Файл: Архитектура ЭВМ.doc

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как следует из его названия, предназначено для арифметической и логической обработки данных. В машине, изображенной па рис. 16.1, оно содер­жит следующие узлы.

Операционный блок (ОПБ) представляет собой ту часть АЛУ, которая, собствен­но, и выполняет арифметические и логические операции над поданными на вход операндами. Выбор конкретной операции из возможного списка операций для дан­ного ОПБ определяется кодом операции команды. В нашей ВМ код операции по­ступает непосредственно из регистра команды. В реальных машинах КОп зачас­тую преобразуется в МПА в иную форму и уже из микропрограммного автомата поступает в АЛУ. Операционные блоки современных АЛУ строятся как комбина­ционные схемы, то есть они не обладают, внутренней памятью и до момента сохра­нения результата операнды должны присутствовать на входе блока.

Регистры операндов регистры РХ и PY обеспечивают сохранение операндов на входе операционного блока вплоть до получения результата операции и его записи (в нашем случае I в аккумулятор).

Регистр признаков (РПрз) предназначен для фиксации и хранения признаков (фла­гов), характеризующих результат последней выполненной арифметической или логической операции. Такие признаки могут информировать о равенстве резуль­тата нулю, о знаке результата, о возникновении переноса из старшего разряда, пе­реполнении разрядной сетки и т. д. Содержимое РПрз обычно используется уст­ройством управления для реализации условных переходов по результатам операций АЛУ. Под каждый из возможных признаков отводится один разряд РПрз.

Формирование признаков осуществляется блоком формирования состояний регистра признаков, который может входить в состав ОПБ либо реализуется в виде внешней схемы, располагаемой между операционным блоком и РПрз.

Аккумулятор (Акк) — это регистр, на который возлагаются самые разнообразные функции. Так, в него предварительно загружается один из операндов, участвую­щих в арифметической или логической операции. В Акк может храниться резуль­тат предыдущей команды и в него же заносится результат очередной операции. Через Акк зачастую производятся операции ввода и вывода.

Строго говоря, аккумулятор в равной мере можно отнести как к АЛУ, так и к УУ, а в ВМ с регистровой архитектурой его можно рассматривать как один из регистров общего назначения.

Основная память

Вне зависимости от типа используемых микросхем основная память (ОП) пред­ставляет собой массив запоминающих элементов (ЗЭ), организованных в виде ячеек, способных хранить некую единицу информации, обычно один байт. Каж­дая ячейка имеет уникальный адрес. Ячейки ОП организованы в виде матрицы, а выбор ячейки осуществляется путем подачи разрешающих сигналов на соответ­ствующие строку и столбец этой матрицы. Это обеспечивается дешифратором адреса памяти, преобразующим поступивший из РАП адрес ячейки в разрешающие сигналы, подаваемые в горизонтальную и вертикальную линии, на пересечении которых расположена адресуемая ячейка. При современной емкости ОП для реа­лизации данных сигналов приходится использовать несколько микросхем запо­минающих устройств (ЗУ). В этих условиях процесс обращения к ячейке состоит из выбора нужной микросхемы (на основании старших разрядов адреса) и выбора ячейки внутри микросхемы (определяется младшими разрядами адреса). Первая часть процедуры производится внешними схемами, а вторая — внутри микросхем ЗУ.

Модуль ввода/вывода

Структура приведенного на рис.28 модуля ввода/вывода (МВБ) обеспечивает толь­ко пояснение логики работы ВМ. В реальных ВМ реализация этого устройства машины может существенно отличаться от рассматриваемой. Задачей МВВ явля­ется обеспечение подключения к ВМ различных периферийных устройств (ПУ) и обмена информацией с ними. В рассматриваемом варианте МВВ состоит из де­шифратора номера порта ввода/вывода, множества портов ввода и множества пор­тов вывода.

Портом называют схему, ответственную за передачу информации из периферий­ного устройства ввода в аккумулятор АЛУ (порт ввода) или из аккумулятора на периферийное устройство вывода (порт вывода). Схема обеспечивает электричес­кое и логическое сопряжение ВМ с подключенным к нему периферийным устрой­ством.

