ЦУУ с микропрограммной логикой - раздел История, Память ЭВМ: История развития ЭВМ В Управляющих Автоматах С Микропрограммной Логикой Каждой Выполняемой Машинно...
В управляющих автоматах с микропрограммной логикой каждой выполняемой машинной операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов – микрокоманд.
Последовательность микрокоманд образует микропрограмму, хранимую в специальной памяти микропрограмм.
Каждая микропрограмма состоит из определенной последовательности микрокоманд, которые после выборки из памяти преобразуются в набор управляющих сигналов.
В таких автоматах блок управления операциями (БУО) выполняет функцию блока хранения и выборки кодов микрокоманд. В машинном такте производится выборка требуемой микрокоманды, выдача сигналов микроопераций, формирование адреса следующей микрокоманды.
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.
Существуют различные способы организации операционной части микрокоманды:
¨ горизонтальное микропрограммирование;
¨ вертикальное микропрограммирование;
¨ смешанное микропрограммирование.
При горизонтальном микропрограммировании, каждому разряду операционной части микрокоманды ставится в соответствие один управляющий сигнал, под действием которого выполняется соответствующая микрооперация.
Достоинства горизонтального микропрограммирования:
¨ нет необходимости в преобразовании операционной части микрокоманды в УС.
¨ сокращаются затраты времени на формирование УС.
Недостатки горизонтального микропрограммирования:
¨ большая длина операционной части микрокоманды, что ведет к значительным затратам памяти микропрограмм.
В случае вертикального микропрограммирования из операционной части микрокоманды считывается двоичный код, равный номеру управляющей точки (код микрооперации) в которую необходимо послать управляющий сигнал. Операционная часть микрокоманды должна содержать N полей, где N – максимальное количество совместно выполняемых в каждом такте микроопераций. Разрядность каждого поля операционной части микрокоманды определяется по формуле m ≥ log2 М, где М – число управляющих точек ЭВМ, равное числу управляющих сигналов. После считывания микрокоманды, код микрооперации расшифровывается дешифратором, и на одном из его выходов формируется управляющий сигнал.
Достоинством вертикального микропрограммирования:
¨ уменьшение длины микрокоманды,
¨ сокращаются затраты микропрограммной памяти.
Недостатки:
¨ наличие сложных дешифраторов на большое число микроопераций,
¨ в каждой микрокоманде указывается не больше N микроопераций, что приводит к увеличению длины микропрограмм, а значит и к уменьшению быстродействия ЭВМ.
В наше время распространение получили устройства управления со смешанным микропрограммированием, иначе называемым горизонтально-вертикальным.
Длина операционной части в этом случае равна 
, где
Mi – число микроопераций, представленных в i-ом поле.
С целью уменьшения длины операционной части микрокоманды может применяться косвенное кодирование микрооперации: в операционную часть микрокоманды с этой целью вводят дополнительные поля, содержимое которых может изменять коды микрооперации основных полей, то есть выходы дешифратора дополнительных полей используются для управления дешифратором основных полей. Косвенное кодирование уменьшает длину микрокоманды, но снижает быстродействие из-за потери времени на дешифрацию дополнительных полей.
Существуют два вида адресации микрокоманд:
¨ принудительная адресация;
¨ естественная адресация.
При естественной адресации адрес следующей микрокоманды принимается равным увеличенному на единицу адресу предыдущей микрокоманды. В этом случае отпадает необходимость во введении адресной части в каждую микрокоманды. Если микрокоманды идут в естественном порядке, то процесс адресации реализуется счетчиком адреса микрокоманды. Для организации безусловных или условных переходов в микропрограмму включаются дополнительные управляющие микрокоманды.
Принудительная адресация микрокоманды заключается в том, что в каждой микрокоманде указывается адрес следующей микрокоманды. Адрес следующей микрокоманды может задаваться безусловно, независимо от значений признаков (осведомительных сигналов, отображающих текущее состояние операционных блоков процессора) или выбираться по условию, определяемому текущими значениями осведомительных сигналов. Для этого в адресную часть МК кроме адресных полей включаются поля для задания условий (осведомительных сигналов).
Обобщенная структура блока микропрограммного управления (БМУ) представлена на рис. 5.10.
