Файл: 1-337.pdf

3 2 6 Глава 6. Устройства управления

4. Какие аргументы и результат имеет функция ЦФ-ФИА? Сколько модифика-

ций она поддерживает?

5. Какие аргументы и результат имеет функция ЦФ-ВО?
6. Какие аргументы и результат имеет функция ЦФ-ИО? Сколько модификаций

она поддерживает?

7. Какие этапы включаются в машинный цикл команды типа «Сложение»?
8. Какие этапы входят в машинный цикл команды типа «Запись»? Обоснуйте от-

сутствие одного из этапов.

9. Какие этапы входят в машинный цикл команды типа «Условный переход»?

Обоснуйте отсутствие двух этапов.

10. Дайте характеристику входной и выходной информации модели  У.

 На какие две части делится структура УУ? Что входит в состав каждой части?

Какое назначение имеют элементы частей УУ?

12. Обоснуйте название МПА с жесткой логикой.

13. Перечислите достоинства  недостатки МПА с жесткой логикой.
14. Обоснуйте название МПА с программируемой логикой. Сформулируйте дос-

тоинства и недостатки таких МПА.

15. Дайте характеристику элементов структуры МПА с программируемой ло-

гикой.

 Объясните принцип управления на основе МПА с программируемой логикой.

17. Какие способы кодирования микрокоманд вы знаете? Перечислите их досто-

инства и недостатки.

 Чем отличается принцип прямого кодирования микрокоманд от принципа кос-

венного кодирования?

 чем заключается суть нанопрограммирования?

20. Поясните подходы к адресации микрокоманд, охарактеризуйте их сильные

и слабые стороны.

 Какие способы организации памяти микрокоманд вы знаете, чем они обуслов-

лены?

22. В каких случаях в МПА следует применять ПЛМ, а не ПЗУ? Ответ аргументи-

руйте.

23. Сформулируйте числовые параметры МПА с программируемой логикой. От

чего они зависят?

24. Выберите функциональную организацию и структуру МПА с программируемой

логикой. Для заданной системы команд рассчитайте числовые параметры МПА.

25. Выберите функциональную организацию и структуру УУ  МПА с програм-

мируемой логикой. Напишите микропрограммы реализации всех способов ад-
ресации заданной системы команд.

26. Поясните методику минимизации количества слов памяти микрокоманд.
27. Охарактеризуйте методику минимизации разрядности микрокоманд.
28. Какие подходы к повышению быстродействия МПА с программируемой логи-

кой вы знаете? Опишите их достоинства и недостатки.

Глава 7

Операционные устройства

вычислительных машин

В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической

обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство

 Учи-

тывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, ре-
ально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализирован-
ных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное
подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных сис-

темой команд ВМ. С этих позиций следует выделить:

• ОПУ целочисленной арифметики;
• ОПУ для реализации логических операций;
• ОПУ десятичной арифметики;
• ОПУ для чисел с плавающей запятой.

На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операци-

онного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в совре-

 ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представ-

ленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать
на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, будем счи-
тать, что АЛУ образуют два вида операционных устройств: целочисленное ОПУ
и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ).

В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации

лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чи-
сел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно про-

 обеспечить выполнение остальных арифметических и логи-

ческих операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм
представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобный вариант
не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расшире-
ния технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ по-
стоянно возрастает.

3 2 8 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

Порядок следования целевых функций полностью определяет динамику рабо-

ты устройства управления и всей

 в целом. Этот порядок удобно задавать и отоб-

ражать в виде

 граф-схемы этапов

 исполнения команды (ГСЭ). Как и граф-схема

микропрограммы, ГСЭ содержит начальную, конечную, операторные и условные
вершины. В начальной и конечной вершинах проставляется условное обозначе-
ние конкретной команды, а в условной вершине записывается логическое усло-
вие, влияющее на порядок следования этапов. В операторные вершины вписыва-
ются операторы этапов.

