Арифметико-логическое устройство

1.

Арифметико-логическое
устройство

2.

Вопросы лекции
• Принцип микропрограммного управления,
• операционный автомат,
• управляющий автомат,
• УА с «жесткой логикой»,
• УА с программируемой логикой.

3.

Принцип микропрограммного управления
Выработка
управляющих
сигналов
путем
последовательного считывания и декодирования
информационных слов, расположенных в ячейках
постоянной памяти.
Одно информационное слово, считанное из
постоянной
памяти,
представляет
собой
микрокоманду,
содержащую
информацию,
управляющую отдельными действиями в машине в
течение одного машинного такта.

4.

Преимущества
позволяет строить более регулярные схемы УА,
создавать эффективные системы диагностики для
автоматического поиска неисправностей, упрощает
документирование алгоритмов работы УА.

5.

Недостатки
трудность получения высокого быстродействия
машины, так как это требует резкого повышения
скорости работы микропрограммной памяти, и
наличие большого количества связей устройства
центрального управления машины с остальными
устройствами.

6.

Операционное устройство
- предназначено для выполнения операции над
операндами в соответствии с кодом выполняемой
команды.

7.

Функциональная и структурная организация
операционных устройств базируется на принципе
микропрограммного управления, который состоит в
следующем:

8.

Функция ОУ
выполнение
заданного
множества
операций
F={f1,...,fG}
над
входными
словами D={d1,...,dH} c целью вычисления
слов R={r1,...,rQ}, которые представляют результаты
операций R=fg(D), где g=1,2,...,G.

9.

Функциональная и
структурная организация
операционных устройств
базируется на принципе
микропрограммного
управления, который состоит
в следующем:

10.

1. Любая операция fg(g=1,...,G), реализуемая
устройством,
рассматривается
как
сложное
действие,
которое
разделяется
на
последовательность элементарных действий над
словами информации. Эти элементарные действия
называются микрооперациями.

11.

2. Для управления порядком следования
микроопераций используются логические условия,
которые в зависимости от значений слов,
преобразуемых микрооперациями, принимают
значения "ложь" или "истина" (1 или 0).

12.

3. Процесс выполнения операций в устройстве
описывается в форме алгоритма, который
представляется в терминах микроопераций и
логических
условий
и
называется микропрограммой. Микропрограмма
определяет порядок проверки значений логических
условий
и
следования
микроопераций,
необходимый
для
получения
требуемых
результатов.

13.

4. Микропрограмма используется как форма
представления функции устройства, на основе
которой определяется структура и порядок
функционирования устройства во времени.

14.

ИТОГ
Структура и порядок функционирования операционных
устройств предопределяется алгоритмом выполнения
операции F={f1,...,fG}.
К элементарным действиям над словами информации
микрооперациям относятся: передача информации из
одного регистра в другой, взятие обратного кода, сдвиг
и т.д.

15.

Операционный автомат
арифметико-логического
устройства

16.

17.

Операционный блок (ОПБ) представляет собой часть
АЛУ, которая выполняет арифметические и
логические операции над поданными на вход
операндами. Выбор конкретной операции из
возможного списка операций данного ОПБ
определяется кодом операции команды.

18.

Регистры РХ и PY обеспечивают сохранение
операндов на входе операционного блока вплоть до
получения результата операции и его записи в
аккумулятор (ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР).

19.

Регистр признаков (РПр) предназначен для фиксации и
хранения
признаков
(флагов),
характеризующих
результат последней выполненной арифметической или
логической операции.
Содержимое РПр обычно используется устройством
управления АЛУ и процессора для реализации условных
переходов по результатам операций АЛУ. Под каждый из
возможных признаков отводится один разряд РПр.

20.

Аккумулятор (Ак) — это регистр, который
выполняет
различные
функции;
в
него
предварительно загружается один из операндов,
участвующих в арифметической или логической
операции. В Ак может храниться результат
предыдущей команды и в него же заносится
результат очередной операции. Через Ак зачастую
производятся операции ввода и вывода.

21.

Устройство управления процессора
Функции управления ходом вычислительного
процесса, обеспечивая автоматическое выполнение
команд
программы,
реализует
устройство
управления (УУ) вычислительной машины.
Процесс выполнения программы в ВМ представляет
собой
последовательность
машинных,
так
называемых командных циклов.

22.

