Регистровый АЛУ разрядномодульного типа.

 

 

Наращивание разрядности производится только аппаратным путем.

 

Обозначения сигналов – аналогичны предыдущим

 

Пример:

 

№	Операция		M			A	ADR	W/R
	Запись инф. от внешнего устройства в рег. А	X X X X	X			X	X		0 0 0 1
	Выпол. арифметические и логические операции над содержимым регистра А и В с разм. результ. в БРОН и регистр С		M		X	X	ADR		1 0 0 0
	Сложение 2-х операндов которые находятся в БРОН по адресам и с рахмещением рез. По адресу	X X X X X X X X 1 0 0 1	X X		X X X	X			0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0

 

Лекция 6. Устройства управления.

Определение: устройства управления обеспечивают формирование управляющих сигналов для всех операционных устройств в зависимости от поступившей команды и внешних условий характеризующих систему.

Рис. 6.1. Процесс формирования управляющих сигналов

Основное требования устройств управления:

1.Устройство управления должно формировать полную совокупность управляющих сигналов Y

2. Количество состояний автомата моделирующего работу устройства управления, должно быть не меньше числа микрокоманд, подлежащих реализации

3. Должно быть обеспечена возможность произвольной выборки микрокоманд, в зависимости от управляющих кодов Q

4. Должна быть обеспечена возможность модификации последовательности микрокоманд в зависимости от внешних условий Q

Существуют 2 способа реализации устройств управления

1. На жесткой логике (устройство управления представляет собой набор операционных схем)

Для каждой операции задаваемой кодом Q строится набор комбинационных схем, которые в необходимой последовательности формируют соответствующие управляющие сигналы Y. Иными словами строиться конечный автомат в котором необходимое количество состояний реализуются на элементах памяти, а функции перехода реализуются с помощью комбинационных схем

2. Устройства упраления с микропрограммированием. Каждая операция ставиться совокупность данных в управляющей памяти. Одно слово хранящиеся в этой памяти мы будем называть микрокомандами. (С микрокомандным управлением (такое устройство будет работать медленнее, но более гибкое))

Достоинства и недостатки

1. + высокое быстродействие и относительная простота реализации

– невозможность модификации системы в случае изменения структуры команд

2. + легкость модернизации системы путем перепрограммирования управляющей памяти

– более низкое быстродействие по сравнению с устройствами на жесткой логике.

Рис. 6.2. Обобщенная структура устройства управления.

Устройство формирования адреса вырабатывает адрес микрокоманд в зависимости от внешних условий поступающих от операционных устройств и в зависимости от текущей микрокоманды.

Код микрокоманды записывается в регистрах микрокоманд

Рис. 6.3. Регистр команд

Регистр команд состоит из двух частей – первая операционная – в ней находиться управляющий сигнал, вторая часть адресная, она содержит поле логических условий и адрес следующей микрокоманды.

Операционная часть микрокоманды содержит упраляющие сигналы либо в закодированном виде, в этом случае требуется дешифрация, либо непосредственно сигналы Y

Адресная часть содержит поле логических условий. поле логических условий накладывает маску на набор внешних условий от операционного усилителя.

Все это зависит от результата наложения маски: Если поле , то УФА вырабатывает адрес , в противном случае .

Горизонтальное микропрограммирование.

 

Рис. 6.4.Структурная схема горизонтального микропрограммирования

При горизонтальном микропрограммировании каждому разряду операционной части ставится в соответствие один определенный управляющий сигнал из набора Y (то есть одна микрооперация). Если N – количество микроопераций , которые необходимо реализовать, то разрядность операционной части регистра будет N

Достоинства - высокое быстродействие, простота реализации

Недостатки – N может достигать нескольких сотен, то есть нужна большая разрядность управляющей памяти

Вертикальное микропрограммирование.

 

Рис. 6.5.Структурная схема вертикального микропрограммирования

(Стремимся уменьшить разрядность управляющей памяти)

При вертикальном микропрограммировании – микрооперации определяются двоичным кодом содержащемся в операционной части микрокоманд. В этом случае мы получаем разрядность

Достоинства – минимальное количество разрядов операционной части

Недостатки - более низкое быстродействие из-за необходимости использовать дешифратор.

 

Вертикально-горизонтальное программирование.

