Учебные материалы АОИС часть 1 / part_1 / Теория / АОИС1

				Ши Вх
Пр Рг1
2-е слагаемое
		Рг 1
или
вычитаемое	0		n-1	Пр Рг В

Пр Рг АП(прямая)

Пр РгАИ(инверсная)

(сложение) (вычитание)

Входные		Рг А			Рг В	1-е слагаемое
регистры						или
АЛУ	0	n-1		0	n-1	уменьшаемое

		0			n-1	0		n-1
									+1 См
Сумматор						См
		0			1	n-1
	Пн См [ 0 ]
								Пр Рг См
См [ 0 ]		Пн См [ 1 ]
Формирование				См [1 : n-1]
кода признака		ПР
результата (ПР)
						Рг См
Пр УБ					0		n-1
Пр1		Пр0						Пр Ши Вых
В управляющий
		блок				Ши Вых
						Рис. 4.10

108

ПР = 11, если

ПнСМ 0ПнСМ 1 ПнСМ 0ПнСМ 1 ;

ПР = 00, если

n

CM i 1;

i 0

ПР = 01, формируется, если

СМ 0 ПнСМ 0ПнСМ 1 ПнСМ 0ПнСМ 1;

ПР = 10, формируется, если

СМ 0 ПнСМ 0ПнСМ 1 ПнСМ 0ПнСМ 1.

Кратко приведенная выше микропрограмма может быть записана следующим образом (табл. 4.2):

Таблица 4.2 Микропрограмма сложения/вычитания чисел

Такты	Сигналы
1	Пр Рг В
2	Пр Рг 1
3	Пр Рг АП или Пр Рг АИ
4	Пр Рг См или Пр Рг См + 1 См
5	Пр Ш и Вых

Напомним, что каждый управляющий функциональный сигнал поступает в начале некоторого такта на соответствующую ему шину ОБ, вызывая выполнение в ОБ определенной микрооперации (передача слов, суммирование кодов и т.д.).

Управляющие сигналы генерируются УБ. Последовательность этих сигналов задается поступающими на входы УБ:

1)кодом операции;

2)сигналами из ОБ, несущими информацию об особенностях операндов, промежуточных и конечных результатах;

3)синхросигналами, задающими границы тактов.

Формально УБ может рассматриваться как конечный автомат, определяемый:

а) множеством Z = {Z1, ... , Zm} – выходных сигналов, соответствующих множеству микроопераций в обрабатывающем блоке; при vi = 1 возбуждается i-я операция;

б) множеством v = {v1, ..., vn} – входных сигналов, соответствующих задаваемому извне двоичному коду операции, и двоичным значением оповещающих сигналов;

109

в) множествами подлежащих реализации микропрограмм, устанавливающих в зависимости от входных сигналов управляющие сигналы, выдаваемые блоком в определенные такты.

По множествам входных (v) и выходных (Z) сигналов и микропрограмм определяется множество внутренних состояний УБ: Q = {Q0, Q1,..., Qr},

«мощность» которого (объем памяти и оборудование УБ) в процессе проектирования стараются минимизировать.

Сказанное выше объясняет, почему УБ называют управляющими автоматами. Поскольку эти автоматы задаются микропрограммами, их часто называют микропрограммными автоматами.

УБ может быть задан как автомат Мура:

Q (t + 1) = f [Q (t), v1 (t), v2 (t), ..., vn (t)]; Z1 (t) = φ1 [Q (t)];

Zm (t) = φ m [Q (t)]

или как автомат Мили:

Q (t+1) = f [Q (t)] = f [Q (t), v1 (t), ...vn (t)]; Zi (t) = φi [Q (t), v1 (t), ..., vn (t)],

где f – функция переходов,

φ– функция выходов.

Эти функции определяются заданной микропрограммой.

Существуют два основных метода построения логики УБ:

1. УБ с жесткой или схемной логикой.

Для каждой операции строится набор комбинационных схем и конечный автомат.

2. УБ с хранимой в памяти блока логикой (с запоминаемой или программируемой логикой ).

Каждой выполняемой в обрабатывающем блоке операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов – микрокоманд, содержащих информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение одного машинного такта, и указание (в общем случае зависящее от значений входных сигналов) – какая должна быть выбрана следующая микрокоманда. Таким образом, в этом случае функции переходов и выходов f и φ управляющего автомата хранятся в памяти в виде совокупности микрокоманд.

110

Последовательность микрокоманд, выполняющих одну машинную команду или процедуру, образует микропрограмму.

Микропрограммы хранятся обычно в отдельной памяти .

УБ, использующие такой принцип управления, называют микропрограм-

мными (рис. 4.11).

	Рг К	КОП . . . . . . . . . . . . . .
		УФАМК
		ПМК
		Рг АМК
			Блок
Микро-	В	А	синхро-
команда			сигналов
		Рг МК

ДшМО

v1 v2 ..vm

Операционный блок

Структура микрокоманды

Код микрооперации		Адрес следующей
		микрокоманды
Операционная часть (В)		Адресная часть (А)
	Рис. 4.11

111

На рисунке использованы следующие обозначения:

Рг К – регистр команды; КОП – код операции;

УФАМК – узел формирования адреса микрокоманды; Рг АМК – регистр адреса микрокоманды; ПМК – память микрокоманд; ДШМО – дешифратор микроопераций.

Применяются следующие типы структуры микрокоманд:

-вертикальная (одна микрооперация в микрокоманде);

-горизонтальная (все возможные микрооперации в микрокоманде);

-горизонтально-полевая, особенностью которой является разбиение структуры микрокоманды на отдельные поля, каждое из которых используется для задания микроопераций управления отдельными блоками и устройствами ЭВМ (памятью, арифметико-логическим устройством и т.д.). При этом внутри полей может применяться вертикальное или горизонтальное кодирование [3, 7]. Для каждого из полей в составе УБ имеется отдельный дешифратор, что позволяет формировать сигналы управления различными устройствами одновременно.

