Файл: 1-337.pdf

Структуры операционных устройств

а третье  суммарную стоимость комбинационных схем, реализующих микроопе-
рации

 К

 над  словами.

Затраты времени на выполнение операций типа «сложение» в ОПУ с жесткой

структурой равны

 +  +

где  — длительность микрооперации выдачи операндов из регистров;  — про-
должительность микрооперации «сложение»;  — длительность микрооперации
приема результата в регистр.

Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие,

недостатком — малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких
ОПУ в виде больших интегральных схем.

Операционные устройства

с магистральной структурой

В ОПУ с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в от-

дельный узел регистров общего назначения

 а все комбинационные схе-

мы — в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином

«арифметико-логическое устройство».

Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью

магистралей — отсюда и название «магистральное ОПУ».

Пример магистрального ОПУ представлен на рис. 7.3.

Рис.

 7.3. Магистральное операционное

В состав узла РОН здесь входят

 N

 регистров общего назначения, подключае-

мых к магистралям A и В

 мультиплексоры

 MUX

 А и MUX В. Каждый из мульти-

плексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из
РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определя-
ется адресом а или b, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устрой-
ства управления.

 В операционных устройствах для обработки чисел с плавающей запятой вместо РОН часто исполь-

зуется отдельный узел регистров с плавающей запятой.

3 3 2 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, к ко-

торым подключается комбинационная схема, реализующая требуемую микроопе-
рацию (по сигналу управления из

 Таким образом, любая микрооперация ОПБ

может быть выполнена над содержимым любых регистров ОПУ. Результат мик-
рооперации по магистрали С заносится через демультиплексор

 С в конкрет-

ный регистр узла РОН. Демультиплексор представляет собой управляемый ком-
мутатор, имеющий один информационный вход и

 N

 информационных выходов.

Вход подключается к выходу с заданным адресом с, который поступает на адрес-

ные входы

 С из УУ.

Моделью ОПУ с магистральной структурой является

называется модель ОПУ, построенная на основе принципа объединения комбина-
ционных схем и реализующая в каждом такте только одну микрооперацию. Син-

тез

 рассматривается в [22].

Используя обозначения, введенные в предыдущем разделе, выражение для оцен-

ки аппаратных затрат на магистральное ОПУ можно записать в следующем виде:

где первое слагаемое определяет затраты

 N

 регистров, второе — затраты на свя-

зи узла РОН и ОПБ, а третье — суммарную цену ОПБ.

Из сопоставления выражений для затрат следует, что магистральная структура

экономичнее жесткой структуры, если

где

 —

 задержка на подключение операндов из РОН к ОПБ;

 —

 задержка

на подключение результата к РОН.

Основным достоинством магистральных ОПУ является высокая универсаль-

ность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию на кристаллах
Вообще говоря, магистральная структура ОПУ в современных ВМ является пре-

Классификация операционных устройств

с магистральной структурой

Магистральные ОПУ классифицируют по виду и количеству магистралей, орга-
низации узла РОН,

 ОПБ.

где

количество микроопераций, реализуемых

 с жесткой

С учетом последнего неравенства можно сформулировать следующее сильное

условие экономичности магистральных структур:

Затраты времени на сложение в магистральных ОПУ больше, чем в ОПУ с же-

сткой структурой:

Структуры операционных устройств  3 3 3

Магистрали ОПУ могут быть однонаправленными и двунаправленными, соот-

ветственно обеспечивающими передачу данных в одном или двух различных на-
правлениях. Типичным режимом работы магистрали является разделение времени,
при котором магистраль используется для передачи функционально разнотипных

данных в различные моменты времени.

По функциональному назначению выделяют:

•

 магистрали внешних связей,

 соединяющих ОПУ с памятью и каналами ввода/

вывода ВМ;

•

 внутренние магистрали ОПУ,

 отвечающие за связь между узлом РОН и опера-

ционным
Количество магистралей внешних связей зависит от архитектуры конкрет-

ной ВМ и обычно не превышает двух для внешних связей и трех — для внут-
ренних.