По форме записи оператор этапа — это оператор присваивания, в котором:

• слева от знака присваивания указывается наименование результата действий,

выполненных на этапе;

• справа от знака присваивания записывается идентификатор целевой функции,

определяющей текущие действия, а за ним (в скобках) приводится список ис-
ходных данных этапа.
Исходной информацией для первого этапа служит хранящийся в счетчике ко-

манд адрес А

Ki

 текущей команды

 Процесс выборки команды отображается опе-

ратором первого этапа: Кi :=

Адрес

 обеспечивает также второй этап, результатом которого является адрес

следующей команды

 поэтому оператор второго этапа имеет вид:

 :=

В качестве исходных данных для третьего этапа машинного цикла выступают

содержащиеся в коде текущей команды способ адресации САi (он определяет конк-
ретную модификацию ЦФ-ФИАО) и код адресной части

 Результатом стано-

вится исполнительный адрес операнда

Полученный адрес используется на четвертом этапе для выборки операнда

Результат исполнения операции

 получаемый на пятом этапе машинного цик-

ла, зависит от кода операции

 команды

 (определяет модификацию ЦФ-ИО),

кода первого операнда

 и кода второго операнда — результата предыдущей

операции P0i-1: РОi

 Р0i-1).

В соответствии со структурой граф-схемы этапов все команды ВМ можно раз-

делить на три типа:

• команды типа

 (Сл);

• команды типа «Запись» (Зп);
• команды

 «Условный переход» (УП).

Типовые граф-схемы этапов представлены на рис. 6.1.
Видно, что количество этапов в командах типа

 (см. рис.

 а)

 колеблется

от трех (для непосредственной адресации НА) до пяти. При непосредственной адре-
сации второй операнд записан в адресной части команды, поэтому нет необходимо-
сти в реализации устройством управления целевых функций ЦФ-ФИА, ЦФ-ВО. Ко-

личество этапов для команд типа «Зп» постоянно и равно четырем (см. рис.

 б

 ) —

здесь отсутствует необходимость в ЦФ-ВО. Машинный цикл команд типа «УП»

состоит из трех этапов (см. рис. 6.1,

 в),

 поскольку здесь, помимо выборки операн-

да, можно исключить и этап ФАСК — действия, обычно выполняемые

 этом эта-

пе, фактически реализуются на этапе ИО.

Структуры операционных устройств  3 2 9

На рис. 7.1 показана динамика изменения соотношения между аппаратной

и программной реализациями функций АЛУ по мере развития элементной базы
вычислительной техники. Здесь подразумевается, что по вертикальной оси откла-

дывается календарное время.

Структуры операционных устройств

Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, назы-
вается

 структурным базисом.

 Структурный базис ОПУ включает в себя:

• регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;
• управляемые шины, предназначенные

 передачи слов данных;

• комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций

и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.
Используя методику, изложенную в [21], можно синтезировать ОПУ с так на-

зываемой канонической структурой, являющуюся основополагающей для синте-
за других структур. Такая структура образуется путем замены каждого элемента
реализуемой функции соответствующим элементом структурного базиса. Кано-
ническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с дру-
гими вариантами структур, однако по затратам оборудования является избыточной.
С практических позиций больший интерес представляют два иных вида структур
ОПУ: жесткая и магистральная.

Операционные устройства с жесткой структурой

В ОПУ с жесткой структурой комбинационные схемы жестко распределены меж-

ду всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных
схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ
с жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение»,
приведен на рис. 7.2.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

• регистр первого слагаемого

 и схема

• регистр второго слагаемого

 и схема

• регистр суммы

 и схема комбинационного сумматора

3 3 0

 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

Логическая схема

реализует микрооперации передачи второго слагаемого из

на

 вход сумматора:

• прямым

(по сигналу управления

• инверсным кодом

(по сигналу управления

• со сдвигом на один разряд влево

(по сигналу управления

Логическая схема

обеспечивает передачу результата из регистра

в регистр
• прямым

• со сдвигом

 один разряд влево

(по сигналу управления

(по сигналу управления

• со сдвигом на два разряда вправо

(по сигналу управления

Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или

по модулю 2) операндов, поступивших на его левый

 и правый

 входы.

Результат суммирования заносится в регистр

(по сигналу уп-

 сигналу управления

Моделью ОПУ с жесткой структурой является так называемый /-автомат,

с особенностями синтеза которого можно ознакомиться в

 25].

Аппаратные затраты на ОПУ с жесткой структурой

 можно оценить по вы-

ражению

где

 N—

 количество внутренних слов

 — длины слов;

 п

 =

 (п1+

 ... +

— средняя длина слова;

 количество микроопераций типа

 j

 К

 (сложе-

ние, сдвиг, передача и т. п.), используемых для вычислений слов с номерами  = 1,2,
...,

 — цена триггера;

 —

 цена одноразрядной схемы для реализации микро-

операции j-го типа.

В приведенном выражении первое слагаемое определяет затраты на хранение

n

-разрядных слов, второе — на связи регистров с комбинационными схемами,

равления