A_O_Melnik_Arkhitektura_komp_39_yuteriv

301

Після виконання останньої мікрокоманди в мікропрограмі (тобто, після завершення виконання однієї машинної команди), контролер послідовності мікрокоманд повинен ще раз виконувати мікропрограму вибірки наступної команди з основної пам'яті. На рис. 8.19 це є перехід до комірки А в к пам'яті мікрокоманд. Постає питання - як може контролер послідовності мікрокоманд керувати розгалуженнями в межах мікропрограм пам'яті мікрокоманд? На рис. 8.18 показано один з варіантів вирішення цього завдання. До цих пір ми розглядали мікропрограми без розгалужень. Однак існують мікрокоман­ ди переходу, які містять адресу переходу та мікронакази для схеми формування адреси СФА додатково до мікронаказів для інших вузлів комп'ютера. Контролер послідовності мікрокоманд разом з схемою формування адреси СФА, використовує адресу наступної мікрокоманди (АНМК) та код умови переходу (КУ) для визначення адреси наступної мікрокоманди.

Для керування переходом в коді мікрооперації КМКО кожної мікрокоманди наявна інформація про належність цієї мікрокоманди до мікрокоманд переходу. Тому в кожно­ му такті на виході дешифратора мікрокоманд Д Ш М К О генерується мікронаказ, який ін­ формує контролер послідовності мікрокоманд про належність, або неналежність, даної мікрокоманди до мікрокоманд переходу. Якщо це мікрокоманда переходу, то контролер послідовності мікрокоманд повідомляє схему формування адрес про необхідність фор­ мування адреси переходу, а не приріст на одиницю вмісту мікропрограмного лічильника МКПЛ. При цьому, я к щ о це безумовний перехід, то перехід відбувається за адресою з адресного поля мікрокоманди. Якщо ж це умовний перехід, то адреса наступної мікро­ команди формується з врахуванням коду умов переходу та коду стану програми, який поступає з регістра стану програми регістрової пам'яті процесора.

8.3.3. Горизонтальне та вертикальне мікропрограмування

Завдання вибору формату мікрокоманди є досить складним. З одного боку, мікро­ команда повинна вміщувати коди керування вузлами комп'ютера, забезпечувати органі­ зацію послідовності мікрокоманд в мікропрограму та можливість зміни порядку мікро­ команд в мікропрограмі. З іншого боку, ці функції повиьні виконуватись з мінімальною кількістю бітів в мікрокоманді, з мінімальною кількістю слів в пам'яті мікрокоманд, та з мінімальним часом на виконання мікропрограми. Розглянемо деякі питання вибору ефективного формату мікрокоманди.

За способом формування керуючих сигналів розрізняють горизонтальне і верти­ кальне мікропрограмування.

При використанні горизонтального мікропрограмування кожний розряд поля коду мікрооперації мікрокоманди формує один керуючий сигнал (мікронаказ) для відповід­ ного входу керування функціонального вузла комп'ютера (рис. 8.20). Кількість розрядів мікрокоманди визначається з виразу М = п+к+пт, де п - розрядність адреси мікрокоман­ ди, яка рівна п = к ^ 2 М , де N - КІЛЬКІСТЬ мікрокоманд в пам'яті, к - КІЛЬКІСТЬ мікронака­ зів, необхідних для керування вузлами пристрою керування, т - КІЛЬКІСТЬ мікронаказів, необхідних для керування вузлами комп'ютера. В цьому випадку відпадає потреба в де­ шифраторі мікрокоманд.

302

Рис. 8.20. Формат мікрокоманди при використанні горизонтального мікропрограмування

ОСКІЛЬКИ у комп'ютерах кількість мікронаказів може досягати декількох сотень, мікрокоманда в цьому випадку стає дуже широкою.

Кількість керуючих бітів мікрокоманди зменшують використовуючи наступні спо­ соби:

•Групуванням бітів. В групи об'єднуються такі мікронакази, які завжди викону­

ються одночасно. При цьому для групи виділяється лише один біт.