Формирователь адреса микрокоманды (ФАМ) – предназначен для формирования адреса следующей микрокоманды с учетом множества осведомительных сигналов {X} из операционных блоков ЭВМ и адресной части (АЧ) предыдущей микрокоманды.
Микропрограммная память (МПП) хранит микрооперации и по сформированному адресу в каждом такте выдает значение кода очередной микрокоманды, которая записывается в регистр микрокоманд (РМК). С точки зрения физической реализации управления МПП делится на два вида: память с постоянно записанной информацией и память, допускающая перезапись информации. Память с постоянно записанной информацией (ПЗУ) работает только на чтение информации и, как правило, является более быстродействующей и простой по управлению, нежели память с перезаписью. В то же время память, допускающая перезапись, предоставляет больше дополнительных возможностей для повышения эффективности работы процессора за счет постоянного совершенствования алгоритмов выполнения операций.
Поля операционной части (ОЧ)при необходимости дешифруются дешифраторами ДШ1 - ДШ1N для выработки множества управляющих сигналов {Y}.
Первоначальное обращение к командам микропрограммы осуществляется по начальному адресу (НА), который соответствует коду операции выполняемой команды.
Использование в составе устройства управления блока микропрограммного управления (в качестве блока управления операциями) приводит к двухуровневому принципу управления процессом обработки данных:
1-ый уровень – система команд ЭВМ (программное управление).
2-ой уровень – микропрограммное управление.
Возникает задача организации перехода от одного уровня к другому.
Проследить решение этой задачи можно по упрощенной схеме процессора с микропрограммным управлением (рис.5.11).
По содержимому счетчика адреса команд (СЧАК) из памяти программ (кэш-памяти) выбирается команда и записывается в регистр команд (РК). Код операции из РКОП подается на дешифратор начального адреса (ДШНА), который на выходе формирует адрес первой микрокоманды микропрограммы, соответствующей данному коду операции. ДШНА реализуется на ПЗУ или ПЛМ (программируемой логической матрице). Под управлением микрокоманд выполняются все последующие действия. Адрес операнда из регистра адреса РА передается в память данных, осуществляется выборка операнда и занесение его в регистр общего назначения (СОЗУ) или в АЛУ. В АЛУ выполняется определенная микропрограммой операция, результат записывается в РОН или память данных.
Для RISC процессоров выгоднее использовать аппаратное управление (автоматы с жесткой логикой). Для расширенного набора сложных команд, как, например, в CISC процессорах, наиболее эффективно (с точки зрения затрат на оборудование) микропрограммное управление. Однако оно приводит к уменьшению быстродействия, так как увеличивается время, затрачиваемое на выработку управляющих сигналов. Главный же плюс микропрограммного управления – гибкость, позволяющая наращивать систему команд процессора путем изменения содержимого микропрограммной памяти.
Пример – технология MMX. В процессор Pentium были добавлены 57 новых команд. Аппаратные средства остались без изменения.
Все темы данного раздела:
Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ
Основным техническим параметром ЭВМ является ее быстродействие.Быстродействие ЭВМ - среднестатистическое число операций (кроме операций ввода, вывода и обращения к внешним запомина
Третье поколение (1964-1976)
Характеризуется широким применением интегральных схем (ИС) с многослойным печатным монтажом. ИС (кристалл) - это законченный функциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме,
Пятое поколение (настоящее время)
Зарождается в недрах четвёртого поколения ЭВМ и в значительной мере определяется результатами работы Японского комитета по научным исследованиям в области ЭВМ. Согласно этому проекту ЭВМ пятого пок
Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый - взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций
Обрабатывающая подсистема
Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специализации составляющих ее устройств. Создаются специальные средст
Подсистема памяти
Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:
¨ сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш-память первого и
Подсистема управления и обслуживания
Подсистема управления и обслуживания - это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной производительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удоб
Архитектуры ЭВМ
Под архитектурой ЭВМ понимается функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических сре
SISD-компьютеры
Компьютеры с CISC архитектурой
Компьютеры с CISC(Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операц
Компьютеры с суперскалярной обработкой
Еще одной разновидностью однопотоковой архитектуры является суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, поз
SIMD-компьютеры
SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) или ОКМД - один поток команд и множество потоков данных. SIMD компьютеры состоят из одного командного процессора (управляюще
Матричная архитектура
Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора (потоков данных), объед
ММХ технология
Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Технология MMX представляет собой компромиссное
MISD компьютеры
Рис.2.4. MISD
MIMD компьютеры
Рис. 2.5. MIM
Многопроцессорные вычислительные системы
Сильно-связанные вычислительные системыили многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памя
Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной.
