5.Организация операционных устройств

О бработка информации в ЭВМ осуществляется в ЦП, в частности, в АЛУ (основная обработка), а также в контроллерах ПУ (вспомогательная, предварительная обработка). Все эти устройства – АЛУ, КПУ – по принципам организации, построения относятся к классу ОУ и предназначены для выполнения операций из списка операций F по инициативе ЦП (рисунок 5.1). Принципы построения всех этих устройств едины, поэтому сначала рассмотрим их (как теорию, абстракцию), а затем перейдем к рассмотрению конкретных устройств: АЛУ и т.д.

5.1Принцип микропрограммного управления (функциональная организация операционных устройств)

Организация ОУ базируется на принципе микропрограммного управления, основные положения которого можно сформулировать в виде следующих 4 тезисов.

1. Любая операция f_g F рассматривается как сложное действие и разделяется на совокупность элементарных действий, называемых микрооперациями (МО). Выполнение каждой МО осуществляется специальной комбинационной схемой (КС) за один такт машинного времени.

2. Порядок выполнения МО задается алгоритмом операции f_g F и зависит от значений логических условий (ЛУ). ЛУ принимают значения истина или ложь в зависимости от значений операндов. ЛУ используются в качестве условий альтернативных переходов в алгоритмах операций.

3. Алгоритм, представленный, записанный в терминах МО и ЛУ, называется микропрограммой (МП). МП задает порядок выполнения МО и проверки ЛУ во времени.

4. Совокупность микропрограмм МП₁, …, МП_g задает функцию ОУ.

В качестве примера рассмотрим операцию умножения fg F. Пусть это будет простейший вариант - умножение правильных дробей в прямом коде (например, умножение мантисс чисел в формате с плавающей запятой): С=АВ. Формат операндов А, В, разрядность k=15:

Произведение С представить в том же формате, т.е. округлить до k разрядов (произведение двух k-разрядных чисел дает 2k-разрядный результат).

Алгоритм умножения (словесный):

1. Будущему произведению С присвоить нулевое значение (С:=0).

2. Если младший разряд множителя В(15) равен 1, то произведение С увеличить на А (С:=С+А).

3. П роизведение С и множитель В совместно сдвинуть на один разряд вправо:

4. Действия 2,3 повторить для всех k=15 цифр множителя В.

5. Произведение С округлить по значению k+1 разряда произведения.

6. Сформировать знак произведения: С(0):=А(0)В(15).

Этот же алгоритм в графической форме - в виде так называемой граф-схемы алгоритма (ГСА) – представлен на рисунке 5.2.

Здесь СЦ - счетчик циклов. Как видно из этого примера, операция умножения разделяется на 7 МО, основные из которых сложение (реализуется за один такт комбинационным двоичным сумматором) и сдвиг (реализуется сдвигателем). Порядок выполнения МО зависит от значений трех ЛУ (осведомительных сигналов): В(15), В(0), СЦ=0. ГСА умножения задает порядок выполнения МО и проверки ЛУ во времени. Например, в зависимости от В(15) в следующий момент времени, в следующем такте будет выполняться либо МО сложения С:=С+А (если В(15)=1), либо МО сдвига, если В(15)=0.

Выводы: 1) Обработка информации с помощью ОУ осуществляется

Рисунок 5.2

путем выполнения операций из списка F в последовательности, которая задается алгоритмом (программой) решения задачи: ЦП, выполняя программу, распределяет выполнение операций, предписанных командами программы, между различными ОУ - АЛУ, контроллерами ПУ.

2) Запуск (инициализация) операции f_gF осуществляется путем подачи кода операции в ОУ из ЦУУ.

3) Реализация операции f_g осуществляется путем выполнения МО в порядке, заданном микропрограммой, хранимой внутри ОУ (т.е. без участия ЦУУ).

4) Работа (функционирование) ОУ осуществляется тактами. Реализация МПg в общем случае занимает различное количество тактов n, т.е. время выполнения операции t_g =nT, где Т-продолжительность такта.

Итак, принцип микропрограммного управления является основой организации (построения) ОУ. Нетрудно увидеть, что они (эти тезисы) достаточно схожи с фон Неймановскими тезисами программного управления.

1. И там, и здесь в основу управления положен алгоритм. Только у Неймана он представляется в виде программы и поступает в процессор извне (из ОП извлекается процессором). Здесь алгоритм в виде МП уже находится внутри ОУ.

2. При выполнении программы ЦП генерирует определенную последовательность операций, реализуемых ОУ. При выполнении операции f_g ОУ генерирует последовательность МО, реализуемых комбинационными схемами КС.

Отличия между этими принципами: 1)операция - сложное действие, для реализации которого необходимо ОУ. МО - элементарное действие, для реализации которого достаточно КС. 2)Операция выполняется за n тактов: t_опер=nT. МО выполняется за 1 такт (алгоритм - в КС)