•Групування форматів. В групи об'єднуються такі мікронакази, з яких в даному так­ ті виконується тільки один. Ці мікронакази кодуються в полі, де кількість бітів к = log2 L, де Ь - кількість мікронаказів.

•Групування мікронаказів. Групі мікронаказів виділяється один біт мікрокоманди та використовується багатотактова синхронізація.

При використанні вертикального мікропрограмування мікрокоманда складається з полів коду мікрооперації, коду умов переходу і адреси наступної мікрокоманди, як це було розглянуто раніше (рис. 8.17). Тобто формат мікрокоманди подібний до форма­ ту команди комп'ютера. Цей метод дозволяє більш ефективно використовувати поля мікрокоманди, тобто команда є коротшою, а об'єм пам'яті меншим, порівняно з гори­ зонтальним мікропрограмуванням. Разом з тим, горизонтальне мікропрограмування є швидшим, оскільки не вимагає використання дешифраторів.

Вище були розглянуті два основних методи побудови логіки формування сигналів керування. Перший з них, який одержав назву "жорсткої" або "запаяної" логіки, вира­ жається в тому, що для кожної команди процесора існує набір логічних схем, які в по­ трібних тактах збуджують відповідні сигнали керування. Другий метод, який називають принципом мікропрограмного керування, передбачає формування сигналів керування за вмістом регістра мікрокоманд, в який мікрокоманди записуються із пам'яті мікрокоманд. Шляхом послідовного зчитування мікрокоманд із пам'яті в цей регістр орга­ нізується потрібна послідовність сигналів керування. Завдяки тому, що мікрокоманди записуються до пам'яті, вміст якої при потребі можна частково, або повністю замінити, пристрої мікропрограмного керування мають наступні основні переваги в порівнянні з пристроями керування з жорсткою логікою:

•В них можна використовувати мікропрограми, які вже були відлагоджені та апро­ бовані на інших комп'ютерах.

•Шляхом заміни мікропрограми в пам'яті мікрокоманд комп'ютер можна модифі­ кувати з метою покращання технічних характеристик чи розширення функцій, і, тим самим, продовжити термін його використання.

303

•Можуть бути використані наробки мікропрограм в наступних поколіннях ком­ п'ютерів однієї сім'ї.

•Мікропрограмування є простішим, ніж керування з жорсткою логікою, що спро­ щує розробку пристрою керування.

•Простішим є обслуговування мікропрограмованих комп'ютерів та їх відлагодження завдяки простішій заміні мікрокоманд та мікропрограм.

В швидкодії мікропрограмне керування програє керуванню з "жорсткою" логікою.

Тому, завдяки створенню мов опису апаратних засобів комп'ютера та потужних про- і а м н и х засобів високорівневого проектування, пристрої керування з жорсткою логіою знайшли ширше застосування в сучасних комп'ютерах.

8.5. Короткий зміст розділу

Пристрій керування є одним з вузлів процесора . Відомі два основних методи поудови пристроїв керування: пристрої керування з ж о р с т к о ю логікою та пристрої ікропрограмного керування . В комп'ютері, крім пристрою керування центрального процесора, м о ж у т ь використовуватись пристрої керування вузлами комп'ютера, на­ приклад, пристрої керування операційними п р и с т р о я м и АЛП, пристрій керування процесора введення - виведення і т. д. П р и н ц и п и побудови вказаних пристроїв є іден­ тичними.

Розглянуто структуру та організацію роботи пристрою керування з жорсткою логі­ кою, а також методи проектування пристроїв керування з жорсткою логікою: на основі таблиць станів, на основі тактованих елементів часової затримки, та на основі лічиль­ ників.

