§ 3. Процессоры

Каждая операция в машине складывается из ряда последова­тельных действий—микроопераций над кодами чисел. К числу микроопераций относятся:

установка—занесение в операционный элемент кода числа;

передача-прием — занесение кода числа, находящегося на вхо­дах, в операционный элемент для хранения;

сдвиг—изменение разрядов кода числа относительно первона­чального;

счет — изменение кода числа на заданную константу;

суммирование — сложение двух чисел;

логическое умножение;

логическое сложение.

Набор сигналов для выполнения микрооперации составляет мик­рокоманду.

Последовательность микрокоманд с целью выполнения некоторой операции составляет микропрограмму операции, а последова­тельность команд с целью решения заданной задачи — программу решения этой задачи.

Микрокоманды формируются управляющим устройством (УУ) процессора, а микрооперации реализуются с помощью его арифметическо-логического устройства (АЛУ).

Все числа, обрабатываемые в АЛУ, представляются в определен­ной форме, называемой машинным словом. Обычно машинное слово записывается в регистре, имеющем определенное число раз­рядов. Характер распределения двоичных цифр числа, которое на­зывают часто операндом, по разрядам регистра представляется разрядной сеткой (рис. 23.3).

В зависимости от формы представления чисел в разрядах сетки принято различать ЦВМ с фиксированной и плавающей за­пятой, При представлении чисел в форме с фиксированной запятой положение запятой закрепляется в определенном месте относительно разрядов числа и сохраняется неизменным для всех чисел. Обычно запятая фиксируется перед старшим разрядом (рис. 23.3,а) или после младшего (рис. 23.3,6). В первом случае в разрядной сетке могут быть представлены только дробные числа, а во втором — только целые. Такая форма представления чисел усложняет про­граммирование и в современных ЦВМ не используется.

При представлении в форме с плавающей запятой двоичное чис­ло записывается в виде

где No — мантисса числа; 2 — основание двоичной системы счисле­ния; k—порядок числа. Например, двоичное число N=111, 0101 может быть представлено в виде N=0,1110101•2¹¹ =0,01110101 *2¹⁰⁰=0,001110101 *2¹⁰¹ и т.д.

Распределение разрядов сетки для первого варианта показано на рис. 23.3,в. Если знак или порядок числа положительны, в знако­вой ячейке записывается нуль, а если знак или порядок числа отри­цательные — единицы.

При операциях с числами в машинах с плавающей запятой ис­пользуется операция нормализации, когда число представляется в таком виде, что первой значащей цифрой мантиссы является единица. Такое число называется нормализованным.

Рассмотрим порядок работы АЛУ на примере сложения двух чи­сел. Первой операцией, которая проводится в этом случае, является операция выравнивания порядков. Одинаковые порядки слагаемых, позволяют осуществлять суммирование только одних мантисс. Раз­рядам порядка присваивается при этом порядок любого из слагае­мых. Обычно операция выравнивания проводится над слагаемым с меньшим порядком, вследствие чего у этого слагаемого нарушается нормализация. Затем складываются мантиссы, а результат при не­обходимости нормализуется.

Операция сложения может быть реализована по схеме АЛУ, по­казанной на рис. 23.4. После получения команды о сложении двух чи­сел с плавающей запятой устройство управления (УУ) формирует последо­вательность сигналов для приема из ОЗУ на регистры порядка (РгП} и мантиссы (РгМ) значений этих чисел, установку сумматоров мантисс (СмМ) и порядка (СмП) в нуль, преобразо­вание в блоках ПрМ и ПрП после анализа знаков чисел в один из кодов (обратный или дополнительный), вре­менное хранение на сумматорах СмП и СмМ первого операнда (числа), прием и суммирование второго опе­ранда, преобразование кода результа­та к такому виду, как он хранится в памяти, пересылку результата в ОЗУ. При необходимости производится опе­рация нормализации результата — сдвиг мантиссы и изменение порядка.

К

оманды, формируемые устрой­ством управления и определяющие последовательность действий ЦВМ, представляются на разрядной сетке в виде двух частей: операционной и адресной (см. рис. 23.3,г). В операционной части размещается код операции, а адресная часть должна указывать два участвующих в операции числа (операнды) и место размещения результата. Такая сетка должна содержать три адреса. Однако это приводит к большой разрядности регистра, и по­этому современные ЦВМ являются двухадресными (как показано на рис. 23.3,г). При этом для обеспечения выполнения операции исполь­зуют специальные приемы адресации (например, один и тот же адрес применяют в качестве адреса числа и адреса для записи резуль­тата).

Структурная схема устройства управления (рис. 23.5) состоит из следующих основных блоков: счетчик адреса команды СчАК, который хранит адрес команды, подлежащей исполнению; регистра команд РгК, хранящего номер исполняемой команды; дешифратора команд ДшК, расшифровывающего кодовую часть команды; генератора так­товых имульсов ГТИ. На этой же схеме показаны ОЗУ и АЛУ.

К

оманда начинает выполняться после получения счетчиком адре­са команд СчАК. номера данной команды от генератора тактовых импульсов ГТИ. Далее этот номер (адрес команды) переписывается в регистр адреса ОЗУ. Последнее считывает из ячейки с этим номе­ром хранящуюся там команду и заносит ее в регистр команд РгК устройства управления. Кодовая часть команды КО расшифровыва­ется дешифратором команд ДшК, который посылает разрешающий сигнал на АЛУ. Адреса 1 и 2 из регистра команд РгК передаются в ОЗУ, откуда содержимое соответствующих этим адресам ячеек пе­редается в АЛУ. После завершения операции в АЛУ результат запи­сывается в ОЗУ.

Генератор тактовых импульсов может быть реализован двумя ме­тодами: схемно-логическим или микропрограммным. В первом случае ГТИ собирается по довольно сложной схеме на базе регистра сдвига. Такое устройство управления называется устройством с жесткой ло­гикой. Во втором случае последовательность управляющих импуль­сов кодируют с помощью двоичных кодов, называемых микрокоман­дами и хранящихся в постоянном запоминающем устройстве ЛЗУ па­мяти. Последовательность микрокоманд, обеспечивающая выполнение какой-либо команды, образует микропрограмму. Такой метод построения устройства управления называется микропрограммным или методом хранимой логики. Современные ЭВМ строятся по микропрограммному методу, который хотя и обладает меньшим бы­стродействием по сравнению с УУ с жесткой логикой, но позволяет реализовать системы команд для выполнения более сложных опе­раций.