В МПВС с общей шиной(Shared Memory Proccessing – мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2, ..., ПМ, модули памяти МП1, МП2, .... МПК, уст
Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями ОП.
В МПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному в
Многомашинные комплексы
Вычислительные системы со слабой связью или распределенные вычислительные системы, как правило, представляются многомашинными комплексами, в которых отдельные компьютеры объединяют
ММР архитектура
Другим примером реализации слабосвязанной архитектуры являются системы с массовым параллелизмом (МРР), состоящие из десятков, сотен, а иногда и тысяч процессорных узлов. Строгой гр
Структура и форматы команд ЭВМ
Обработка информации в ЭВМ осуществляется путём программного управления.
Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности к
Форматы команд ЭВМ
В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация объект адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, ка
Способы адресации
Существует два различных принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный.
Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр соде
Относительная адресация
Базирование способом суммирования.В команде адресный код Ак разделяется на две составляющие: Аб - адрес регистра в регистровой памяти , в котором хранится баз
Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
Одним из эффективных средств совершенствования архитектуры современных ЭВМ является теговая организация памяти, при которой каждое хранящееся в памяти (или регистре) слово снабжается указателем - т
Логическая структура ЦП
Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные э
Характеристики процессора
Говоря о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунд
Регистровые структуры центрального процессора
Набор регистров и их структуры рассмотрим на примере процессоров Intel с CISC-архитектурой. Можно выделить следующие группы регистров:
1. Основные функциональные регистры (
Основные функциональные регистры
Содержимое этих регистров определяется текущей задачей, т.е. в эти регистры автоматически загружается новое значение при переключении задач.
Регистры общего назначения.Вос
ЦУУ с жесткой логикой.
Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) – представляет собой логическую схему, вернее совокупность логических схем, вырабатывающих распределенные во времени функциональные управля
Процедура выполнения команд
Стандартные фазы работы ЦП включают в себя:
¨ выборку команды, вычисление адреса и выборку операндов,
¨ выполнение команды и запись результатов,
¨ обработку п
ЯЗЫК МИКРООПЕРАЦИЙ
Микрокоманда – совокупность микроопераций, выполняемых параллельно во времени.
Микрооперация - элементарная функциональная операция, производящая какое-либо элементарное д
Описание слов, регистров и шин
Описание n-разрядного слова на языке микроопераций содержит его название - идентификатор и разрядный указатель. Разрядный указатель состоит из номеров старшего и младшего разрядов слова, разделенны
Описание микроопераций
Микрооперация осуществляет некоторое элементарное преобразование над данными. Это преобразование может быть логическим (выполняется над операндом поразрядно), арифметическим или функциональным.
АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
АЛУ – одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации.
Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на сле
Структура алу
Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 7.1) включает:
- блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;
- операционный блок, в котором осуществляется преобразовани
Сумматоры
Сумматоры АЛУ делятся:
¨ по типу использования для суммирования базовых элементов (комбинационные и накапливающие);
¨ по способу осуществления операции суммирования (после
Методы повышения быстродействия АЛУ
Одним из таких методов является реализация принципа локального параллелизма. Суть этого принципа – в распараллеливании во времени алгоритма выполняемой отдельно команды на ряд неза
ПАМЯТЬ ЭВМ
Память – один из блоков ЭВМ, состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).
Основными характе
Организация внутренней памяти процессора.
В архитектуре современных ЭВМ стал стандартным прием организации регистров общего назначения в виде СОЗУ с прямой адресацией (адреса регистров размещаются в команде). В машинах с коротким словом, в
Оперативная память и методы управления ОП
Оперативная память (system memory) - имеет относительно небольшую емкость - от 8 до 128 Мбайт (в некоторых машинах - больше). Количество и быстродействие оперативной памяти оказыва
Организация виртуальной памяти.
