Лекция 4: Устройство управления

Компьютер условно можно разделить на два основных блока: операционный и управляющий. Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих сигналов. Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенная для выработки этой последовательности, называется устройством управления.

Любое действие, выполняемое в операционном блоке, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за один или несколько тактов. Элементарная функциональная операция, выполняемая за один тактовый интервал и приводимая в действие управляющим сигналом, называется микрооперацией [7]. Например, в спроектированном АЛУ для умножения чисел в первом такте выполняются следующие микрооперации: TX=0, TY=0, RGX=|X|, RGY=|Y|, RGZ=0. Совокупность микроопераций, выполняемых в одном такте, называется микрокомандой (МК). Если все такты должны иметь одну и ту же длину, а именно это имеет место при работе компьютера, то она устанавливается по самой продолжительной микрооперации. Микрокоманды, предназначенные для выполнения некоторой функционально законченной последовательности действий, образуют микропрограмму. Например, микропрограмму образует набор микрокоманд для выполнения команды умножения.

Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит преобразование информации в арифметико-логическом устройстве, а также операции по записи и чтению информации в/из запоминающего устройства.

Устройства управления делятся на:

УУ с жесткой, или схемной логикой и

УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).

В устройствах управления первого типа для каждой команды, задаваемой кодом операции, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах вырабатывают необходимые управляющие сигналы.

В микропрограммных УУ каждой команде ставится в соответствие совокупность хранимых в специальной памяти слов - микрокоманд. Каждая из микрокоманд содержит информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в данном такте, и указание, какое слово должно быть выбрано из памяти в следующем такте.

Схемное устройство управления

Устройство управления схемного типа (рис. 4.1) состоит из:

датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шинам (рис. 4.2) (n - общее количество управляющих сигналов, необходимых для выполнения любой операции; m - количество тактов, за которое выполняется самая длинная операция);

блока управления операциями, осуществляющего выработку управляющих сигналов, то есть коммутацию сигналов, поступающих с ДС, в соответствующем такте на нужную управляющую шину;

дешифратора кода операций, который дешифрирует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, и возбуждает одну шину, соответствующую данной операции; этот сигнал используется блоком управления операциями для выработки нужной последовательности управляющих сигналов.

Функциональная схема схемного устройства управления

Рис. 4.1. Функциональная схема схемного устройства управления

Временная диаграмма работы датчика сигналов

Рис. 4.2. Временная диаграмма работы датчика сигналов

Датчик сигналов обычно реализуется на основе счетчика с дешифратором или на сдвиговом регистре.

Датчик сигналов на основе счетчика с дешифратором

Реализация датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором представлена на рис. 4.3. По заднему фронту каждого тактового импульса, поступающего на устройство управления с системного генератора импульсов, счетчик увеличивает свое состояние; выходы счетчика соединены со входами дешифратора, выходы которого и являются выходами датчика сигналов (рис. 4.4).

Схема датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Рис. 4.3. Схема датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Рис. 4.4. Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Датчик сигналов на сдвиговом регистре

Проектирование датчика сигналов на сдвиговом регистре требует лишь его " закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится информация при сдвиге, и первоначальной установки (рис. 4.5). В начальном состоянии регистр содержит " 1" только в разряде 0. Входы параллельной загрузки регистра для его начальной установки и соответствующий этой операции управляющий вход регистра на схеме не показаны.

Схема датчика сигналов на основе регистра сдвига

Рис. 4.5. Схема датчика сигналов на основе регистра сдвига

Временная диаграмма работы этой схемы приведена на рис. 4.6.

Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе регистра сдвига

Рис. 4.6. Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе регистра сдвига

Наиболее сложной частью схемного устройства управления является блок управления операциями. Он представляет собой нерегулярную схему, структура которой определяется системой команд и составом оборудования процессора. Такое УУ может быть реализовано в виде специализированной интегральной схемы.

Структурная схема микропрограммного устройства управления

Микропрограммное устройство управления представлено на рис. 4.7. Преобразователь адреса микрокоманды преобразует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а также определяет адрес следующей микрокоманды выполняемой микропрограммы по значению адресной части текущей микрокоманды.

Функциональная схема микропрограммного устройства управления (УСi - управляющие сигналы, вырабатываемые устройством управления)

Рис. 4.7. Функциональная схема микропрограммного устройства управления (УСi - управляющие сигналы, вырабатываемые устройством управления)

На табл 4.1 приведен пример микропрограммы для выполнения операции умножения чисел в дополнительном коде. Предполагается, что начальный адрес микропрограммы равен 300, количество разрядов множителя равно 2, а адресная часть микрокоманды содержит адрес микрокоманды, которая должна быть выбрана в следующем такте. В последней микрокоманде в регистр команд загрузится очередная команда, код операции которой определит начальный адрес очередной микропрограммы. В реальных микропрограммных устройствах управления формирование адреса следующей микрокоманды проводится более сложным образом, учитывающим возможности ветвлений и циклического повторения отдельных фрагментов микропрограмм.

Таблица 4.1. Микропрограмма выполнения операции умножения

Адрес МК УС1 УС2 УС3 УС4 УС5 УС6 Сигнал записи в РК Адрес следующей МК

300 1 0 1 0 0 1 0 301

301 0 0 0 0 1 0 0 302

302 0 1 0 1 0 0 0 303

303 0 0 0 0 1 0 0 304

304 0 1 0 1 0 0 1 Х

Из анализа структуры и принципов работы схемного и микропрограммного устройств управления видно, что УУ первого типа имеют сложную нерегулярную структуру, которая требует специальной разработки для каждой системы команд и должна практически полностью перерабатываться при любых модификациях системы команд. В то же время оно имеет достаточно высокое быстродействие, определяемое быстродействием используемого элементного базиса.

Устройство управления, реализованное по микропрограммному принципу, может легко настраиваться на возможные изменения в операционной части ЭВМ. При этом настройка во многом сводится лишь к замене микропрограммной памяти. Однако УУ этого типа обладают худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.