выполняется вся совокупность микроопераций (микропрограмма) для той или иной команды;

• машинный цикл , т.е. промежуток времени, в течение которого выполняется функционально различимый фрагмент микропрограммы; например: дешифрация команды, формирование исполнительного адреса, чтение данных из памяти и т.п.

• машинный (рабочий) такт , под которым понимается время выполнения одной микрокоманды (совокупности совместимых микроопераций или одной микрооперации);

Существует еще понятие фазы выполнения микрокоманды, которое связано с электротехническим аспектом выполнения микроопераций. Простейший поясняющий пример: двухтактная запись в ЗЭ для защиты от «гонок».

На временной оси это выглядит так:

Рис. 3.2.0.2.

<129>