Метод таблиць станів передбачає розгляд пристрою керування як цифрового авто­ мату. Цифровий автомат подано у вигляді його математичної (абстрактної) і структурної моделей, які відповідно називаються абстрактним та структурним автоматами. Абстрак­ тну модель використано на першому етапі проектування, коли описується функціону­ вання автомату, тобто правила переробки вхідної інформації у вихідну. На цьому етапі автомат подано у вигляді автоматів Мілі, Мура та С-автомату. Слід зауважити, що роз­ гляд абстрактної моделі цифрового автомату дозволяє проводити його попередню оптимізацію ще до етапу структурного синтезу. Показано приклад застосування структурної моделі для побудови схеми цифрового автомату.

Описано основні засади проектування пристроїв керування з жорсткою логікою на основі синхронних елементів часової затримки та на основі лічильників. Відзначено, що вихідними даними для такого проектування є часові зміни сигналів керування, отрима­ ні з часової діаграми роботи комп'ютера.

Описана робота пристрою мікропрограмного керування. Наведені основні понят­ тя мікропрограмування: мікронаказ, мікрокоманда, мікропрограма, горизонтальне та вертикальне мікропрограмування. Сформовані принципи, покладені в основу побудови пристрою мікропрограмного керування, серед яких в першу чергу необхідно відзначити те, що кожній команді з системи команд комп'ютера ставиться у відповідність мікропро­ грама її виконання в комп'ютері, всі мікрокоманди зберігаються в пам'яті мікрокоманд,

304

а для реалізації деякої команди необхідно зчитати з пам'яті мікрокоманд відповідну мікропрограму та подати розподілену в часі послідовність керуючих сигналів на відповідні керуючі входи вузлів комп'ютера. Розглянуті питання розміщення мікрокоманд в пам'я­ ті, формат мікрокоманди та способи його оптимізації. Порівняння пристроїв керування з жорсткою логікою та пристроїв мікропрограмного керування показало, що перші є швидшими, а другі, завдяки тому, що мікрокоманди записуються до пам'яті, вміст якої при потребі можна частково, або повністю, замінити, є простішими при проектуванні та обслуговуванні.

8.6. Література для подальшого читання

До перших публікацій з питань проектування пристрою керування комп'ютера на основі цифрових автоматів Мілі, Мура, С-автомату, а також принципи побудови при­ строїв мікропрограмного керування належать праці [5-9]. Серед перших книг з питань синтезу цифрових автоматів необхідно виділити книгу [3]. Цьому ж питанню присвяче­ на і книга [17]. Побудова пристроїв керування на основі синхронних елементів часової затримки та лічильників описана в роботі [10]. З питань оптимізації мікропрограм до­ цільно почитати роботи [11-13], а в роботах [14-16] описані основні принципи мікропрограмування.

8.7. Література до розділу 8

1.Лазарев В. Г., Пийль Е. И. Синтез управляющих автоматов. - М.: Энергия, 1978. - 408 с.

2.Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов. - Л.: Энергия, 1974. - 215 с.

3.Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. - М.: Физматгиз, 1962. - 476 с.

4.Huffman D. A. The synthesis of sequential switching circuits. 1954, vol. 257, № 3, p. 161-190; №

4.p. 275-303.

5.Kochen M. Extension of moore-shannon model for relay circuits. - "IBM Journ. Res. and Devel.", 1959, vol. 3, № 2, p. 169-186.

6.Mealy G. H. A method for synthesizing sequential circuits. - "BSTJ", 1955, vol. 34, № 5, p. 1045-

1079.

7.Wilkes M. V., Stringer J. B. Microprogramming and the design of the control circuits in an electro­ nic digital computer. - "Proc. Cambridge Philos. Soc". 1953, vol. 49, № 4, p. 230.

8.Wilkes M. V. Microprogramming. - "Proc. East. Joint Corn-put. Conf.", 1959, vol. NT-114, № 7. p. 18-20.

9.Wilkes M. V., Renwick W, Wheeler D. J. The design of the control unit of an electronic digital computer. - "Proc. of the Inst of El. Eng.", pt. B, 1958, vol. 105, № 20, 121 p.