Пример структуры УБ с горизонтально-полевой микрокомандой приведен на рис. 4.12.

Память микрокоманд

Рг Мк

Адресная часть

Дш1 Дш2 ДшК

Операционная часть Рис. 4.12

Для хранения микропрограмм применяются различные виды устройств памяти: статические (ПЗУ), динамические (ОП) и статическо-динамические ЗУ.

112

4.7. Принципы построения устройств памяти

4.7.1. Общие сведения и классификация устройств памяти

Памятью называется совокупность устройств, предназначенных для запоминания и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ), или памятью того или иного типа [3].

Эти термины – ЗУ и память – стали синонимами, теперь термин ЗУ чаще используют, когда хотят подчеркнуть принцип построения (ЗУ на ферритах, ЗУ на магнитных дисках (МД) и т.д.), а память – когда подчеркивают функцию устройства или место его расположения в ЭВМ (основная память, внешняя память и т.д.).

Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ.

В составе ЭВМ используется одновременно несколько типов ЗУ, отличающихся характеристиками и назначением.

Основные операции, выполняемые в памяти: запись (ввод), считывание (вывод). В зависимости от типа ЗУ за одно обращение может считываться или записываться разный объем информации: байт, слово или блок данных.

Важнейшими характеристиками отдельных устройств памяти являются: емкость памяти, удельная емкость и быстродействие.

Емкость – это максимальное количество данных, которое может храниться в памяти.

Емкость измеряется в кило-, мега- , гига-, терабайтах и т.д.

Удельная емкость – отношение емкости к объему памяти (физическому). Быстродействие – продолжительность операции обращения, т.е. время,

затраченное на поиск информации и ее воспроизведение ( tобрсчит – при чтении и tобрзап – при записи). В некоторых типах ЗУ считывание информации стирает ее и требуется регенерация (восстановление).

Продолжительность обращения (tцикла памяти) при считывании и записи:

tобрсчит = tдостсчит + tсчит + t рег ;

113

tобрзап = tдостзап + tподг + tзап .

В большинстве случаев

tдостсчит= tдостзап = tдост.

В качестве времени цикла обращения к памяти принимается

tобр = max(tобрсчит,tобрзап ),

которое определяет интервал между двумя последовательными обращениями к памяти.

По принципу действия устройства памяти можно разделить на следующие

типы:

-память на электронных схемах;

-на неподвижных ферритовых (магнитных) элементах;

-на подвижных магнитных средах (носителях);

-на лазерных дисках.

Взависимости от реализуемых операций обращения различают:

-память с произвольным обращением (ЧТ/ЗАП);

-память только для считывания или постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

По способу организации доступа память делится:

-на память с непосредственным (произвольным) доступом;

-на память с последовательным доступом.

Эти памяти имеют разное tобр.

ЗУ различаются также по выполняемым функциям, зависящим от места расположения в структуре ЭВМ.

Требования к емкости и быстродействию памяти являются противоречивыми. Чем выше быстродействие, тем технически сложнее и дороже достигается большой объем памяти.

Поэтому память в ЭВМ организуется в виде иерархической структуры ЗУ, обладающих различными быстродействием и емкостью (рис. 4.13).

114

ЦП	К аппаратуре
	процессора
	Сверхопера-
Память	тивная па–
микропрограмм	мять (кэш)

Память

Основная память каналов ввода-

вывода

Ядро ЭВМ

Память с
	ЗУ на магнитных
прямым
	дисках
доступом

Память с последо-	ЗУ на магнитных
вательным доступом	лентах
Рис. 4.13

Внутренняя память

Внешняя память

115

4.7.2. Адресная, ассоциативная и стековая организация памяти

Запоминающее устройство, как правило, содержит множество одинаковых элементов, образующих запоминающий массив (ЗМ). Массив разделен на отдельные ячейки, каждая из которых предназначена для хранения двоичного кода, количество разрядов в котором определяется шириной выборки памяти.

Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в ЗМ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую (магазинную) память [3].

Адресная память.

В такой памяти размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании номера ячейки ЗМ (адреса) хранения слова (команды, числа и т.д.), в которой это слово размещается.

Для записи/чтения слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указать адрес (номер ячейки), по которому производится обращение

(ЧТ/ЗП).

Схема памяти с адресной структурой (организацией) изображена на рис. 4.14. Емкость ЗМ – N n-разрядных слов.

Аппаратное обрамление памяти имеет: Рг А – регистр адреса; Рг И – регистр информационный;

БАВ – блок адресной выборки; Дш А – дешифратор адреса;

БУС – блок усилителей считывания; БУЗ – блок усилителей записи; БУП – блок управления памятью; ША – шина адреса.

Цикл работы памяти начинается с поступления в БУП сигнала

«Обращение».

Общая часть цикла «Обращение» включает:

-прием в Рг А адреса ячейки памяти с ША;

-прием в БУП и расшифровку типа операции (ЧТ/ЗП);

-операцию (ЧТ/ЗП).

116

Если физически запись осуществляется со стиранием, то производится регенерация содержимого ячейки ЗУ.

					БУС
					0		n-1	Считывание
											Ши Вх
					0		n-1
				.
	k-1		БАВ	·
ША									0		n–1
	Рг А				ЗМ				Рг И
	0		ДшА

N–1 .

Ши Вх

Пр Рг И

Пр Рг А Выборка
Обра-
	БУП				БУЗ
щение
		Запись	0		n–1
ЧТ/ЗП

Пр Ши Вых

Рис. 4.14

117