В модуле ввода/вывода рассматриваемой ВМ предполагается, что каждое ПУ под­ключается к своему порту. Каждый порт имеет уникальный номер, который указы­вается в адресной части команд ввода/вывода. Дешифратор номера порта ввода/ вывода (ДВВ) обеспечивает преобразование номера порта в сигнал, разрешающий операцию ввода или вывода па соответствующем порте. Непосредственно ввод (вывод) происходит при поступлении из МПА сигнала Вв (Выв).

15. Реализация микроопераций и микропрограмм. Понятие о микрооперациях и микропрограммах

Для пояснения логики функционирования ВМ ее целесообразно представить в виде совокупности узлов, связанных между собой коммуникационной сетью (рис.29.). Процесс функционирования вычислительной машины состоит из последова­тельности пересылок информации между ее узлами и элементарных действий, выполняемых в узлах. Понятие узла здесь трактуется весьма широко: от регистра До АЛУ или основной памяти. Также широко следует понимать и термин «элемен­тарное действие». Это может быть установка регистра в некоторое состояние или выполнение операции в АЛУ. Любое элементарное действие производится при Поступлении соответствующего сигнала управления (СУ) из микропрограммного автомата устройства управления. Возможная частота формирования сигналов на

Рис. 29. Вычислительная машина с позиций микроопераций и сигналов управления

выходе автомата определяется синхронизирующими импульсами, поступающими от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Элементарные пересылки или преобра­зования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхрониза­ции, называются микрооперациями. В течение одного такта могут одновременно выполняться несколько микроопераций. Совокупность сигналов управления, вы­зывающих микрооперации, выполняемые в одном такте, называют микрокоман­дой. Относительно сложные действия, осуществляемые вычислительной машиной в процессе ее работы, реализуются как последовательность микроопераций и мо­гут быть заданы последовательностью микрокоманд, называемой микропрограм­мой. Реализует микропрограмму, то есть вырабатывает управляющие сигналы, за­даваемые ее микрокомандами, микропрограммный автомат (МГТА).

Способы записи микропрограмм

Для записи микропрограмм в компактной форме используются граф-схемы алго­ритмов и языки микропрограммирования.

Граф-схема алгоритма (ГСА) имеет вид ориентированного графа. При построении графа оперируют пятью типами вершин (рис. 30).

Начальная вершина (см. рис. 30, а) определяет начало микропрограммы и не имеет входов. Конечная вершина (см. рис.30, б) указывает конец микропрограммы, поэтому

Рис.30. Разновидности вершин граф-схемы алгоритма: а — начальная; 6 — конечная; в — операторная; г — условная; д — ждущая

имеет только вход. В операторную вершину (см. рис.30, в) вписывают мик­рооперации, выполняемые в течение одного машинного такта. С вершиной связа­ны один вход и один выход. Условная вершина (см. рис.30, г) используется для ветвления вычислительного процесса. Она имеет один вход и два выхода, соответ­ствующие позитивному («Да») и негативному («Нет») исходам проверки усло­вия, записанного в вершине. С помощью ждущей вершины (см. рис.30, д) можно описывать ожидание в работе устройств. В этом случае выход «Да» соответствует снятию причины, вызвавшей ожидание.

Граф-схемы алгоритмов составляются в соответствии со следующими прави­лами:

1. ГСА должна содержать одну начальную, одну конечную и конечное множество операторных и условных вершин.

2. Каждый выход вершины ГСА соединяется только с одним входом.

3. Входы и выходы различных вершин соединяются дугами, направленными от выхода к входу.

4. Для любой вершины ГСА существует, по крайней мере, один путь из этой вер­шины к конечной вершине, проходящий через операторные и условные верши­ны в направлении соединяющих их дуг.

5. В каждой операторной вершине записываются микрооперации у, соответству­ющие одной микрокоманде Y.

6. В каждой условной вершине записывается один из элементов множества логи­ческих условий х.

7. Начальной вершине ставится в соответствие фиктивный оператор у_а, а конеч­ной — фиктивный оператор y_k. На рис.31. показан пример микропрограммы, записанной на языке ГСА.

Рис. 31. Пример граф-схемы микропрограммы

В примере микрокоманда У_х инициирует микрооперации y_t и у₆, микрокоманда Y₂ — микрооперациюу₂, a F₃- микрооперацииу₃,у_А,у₅ и у₇.