Структурная и функциональная организация
устройства управления процессора
В ходе выполнения типового командного цикла УУ
должно выполнять следующие основные функции:
• выборка команды из памяти;
• декодирование
операционной
части
(кода
операции), выбранной на предыдущем шаге
команды;

23.

• формирование адреса следующей команды; на это
выделяется специальный такт работы;
• формирование исполнительного адреса операнда
или адреса перехода; причем эта функция имеет
столько
модификаций,
сколько
способов
адресации (СА) предусмотрено в системе команд
ВМ;

24.

• выборка операнда из памяти по исполнительному
адресу, сформированному на предыдущем этапе;
• исполнение операции; причем количество ее
модификаций равно количеству операций в
системе команд ВМ.

25.

Элементарные
преобразования
информации,
выполняемые в течение одного такта сигналов
синхронизации
блока
УУ,
называются
микрооперациями (МО).
Совокупность сигналов управления, вызывающих
одновременно
выполняемые
микрооперации,
образует микрокоманду (МК).

26.

Последовательность микрокоманд, определяющую
содержание и порядок шагов при реализации
машинного
цикла,
принято
называть микропрограммой.
Сигналы управления вырабатываются устройством
управления, а точнее, основным его узлом –
микропрограммным автоматом (МПА).

27.

Обобщенная структура УУ

28.

В состав управляющей части УУ входят:
• регистр команды (РК), состоящий из адресной и
операционной частей;
• микропрограммный автомат (МПА);
• узел прерываний и приоритетов (УПП).

29.

В зависимости от способа формирования
микрокоманд различают микропрограммные автоматы:
• с жесткой или аппаратной логикой;
• с программируемой логикой.

30.

Адресная часть УУ обеспечивает формирование
адресов команд и исполнительных адресов
операндов в основной памяти и содержит
следующие узлы:
• операционный узел устройства управления (ОПУУ);
• регистр адреса (РгА);
• счетчик команд (СК).

31.

Микропрограммный автомат (МПА) с
жесткой логикой
При создании такого МПА выходные сигналы
управления образуются как выходные сигналы,
реализующих за счет соответствующих схем
соединения логических элементов функциональное
логическое преобразование входных сигналов
логических условий с учетом внутреннего состояния
автомата.

32.

Пошаговое исполнение микропрограммы командного цикла
реализуется путем создания последовательной цепи смены
состояний автомата в соответствии с логическими функциями
переходов.

33.

Процесс управления исполнением команд состоит
из:
1. ведущего устройства управления процессором
(УУпр)
2. ведомых (подчиненных) автоматов:
• устройства управления АЛУ (УУ АЛУ)
• контроллера кэш-памяти

34.

35.

Микропрограммный автомат с жесткой
логикой
Исходной информацией для УУ служит содержимое
регистра команды, флаги, тактовые импульсы и
сигналы, поступающие с шины управления.

36.

37.

Код операции, хранящийся в РК, используется для
определения того, какие СК и в какой
последовательности должны формироваться, при
этом, с целью упрощения логики управления,
желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции. Это может быть
реализовано с помощью дешифратора.

38.

Сигналы управления, по которым выполняется
каждая микрооперация, должны вырабатываться в
строго определенные моменты времени, поэтому
все СУ «привязаны» к импульсам синхронизации
(СИ), формируемым узлом синхроимпульсов.

39.

Процесс синтеза схемы МПА с жесткой логикой
называется структурным синтезом и
разделяется на следующие этапы:
• выбор типа логических и запоминающих
элементов;
• кодирование состояний автомата;
• синтез комбинационной схемы, формирующей
выходные сигналы.

40.

Микропрограммный автомат с
программируемой логикой
Особенностью микропрограммного автомата с
программируемой логикой является хранение
микрокоманд
в
виде
кодов
в
памяти
микропрограмм.
Каждой команде ВМ в этом ЗУ в явной форме
соответствует микропрограмма, поэтому часто УУ, в
состав которых входит микропрограммный автомат
с
программируемой
логикой,
называют
микропрограммными.

41.

42.

В составе узла присутствуют:
• память микропрограмм (ПМП),
• регистр адреса микрокоманды (РАМ),
• регистр микрокоманды (РМК),
• дешифратор микрокоманд (ДшМК),
• преобразователь кода операции,
• формирователь адреса следующей микрокоманды
(ФАСМ),
• формирователь синхроимпульсов (ФСИ).