 рис. 7.4,  а соответствую-

щая ему микропрограмма выполнения операции типа «сложение» — на рис. 7.4,

 б.

Рис. 7.4.

 ОПУ: а — структура;

 б —

 микропрограмма сложения

Данный вариант характеризуется наибольшим быстродействием: выборка опе-

рандов из РОН, выполнение микрооперации суммирования и запись результата
в РОН — все эти действия производятся за один такт. Основной недостаток трех-
магистральной организации — большая площадь, занимаемая магистралями на кри-
сталле БИС (от 0,16 до 0,22 от площади кристалла).

Двухмагистральная организация при меньшей площади, покрываемой магист-

ралями (от 0,06 до 0,19 от площади кристалла), требует введения как минимум
одного буферного регистра (БР), предназначенного для временного хранения од-
ного из операндов

 а),

 при этом операция сложения будет выполняться

уже за два такта (рис. 7.5, б):

• Такт 1: загрузка БР одним из операндов.

•

 в ОПБ над содержимым БР и одного из

РОН; запись результата в
Наконец, организация ОПУ на основе только одной магистрали (рис. 7.6,

 а)

минимизирует расходы площади (от 0,03 до

 от площади кристалла).

В одномагистральном ОПУ, вместе  тeм, возникает необходимость введения

не менее двух буферных регистров БР1, БР2, и длительность операции возрастает

до трех Тактов (рис. 7.6,

3 3 4

 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

• Такт 1: загрузка

 одним из операндов.

• Такт 2: загрузка БР2 вторым операндом.

• Такт 3: выполнение микрооперации в ОПБ над содержимым БР1 и БР2; запись

результата в один из РОН.

Организация узла РОН магистрального

операционного устройства

Количество регистров в узле РОН магистрального ОПУ обычно превышает тот

минимум, который необходим для реализации универсальной системы операций.
Избыток регистров используется:

•

 для

 хранения составных частей адреса (индекса, базы);

• в качестве буферной, сверхоперативной памяти для повышения производитель-

ности

 за счет уменьшения требуемых пересылок между основной памятью

и ОПУ.

Количество регистров колеблется в среднем от 8 до 16, иногда может достигать

32-64. В процессорах с сокращенным набором команд количество РОН доходит
до нескольких сотен.

Структуры операционных устройств  3 3 5

Организация узла РОН может обеспечивать одноканальный или двухканаль-

ный доступ как по входу (записи), так и по выходу (считыванию). В первом случае
к входу узла подключается один демультиплексор, а к выходу — один мультиплек-
сор. Во втором случае доступ осуществляется с помощью двух демультиплексоров

и (или) двух мультиплексоров. Двухканальный доступ повышает быстродействие

ОПУ, так как позволяет обратиться параллельно к двум регистрам.

Организация операционного блока магистрального

операционного устройства

Тип операционного блока (ОПБ) определяется способом обработки данных. Раз-
личают ОПБ последовательного и параллельного типа.

В

 последовательном операционном блоке

 (рис. 7.7) операции выполняются по-

битово, разряд за разрядом.

Рис. 7.7. Последовательный операционный блок

Бит переноса, возникающий при обработке

 i

-го разряда операндов, подается на

вход ОПБ и учитывается при обработке (

i

+ l)-гo разряда операндов. Результат

побитово заносится в выходной регистр, предыдущее содержимое которого перед
этим сдвигается на один разряд. Таким образом, после

 п

 циклов в выходном реги-

стре формируется слово результата, где каждый разряд занимает предназначен-
ную для него позицию.

При

 параллельной организации операционного блока

 (рис 7.8) все разряды опе-

рандов обрабатываются одновременно. Внутренние переносы обеспечиваются схе-
мой ОПБ. Более подробно возможности организации переносов рассматриваются
позже.