Функции и структура устройства управления

Устройство управления (УУ) вычислительной машины реализует функции управления ходом вычислительного процесса, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы. Процесс выполнения программы в ВМ представляет собой последовательность машинных циклов. Для простоты примем, что ЭВМ обеспечивает одноадресную систему команд. При этом в частности, полагается, что до начала выполнения двухоперандной арифметической команды второй операнд уже находится в процессоре. Рассмотрим основные этапы выполнения команды:

- первым этапом в машинном цикле является выборка команды из памяти (ВК);

- за выборкой команды следует этап декодирования ее операционной части (кода операции). Для простоты пока будем рассматривать этот этап в качестве составной части этапа ВК;

- формирование адреса следующей команды;

- этап формирования исполнительного адреса операнда или адреса перехода. Функция имеет столько модификаций, сколько способов адресации (СА) предусмотрено в системе команд ВМ;

- на четвертом этапе реализуется целевая функция выборки операнда из памяти по исполнительному адресу, сформированному на предыдущем этапе;

- на последнем этапе машинного цикла действия задаются функцией исполнения операции. Очевидно, что количество модификаций функции равно количеству операций, имеющихся в системе команд ВМ.

Входной информацией для устройства управления служат:

- тактовые импульсы – с каждым тактовым импульсом УУ инициирует выполнение одной или нескольких микроопераций;

- код операции – код операции 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 ЦП и результата предшествующей операции, что необходимо при выполнении команд условного перехода;

- сигналы от узлов ЭВМ – часть сигналов, обеспечивающая передачу в УУ запросов прерывания, подтверждений и т.п.

В свою очередь, УУ, а точнее микропрограммный автомат, формирует следующую выходную информацию:

- внутренние сигналы управления – эти сигналы воздействуют на внутренние схемы центрального процессора и относятся к одному из двух типов: тем, которые вызывают перемещение данных из регистра в регистр, и тем, что инициируют определенные функции операционного устройства ЭВМ;

- сигналы в системную шину – также относятся к одному из двух типов: управляющие сигналы в память и управляющие сигналы в модули ввода/вывода.

Как уже отмечалось ранее, процесс функционирования ВМ состоит из последовательности элементарных действий в ее узлах. Такие элементарные преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО). Совокупность сигналов управления, вызывающих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду (МК). В свою очередь, последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок реализации машинного цикла, принято называть микропрограммой. Сигналы управления вырабатываются устройством управления, а точнее одним из его узлов – микропрограммным автоматом (МПА). Название отражает то, что МПА определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций.

Микропрограммы реализации перечисленных ранее целевых функций инициируются задающим оборудованием, которое вырабатывает требуемую последовательность сигналов управления и входит в состав управляющей части УУ. В обобщенной структуре УУ (рис. 2.3) можно выделить две части: управляющую и адресную. Управляющая часть УУ предназначена для координирования работы операционного блока ВМ, адресной части устройства управления, основной памяти и других узлов ВМ. Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной памяти.

В состав управляющей части УУ входят:

- регистр команды (РК);

- микропрограммный автомат (МПА);

- узел прерываний и приоритетов (УПП).

Регистр команды предназначен для приема очередной команды из запоминающего устройства. Микропрограммный автомат на основании результатов расшифровки операционной части команды (КОп) вырабатывает определенную последовательность микрокоманд, вызывающих выполнение всех целевых функций УУ.

Рис. 2.3. Обобщенная структура устройства управления

В зависимости от способа формирования микрокоманд различают микропрограммные автоматы:

- с жесткой или аппаратной логикой;

- с программируемой логикой.

Узел прерываний и приоритетов позволяет реагировать на различные ситуации, связанные как с выполнением рабочих программ, так и с состоянием ВМ.

Адресная часть УУ включает в себя:

- операционный узел устройства управления (ОПУУ);

- регистр адреса (РгА);

- счетчик команд (СК).

Регистр адреса используется для хранения исполнительных адресов операндов, а счетчик команд для выработки и хранения адресов команд. Содержимое РгА и СК посылается в регистр адреса основной памяти (ОП) для выборки операндов и команд соответственно.

Операционный узел устройства управления (ОПУУ), называемый иначе узлом индексной арифметики или узлом адресной арифметики, обрабатывает адресные части команд, формируя исполнительные адреса операндов, а также подготавливает адрес следующей команды при выполнении команд перехода. Состав ОПУУ может быть аналогичен составу основного операционного устройства ВМ (иногда в простейших ЭВМ с целью экономии затрат на оборудование ОПУУ совмещается с основным операционным устройством).

В состав УУ могут также входить дополнительные узлы, в частности узел организации прямого доступа к памяти. Этот узел обычно реализуется в виде самостоятельного устройства – контроллера прямого доступа к памяти (КПДП). КПДП обеспечивает совмещение во времени работы операционного устройства с процессом обмена информацией между ОП и другими устройствами ВМ, тем самым повышая общую производительность машины.

Довольно часто регистры различных узлов УУ объединяют в отдельный узел управляющих (специальных) регистров устройства управления.