Глава 7.

Операционные устройства вычислительных машин

В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛУ). Учи­тывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, ре­ально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализирован­ных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных сис­темой 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 операци­онного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в совре­менных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представ­ленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, будем счи­тать, 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 чисел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических 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 расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает.

Порядок следования целевых функций полностью определяет динамику работы устройства управления и всей ВМ в целом. Этот порядок удобно задавать и отображать 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 обозначение конкретной команды, а в условной вершине записывается логическое условие, влияющее на порядок следования этапов. В операторные вершины вписываются 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 ис­ходных данных этапа.

Исходной информацией для первого этапа служит хранящийся в счетчике ко­манд адрес А_ki, текущей команды К_i. Процесс выборки команды отображается опе­ратором первого этапа: К_i:= BK(A_Kj).

Адрес А_ki, обеспечивает также второй этап, результатом которого является адрес следующей команды А_ki+1, поэтому оператор второго этапа имеет вид: A_Ki+1 := ФАСК(А_ki). В качестве исходных данных для третьего этапа машинного цикла выступают содержащиеся в коде текущей команды способ адресации CA_i (он определяет конк­ретную модификацию ЦФ-ФИАО) и код адресной части А_i. Результатом стано­вится исполнительный адрес операнда А_исп := ФИА(С_Аi, А_i).

Полученный адрес используется на четвертом этапе для выборки операнда

О_i :=ВО(А_исп).

Результат исполнения операции P0_j, получаемый на пятом этапе машинного цик­ла, зависит от кода операции 2-й команды K0n_i (определяет модификацию ЦФ-ИО), кода первого операнда O_i и кода второго операнда — результата предыдущей (i-1)-й операции РО_i-1: РО_i := ИО(Коп_i, О_i, РО_i-1).

В соответствии со структурой граф-схемы этапов все команды ВМ можно раз­делить на три типа:

- команды типа «Сложение» (Сл);

- команды типа «Запись» (Зп);

- команды типа «Условный переход» (УП).

Типовые граф-схемы этапов представлены на рис. 6.1.

Видно, что количество этапов в командах типа «Сл» (см. рис. 6.1, а) колеблется от трех (для непосредственной адресации НА) до пяти. При непосредственной адресации второй операнд записан в адресной части команды, поэтому нет необходимости в реализации устройством управления целевых функций ЦФ-ФИ А, ЦФ-ВО. Количество этапов для команд типа «Зп» постоянно и равно четырем (см. рис. 6.1, 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 операнда, можно исключить и этап ФАСК — действия, обычно выполняемые на этом этапе, фактически реализуются на этапе ИО.

Рис 7.1 • Динамика изменения соотношения между аппаратной и программной реализациями

функций АЛ У

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 откла­дывается календарное время.