Виртуальная память возникла как средство решения проблемы размещения в ОП программ, размер которых значительно превышает имеющуюся в наличии свободную память.
Виртуальным
Страничное распределение.
Рис. 8.9. Страничное распределение памяти
Виртуальное адресное пространство каждого процесса (пр.1 и пр.2, см. рис. 8.9)
Сегментное распределение.
При страничной организации памяти ВА – пространство процесса делится на механически равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свой
Странично - сегментное распределение.
Данный метод сочетает в себе достоинства обоих подходов, представляя собой их комбинацию. Всё виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент – на страницы. ОП при
Свопинг
Разновидностью виртуальной памяти является свопинг.
Для того, чтобы задача могла начать выполняться, она должна быть загружена в ОП, объем которой ограничен.
На рис. 8.14 показан
Выборка широким словом.
Прямой способ сокращения числа обращений к ОП состоит в организации. выборки широким словом. При выборке широким словом за одно обращение к ОП производится одновременное считывание (или запись) нес
Расслоение сообщений.
Другой способ повышения пропускной способности ОП связан с построением памяти, состоящей на физическом уровне из нескольких модулей (банков) с автономными схемами адресации, записи и чтения. При эт
Типовая структура кэш-памяти
Рассмотрим типовую структуру кэш-памяти (рис. 8.18), включающую основные блоки, которые обеспечивают её взаимодействие с ОП и центральным процессором.
Прямое распределение.
При прямом распределении место хранения строк в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки. Структура кэш-памяти с прямым распределением показана на рис. 8.19.
Полностью ассоциативное распределение.
При таком способе размещения данных каждая строка основной памяти может быть размещена на месте любой строки кэш-памяти. Структура кэш-памяти с полностью ассоциативным распределением выглядит как п
Частично ассоциативное распределение.
При данном способе размещения, несколько соседних строк (фиксированное число, не менее двух) из 128 строк кэш-памяти образуют структуру называемую группой. Структура кэш-памяти, основанная на испол
Распределение секторов.
По этому способу основная память разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа строк, кэш-память также разбивается на секторы, состоящие из такого же числа строк. Допустим, в секторе 16
Методы обновления строк в основной памяти
В таблице 8.1. приведены условия сохранения и обновления информации в ячейках кэш-памяти и основной памяти.
Если процессору требуется информация из некоторой ячейки основной памяти, а копи
Системы внешней памяти
Системы внешней памяти - это hard disc, то есть жесткий диск, floppy disc, то есть гибкий диск или дискета, CD-ROM и некоторые другие.
Жесткий диск, или винчестер (
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММ
Во время работы ЭВМ внутри нее самой или во внешней среде (в объекте, управляемом ЭВМ) могут возникнуть события, требующие немедленных ответных действий.
Прерывание программы
Характеристики системы прерываний
Для оценки эффективности систем прерываний могут быть использованы следующие характеристики:
Общее число запросов прерывания (входов в систему прерываний).
Программно-управляемый приоритет прерывающих программ
Относительная степень важности программ, их частота повторения, относительная степень срочности в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных соотношений. П
Организация перехода к прерывающей программе
Вектор начального состояния прерывающей программы называют вектором прерывания.Он содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный
Каналы ввода-вывода
Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспе
ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ШИН
Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в таблице 10.1.
Табл. 10.1
Характеристики стандартных шин.
Тип/
Общие положения
Вычислительные системы относятся к категории сложных систем. При рассмотрении вопросов, связанных с их построением и функционированием, выделяют элементы системы и подсистемы как составные части ст
Понятие открытой системы
Широкое распространение информационно-вычислительных систем в самых разных областях современной жизни: промышленности, финансах, образовании и культуре, - делает актуальным вопрос о создании некото
Кластерные структуры
Кластерные структуры или просто кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже инсталлированных компьютеров.
Кластер представляет собой набор
Библиографический список
1. Большая Советская энциклопедия
2. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы.-М.:Наука.- 1980.
3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы.-М.:Энергия.-199
Новости и инфо для студентов