 

Рис. 6.6.Структурная схема вертикально-горизонтального микропрогмарирования

Часто применяется горизонтально-вертикальное программирование – в этом случае набор управляющих сигналов Y разбивается на некоторое количество поднаборов. Каждый из этих поднаборов содержит микрооперации, которые не требуют параллельного выполнения, либо выполняются параллельно редко. Далее на каждый поднабор устанавливается свой дешифратор. Таким образом параллельно могу выполняться по одной микрооперации из каждого поднабора.

Способ формирования адреса:

По способу формирования адреса устройства делят на 2 группы

1. с принудительной адресацией

2. с естественной адресацией

Для 1 - в каждой микрокоманде содержится адресная и микрооперационная часть, если микрокоманда не изменяет линейного порядка следования микрокоманд, то в адресном поле содержится один адрес, а в поле =0

Если микрокоманда изменяет линейный порядок следования, то в поле содержится код логического условия, а в адресной части два адреса.

Поясним на схеме:

Рис. 6.6.Структурная схема формирования адреса устройства

На каждом такте работы схемы из управляющей памяти регистр микрокоманд считывается код микрокоманд. Операционная часть, через дешифратор, уходит к операционному устройству. Код логического условия поступает на дешифратор. Сигналы с выхода дешифратора маскируют набор внешних условий. На выходе данной схемы будет единица, только если в позиции соответствующих коду условия будет единица и при этом условие было выполнено. Таким образом с помощью мультиплекстора в регистр А записываются в случае линейного кода микропрограммы и в случае выполнения указанного условия.

При естественной адресации использование микрокоманд 2-х типов операционного и управляющего. Для их разделения в микрокоманды вводится поле Р. При Р=0 выполняется операционные микрокоманды, при Р=1 – управляющие. Адресация поля в микрокоманды нет. Операции микрокоманд не изменяют линейность линейность хода микрокоманд. Адресация следующей микрокоманды формируют адрес предыдущей +1. Управляющие микрокоманды перегружают счет адреса микрокоманд, которым необходимо передать управление.

Лекция 7. Система команд и способы адресации операндов.

Первое поле содержит в себе код операции, второе поле содержит код адреса.

КОП

КАД

Код адреса содержит адреса операндов и адрес, где следует разместить результат.

Способы адресации:

1.Прямая адресация - в этом случае операнд выбирают из ячейки памяти, адрес которой указан в команде.

минус способа: большая разрядность адресного поля (она зависит от размера адресного пространства).

плюс способа: простота.

2.Регистровая адресация – операнд выбирают из регистра, номер или имя которого указан в команде. Данный способ адресации является распространенным, т.к. не требует обращения к внешней памяти; дешифровка адреса существенно проще по сравнению с дешифровкой внешней памяти; малая разрядность.

3.Косвеннорегистровая адресация – операнд выбирают из ячейки памяти, адрес которой содержится в регистре, указанном в команде.

4.Косвеннорегистровая адресация со смещением – операнд выбирают из ячейки памяти, адрес которой является суммой, содержащей указания в команде регистра и операнде смещения.

5.Непосредственная адресация – операнд содержится непосредственно в поступившей команде. Команды могут быть, как и безадресные, так и одно-, двух-, трехадресные.

Примером безадресной команды может служить команда управления процессором, которая приводит к остановке выполняемой программы. Примером одноадресной команды являются команды сдвига, двухадресной команды – один из операндов находится в регистре памяти, другой - в ОЗУ.

Команды, выполняемые процессором, можно разделить на группы:

1.Операция пересылки – организовывает пересылку данных между двумя регистрами или регистром и ячейкой памяти. Некоторые процессоры имеют отдельные команды для общения с портами ввода/вывода.

MOV – команда пересылки.

2.Арифметические операции.

ADD, SUB – суммирование, вычитание;

MUL, DIV – умножение, деление.

3.Логические операции.

AND, OR, NOT, XOR – И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ.

4.Операция со сдвигом.

SHL – логический сдвиг влево;

SHR – логический сдвиг вправо;

SAL – арифметический сдвиг влево;

SAR – арифметический сдвиг вправо.

5. Операция сравнением.

СМР – вычитание двух указанных операндов, при этом результат не сохраняется и операнды не изменяются; результатом операции является изменение содержимого регистра состояний.

6.Операция управления программой. Делится на команды безусловной передачи управления (CALL – вызов подпрограммы, JMP – переход по адресу) и команды условного перехода (JNE – переход, если операнды не равны, флаг нулевого результата z=0).

