9. 3.2.3. Организация микропрограммных устройств управления.

Идея микропрограммного управления заключена в замене схемной реализации УУ (точнее СФУФС) программируемым устройством.

В самом деле, пример построения СФУФС привел нас к необходимости выдавать в блоки ЭВМ определенную последовательность наборов двоичных сигналов (двоичных слов). Это значит, что работа компьютера в рамках реализации каждой микрооперации может быть закодирована, а коды могут храниться в специальном ЗУ.

Код, соответствующий информации о наборе выполняемых в один машинный такт микроопераций называется микрокомандой.

Из последовательности микрокоманд составляется команда. Иначе говорят: каждая команда разворачивается в микропрограмму. Сколько микрокоманд обычно входит в команду? – От 3 до 50.

Идея микропрограммирования впервые была высказана еще в 1951г. Уилксом. Любопытно, что Уилкс рассматривал свою идею как средство упорядочения проектирования схем управления ЭВМ (звучит очень современно в связи с внедрением САПР). Своего часа микропрограммированию пришлось ждать более десяти лет, когда появились ЭВМ третьего поколения, в частности машины серии 360 фирмы IBM. Причем в микропрограммировании обнаружили и другие достоинства:

1. Расширение списков команд, усложнение команд (команды сложения с двойной точностью – простой типичный пример) чрезвычайно усложняют схемное проектирование. Особенно это касается таких команд: команды с полями переменной длины, десятичной арифметики, редактирования и т.д. Формализация в виде синтеза КА ведёт к необозримым по сложности графам состояний.

2. Если можно менять содержимое микропрограммного ( МП) ЗУ, то это значит, что можно менять систему команд. Это удобно, поскольку систему команд можно таким образом «настраивать» на решаемые задачи. Долгое время это считалось главным преимуществом, но со временем убедились, что для смены системы команд необходимо глубокое знание не только решаемых задач, но и структуры ЭВМ на уровне регистровых передач. То есть требуются по сути дела знания разработчика ЭВМ, а рядовой пользователь их не имеет и не хочет иметь. Поэтому это преимущество микропрограммирования используется при построении специализированных вычислительных устройств и систем. Но …

3. Отмеченная гибкость, сменяемость систем команд имеет очень важное достоинство «эмуляции» ЭВМ. На уровне микрокоманд мы можем задать систему команд любой другой машины, причем в этом зачастую оказываются заинтересованными разработчики ЭВМ. Во-первых, это позволяет пользователю «подменить» ЭВМ; во-вторых, можно использовать все программное обеспечение (а оно ныне очень дорогое) эмулируемой машины.

4. Упорядочение процесса проектирования (цель Уилкса); удается формализовать и разграничить задачи схемотехников и микропрограммистов и, далее, автоматизировать проектирование.

5. Микропрограммные ЗУ как всякие ЗУ являются схемами с регулярной структурой. Такие схемы проще диагностировать. Это ведет к повышению надежности вычислительной машины.

<135>

Типы (классификация) МП УУ:

1. По типу используемого ЗУ: статические (на ПЗУ, ПЛМ) и динамические (на ОЗУ), что ведет к еще большей гибкости.

2. По способу адресации очередной МК: с естественной и принудительной адресациями.

3. По временному распределению выполнения МК: последовательные и параллельные (совмещение фаз, конвейерные режимы).

4. По способу кодирования МК: горизонтальные (минимальное кодирование) и вертикальные (максимальное кодирование). При горизонтальном кодировании каждому разряду МК соответствует свой УФС.

5. По способу исполнения МК: малофазные (однофазные) и полифазные МК. Отсюда один шаг до пикопрограммирования.

Рис. 3.2.3.1. Структурная схема МП УУ Уилкса - Стринджера.

р₁-р_n – от триггеров условий.

Как работает такая схема?

Очередная МК выбирается из ЗУМК по содержимому РгМК (точнее, его части – по Рг номера МК) и КОП текущей команды. Это значит, что при таком УУ одному и тому же содержимому РгМК могут соответствовать различные МК, что определяется дополнительной информацией из РгК. Это дает возможность сократить объем ЗУМК, но усложняет ДшМК. Первая МК естественно выбирается сугубо по содержимому КОП.

Ветвления в микропрограммах организуется в зависимости от сигналов р_i (либо ). Попытка классификации это МП УУ: с принудительной адресацией, последовательное, с максимальным кодированием. Устройство универсально, но сложна реализация ДшМК, поэтому применяются не в чистом виде, а с модификациями.

<136>

Современные МП УУ имеют те же структурные идеи.

Рис. 3.2.3.2. Обобщенная структура современных Мп УУ.

УФАМК – узел формирования адреса следующей МК. Отличия заключаются лишь в принятых к рассмотрению структурах МП УУ, а точнее в принятых способах адресации следующей МК: принудительная и естественная.

Если адресация принудительная, то микропрограммы очень гибкие (размещение МК по всему полю адресов), легче совершенствовать систему команд микропрограмм), проще организация условных переходов. Недостатки: сложнее УФАМК, длиннее МК.

Если же адресация естественная, то используется счетчик МК. УФАМК «вырождается» в схему управления СчМК, но для организации условных и безусловных переходов либо требуется адресная часть МК, либо изменяется «шаг счета» (+2, либо +4 вместо +1).

Спор между МП УУ и аппаратными УУ ныне, несмотря на все преимущества МП УУ, не завершен. Причину этому наиболее наглядно демонстрирует такой условный график:

Рис. 3.2.3.3.

Для специализированных машин целесообразнее использовать аппаратные УУ.

<137>