Центральное устройство управления
Центральное устройство управления — это комплекс средств автоматического управления процессом передачи и обработки информации. ЦУУ вырабатывает управляющие сигналы (УС), необходимые для выполнения всех операций, предусмотренных системой команд, а также координирует работу всех узлов и блоков ЭВМ. В связи с этим можно считать ЦУУ преобразователем первичной командной информации, представленной программой решения задачи, во вторичную командную информацию, представляемую управляющими сигналами.
Модель устройства управления (УУ) представлена на рис. 1.
 |
Рис.1 Модель устройства управления
Для выполнения своих функций УУ должно иметь входы, позволяющие определить состояние управляемой системы, и выходы, через которые осуществляется управление поведением системы.
Входной информацией для УУ служат:
- тактовые импульсы. С каждым тактовым импульсом УУ инициирует выполнение одной или нескольких микроопераций;
- код операции (КОП) текущей команды поступает из регистра команды и используется, чтобы определить, какие микрооперации должны выполняться в течение машинного цикла;
- флаги. Требуются устройству управления для оценки состояния процессора и результата предшествующей операции, что необходимо для выполнения команд условного перехода;
- сигналы из системной шины. Часть сигналов системной шины, обеспечивающая передачу в УУ запросов прерывания, подтверждений и т. п.
В свою очередь, УУ формирует следующую выходную информацию:
- внутренние сигналы управления – эти сигналы воздействуют на внутренние схемы процессора и относятся к одному из двух типов:
1) сигналы управления перемещением данных между регистрами процессора;
2) сигналы, определяющие функции операционного устройства процессора;
- сигналы в системную шину. Управляющие сигналы в память и управляющие сигналы в модули ввода/вывода.
В общем случае ЦУУ формирует управляющие сигналы для реализации следующих функций:
¨ выборки из памяти кода очередной команды;
¨ расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
¨ выборки операндов и выполнения машинной операции;
¨ обеспечения прерываний при выполнении команд;
¨ формирования адреса следующей команды;
¨ учета состояний других устройств машины;
¨ инициализации работы контроллеров (каналов) ввода-вывода;
¨ организации контроля работоспособности ЭВМ.
В обобщенной структуре УУ можно выделить две части: управляющую и адресную.
Управляющая часть УУ предназначена для координации работы операционного блока ВМ, адресной части УУ, основной памяти и других узлов ВМ.
В состав управляющей части входят:
- регистр команд (РК), состоящий из адресной и операционной частей;
- микропрограммный автомат;
- узел прерываний и приоритетов.
Регистр команд предназначен для приема очередной команды из ЗУ. Микропрограммный автомат на основании расшифровки операционной части команды вырабатывает определенную последовательность микрокоманд, вызывающих выполнение всех целевых функций УУ.
Узел прерываний и приоритетов позволяет реагировать на различные ситуации, связанные как с выполнением рабочих программ, так и с состоянием ВМ.
Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной памяти.
Адресная часть включает в себя:
- операционный узел УУ;
- регистр адреса;
- счетчик команд.
Регистр адреса используется для хранения исполнительных адресов операндов, а счетчик команд для формирования и хранения адресов команд. Содержимое этих регистров посылается в регистр адреса основной памяти для выборки операндов и команд соответственно. Операционный узел УУ обрабатывает адресные части команд, формируя исполнительные адреса операндов, а также подготавливает адрес следующей команды при выполнении команд перехода.
К основным характеристикам ЦУУ следует отнести:
- способ построения цикла работы ЦУУ и ЭВМ в целом;
- способ синхронизации узлов и блоков ЭВМ.
- общая организация управления ЭВМ;
- принцип формирования и развертывания временной последовательности управляющих сигналов;
По способу построения рабочего цикла различают ЦУУ:
¨ с прямым циклом,
На первом этапе производится выборка из памяти команды, а затем следуют этапы выполнения машинной операции.
¨ с обращенным циклом,
В первую очередь выдаются управляющие сигналы для выполнения машинной операции по коду команды, поступившей в ЦУУ на предыдущем цикле (предвыборка команд), а затем из памяти выбирается код команды, которая будет исполняться в следующем цикле.
¨ с совмещением во времени циклов выполнения нескольких команд (конвейером команд).
По способу синхронизации работы ЭВМ в зависимости от числа тактов в цикле выполнения команды различают ЦУУ:
¨ с постоянным числом тактов;
¨ с переменным числом тактов.
В микропрограмме рабочего цикла выделяют общую и специальную части. К общей части относятся микрокоманды, исполняемые в цикле любой команды: выборка команды, анализ запросов на прерывание, формирование адреса следующей команды, анализ состояния процессора. Эти микрокоманды выполняются за постоянное число тактов.
К специальной части относятся микрокоманды, по которым вырабатываются управляющие сигналы в зависимости от содержания операционной части исполняемой команды. В этом случае количество тактов будет переменным для различных команд. В современных ЭВМ с различной структурой используемых команд, число тактов зависит от формата выбираемой команды, структуры ее адресной части и длины операндов.
По общей организации управление может быть:
¨ централизованным
Блок управления ЦУУ вырабатывает все управляющие сигналы микроопераций для всех команд, выполняемых процессором;
¨ смешанным
Применяются в процессорах, операционные и другие устройства которых имеют собственные узлы местного управления. Тогда блок управления ЦУУ, помимо сигналов микроопераций, вырабатывает так же сигналы для блоков местного управления;
По принципу организации циклов различают ЦУУ:
¨ синхронного типа, в которых время цикла может быть постоянным или переменным;
¨ асинхронного типа, в которых продолжительность цикла определяется фактическими затратами времени на выполнение каждой операции. В этом случае необходимо вырабатывать сигналы об окончании операции;
¨ смешанного типа, где частично реализуются оба предыдущих принципа организации циклов.
По принципу формирования микрокоманд УУ различают микропрограммные автоматы
¨ с жесткой или аппаратной логикой;
¨ с программируемой логикой.
ЦУУ с жесткой логикой.
Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) – представляет собой логическую схему, вернее совокупность логических схем, вырабатывающих распределенные во времени функциональные управляющие сигналы. Изменить логику работы у таких управляющих автоматов можно, только переделав схему. Множество состояний таких управляющих автоматов задается набором запоминающих элементов (ячеек памяти), а функции переходов и выходов – реализуются набором логических элементов. При синтезе таких управляющих автоматов применяются законы алгебры логики.
ЦУУ с микропрограммной логикой
Процесс функционирования ВМ состоит из последовательности элементарных действий в ее узлах. Такие элементарные преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями.
Совокупность сигналов управления, вызывающих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду.
В свою очередь последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок реализации машинного цикла, принято называть микропрограммой.
В управляющих автоматах с микропрограммной логикой каждой выполняемой машинной операции ставится в соответствие микропрограмма, хранимая в специальной памяти микропрограмм.
Итак, каждая микропрограмма - это определенная последовательность микрокоманд. Микрокоманда содержит операционную и адресную части.
Операционная часть микрокоманды содержит информацию о микрооперациях, выполняемых в различных блоках ЭВМ в течение одного машинного такта под управлением данной микрокоманды. В адресной части микрокоманды находится информация, необходимая для формирования адреса следующей микрокоманды.
В автоматах с программируемой логикой блок управления операциями выполняет функцию блока хранения и выборки кодов микрокоманд. В машинном такте производится выборка требуемой микрокоманды, выдача сигналов микроопераций, формирование адреса следующей микрокоманды, т.е. микрокоманды после выборки из памяти преобразуются в набор управляющих сигналов.