Функции устройства управления процессора

Устройство управления (УУ) процессора реализует функции управления ходом вычислительного процесса, обеспечивая автоматическое выпол­нение команд программы. Как было рассмотрено выше, работа программы представляет собой процесс выполнения последовательности командных циклов, каждый из которых в общем случае состоит из этапов или ступеней: выборки команды из памяти, ее декодирования, чтения операнда, исполнения операции, записи результата. Другими словами, процесс функционирования вычислительного устройства состоит из последова­тельности элементарных действий, выполняемых в его узлах. Такие элементарные преобразова­ния информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО). Совокупность сигналов управления, вызываю­щих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду (МКм). 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.

Для выполнения своих функций УУ должно иметь входы, позволяющие опреде­лить состояние управляемой системы, и выходы, через которые реализуется уп­равление поведением системы. Структура УУ показана на рис.2.1 /2,6,9/.

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 центрального процессора и резуль­тата предшествующей операции, что необходимо при выполнении команд ус­ловного перехода;

· сигналы из системной шины – часть сигналов с системной шины, 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 ВМ;

· сигналы в системную шину – также относятся к одному из двух типов: управля­ющие сигналы в память и управляющие сигналы

В обобщенной функциональной схеме УУ (рис.2.2) можно выделить две основные части: управляющую и адресную.

Управляющая часть УУ предназначена для управления работой арифметико-логического устройства, адресной части устройства управления, основной памяти и дру­гих узлов процессора.

Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной (оперативной) памяти.

В состав управляющей части УУ входят:

· регистр команды (РК), состоящий из адресной (Адрес) и операционной (КОП, СА) частей; ­

· микропрограммный автомат (МПА);

· узел прерываний и приоритетов УПП).

Регистр команды РК предназначен для приема очередной команды из памяти.

Микропрограммный автомат на основании результатов рас­шифровки операционной части команды (КОП, СА) 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 микропроцессорной системы.

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.

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.

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 работу арифметико-логического устройства, процесса обмена информацией между памятью и другими устройствами микропроцессорной системы, тем самым по­вышая общую производительность машины.

Обычно регистры различных узлов УУ объединяют в отдельный узел управляющих (специальных) регистров.

В зависимости от способа формирования микрокоманд различают микропрог­раммные автоматы:

· с жесткой или аппаратной логикой;

· с программируемой логикой.