7.Операция управления процессором.

HALT – приводит к остановке выполняемую программу;

RST – команда сброса.

 

Конвейерный принцип выполнения команд.

Принцип совмещения операций во времени известен давно и широко применяется на практике. Он включает в себя 2 понятия: параллелизм и конвейеризацию.

Параллелизм – совмещение операций во времени достигается копированием структур и параллельной работы структуры аппаратуры.

Конвейеризация – параллельная работа блоков, выполняющих различные части задачи параллелизма. В общем случае подразумевается разделение операций на более мелкие части, называемые ступенями конвейера, и выделение аппаратуры под выполнение каждой этой части. Таким образом, образуется конвейер, в котором команды и данные передаются от ступени к ступени. При этом появляется возможность совмещения во времени этапов различных команд. Конвейерный принцип повышает пропускающую способность процессора, но не уменьшает время выполнения данной команды. Конвейер эффективен, если загрузка конвейера близка к полной и при этом используются однотипные команды. Производительность процессора (количество операций в секунду) равна тактовой частоте процессора.

Рассмотрим пример разбиения команды на ступени.

1 – выборка команды;

2 – дешифрация команды;

3 – формирование адреса операнда;

4 – получение операнда;

5 – выполнение операции;

6 – размещение результата.

INC R2 – увеличение на единицу содержимого регистра R2.

MOV (R2), R3 – производит пересылку содержания регистра R2 в регистр R3.

ADD R3, (R4) – сложение регистра R3 с содержанием ячейки памяти, находящийся в R4, результат сохраняется в R3.

Состоянием ожидания называется состояние, при котором ступени конвейера пропускают несколько тактов из-за того, что не готовы операнды.

Состоянием простоя называется состояние, при котором конвейер пропускает один или несколько тактов потому, что данный этап конвейера не используется в данной команде.

При конвейерном выполнении команд возникает ситуация, которая препятствует выполнению команды в заданном порядке. В этих ситуациях работа конвейера приостанавливается до разрешения конфликта. Существует 3 класса конфликтов:

1.Структурный конфликт, который возникает из-за конфликтов по ресурсам.

2.Конфликт по данным – выполнение команды зависит от результата предыдущей.

3.Конфликты по управлению, возникают при выполнении команд условного перехода.

Рассмотрим структурный конфликт. Совмещенный режим выполнения команд требует конвейеризацию операционных устройств и дублирование ресурсов системы для разрешения всех возможных команд в конвейере. Типичным примером является вычислительная система с наличием ОУ, выполняющая свою задачу за несколько тактов конвейера. В этом случае команды и данные не могут поступать на вход устройства. Т.е. происходит структурный конфликт по причине недостаточного дублирования ресурсов.( В системе есть один код для записи в память, а двум командам нужно произвести запись в память.)

Рассмотрим конфликт по данным. Причина заложена не только в архитектуре и структуре процессора, но и структуре программы. Такой конфликт возникает везде, где между командами возникает зависимость и эти команды находятся так близко друг к другу, что совмещение операций не возможно. Типы конфликтов по данным:

1 тип: чтение после записи (RAW);

2 тип: запись после чтения (WAR), j пытается записать данные раньше, чем i их считает.

3 тип: запись после записи (WAW), в результате в ячейке памяти оказываются не те данные.

Для разрешения конфликтов первого типа широко используется принцип обходных путей.

Пример. Выход АЛУ заводится на вход, минуя другие регистры памяти, т.о. результат операции уже на следующем такте может быть использован АЛУ. Данный принцип легко обобщить на всю систему, т.е. в структуру вводиться множество обходных путей.

Блок по разрешению конфликтов анализирует команды на конвейере и при возникновении конфликта выбирает обходной путь. Однако возникают случаи, когда техника обходных путей неэффективна, например, при загрузке операнда из памяти происходит остановка конвейера.

 

Методика планирования компилятора для устранения конфликтов по данным.

A=B+C

В данном случае компилятор не сможет активизировать ход событий.

D=E-F

MOV R_b, B MOV R_b, B

MOV R_c, C MOV R_c, C

ADD R_a, R_b, R_c MOV R_e, E

MOV A, R_a ADD R_a, R_b, R_c

MOV R_e, E MOV R_f, F

MOV R_f, F MOV A, R_a

SUB R_d, R_e, R_f SUB R_d, R_e, R_f

MOV D, R_d MOV D, R_d