10.Hayes J.P. Computer Architecture and Organization. McGRAW-Hill, 1988.

11.Agerwala, Т.: "Microprogram Optimization: A Survey", IEEE Trans. Comput., vol. C-25, pp. 962973, October 1976.

12.Das, S. R., D. K. Banerji, and A. Chattopadhyay: "On Control Memory Minimization in Microp­ rogrammed Computers", IEEE Trans. Comput., vol. C-23, pp. 845-848, September 1973.

13.Davidson, S., et al.: "Some Experiments in Local Microcode Compaction for Horizontal Machi­ nes", IEEE Trans. Comput., vol. C-30, pp. 4«M77, July 1981.

305

14.Agrawala, A. K., and T. G. Rauscher: Foundations of Microprogramming: Architecture, Software, and Applications, Academic, New York, 1976.

15.Andrews, M . : Principles of Firmware Engineering in Microprogram Control, Computer Science Press, Potomac, Md., 1980.

16.Husson, S. S.: Microprogramming: Principles and Practices, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1970.

17.Kohavi, Z., Switching and Finite Automata Theory, 2d ed., McGraw-Hill, New York, 1978.

8.8. Питання до розділу 8

1.Призначення пристрою керування

2.Що таке мікрооперація?

3.Що таке мікронаказ?

4.Що таке макрокоманда?

5.Що таке мікропрограма?

6.Назвіть місце поступлення керуючих сигналів

7.Назвіть два основних методи побудови логіки формування керуючих сигналів

8.В чому заключається принцип керування "жорсткої" або "запаяної" логіки?

9.В чому заключається принцип мікропрограмного керування?

10.Наведіть типову структурну схему пристрою керування з жорсткою логікою та поясніть

їїроботу

11.Для чого призначений блок синхроімпульсів?

12.Для чого призначений лічильник тактів?

13.Для чого призначені дешифратор коду операції та дешифратор тактів?

14.Назвіть методи проектування пристрою керування з жорсткою логікою

15.В чому заключається суть методу методом таблиць станів?

16.Що таке абстрактна та структурна моделі цифрового автомату?

17.Наведіть формальний опис абстрактного автомату

18.Опишіть автомат Мілі

19.Опишіть автомат Мура

20.Опишіть С-автомат

21.Опишіть таблицю переходів, таблицю виходів та таблицю з'єднань автомату Мілі

22.Опишіть таблицю переходів, таблицю виходів та таблицю з'єднань автомату Мура

23.Опишіть таблицю переходів, таблицю виходів та таблицю з'єднань С-автомату.

24.Як будується граф автомату Мілі?

25.Як будується граф автомату Мура?

26.Як будується граф С-автомату?

27.Поясніть етапи канонічного методу структурного синтезу цифрового автомату

28.Як використовують тактовані елементи часової затримки при побудові пристрою керу­

вання?

29.Як використовують лічильники при побудові пристрою керування?

30.Як будується часова діаграма роботи комп'ютера?

31.Які основні принципи покладені в основу побудови пристрою мікропрограмного керу­

вання?

32.Приведіть формат мікрокоманди

306

33.Приведіть структуру пристрою мікропрограмного керування та поясніть організацію його роботи.

34.Які функції контролера послідовності мікрокоманд?

35.Як формується адреса мікрокоманди?

36.Як організовані мікропрограми в пам'яті мікрокоманд?

37.Що таке горизонтальне мікропрограмування?

38.Що таке вертикальне мікропрограмування?

39.Які є способи зменшення кількості керуючих бітів мікрокоманди при використанні гори­ зонтального мікропрограмування?

40.Порівняйте пристрої керування з жорсткою логікою та пристрої мікропрограмного керу­

вання.

Розділ 9

%(шітарШне&сі пам'шшу кжт'штера/

Пам'ять є одним із основних вузлів комп'ютера, що призначений для зберігання ін­ формації, тобто програм і даних. Функції пам'яті забезпечуються запам'ятовуючими пристроями, які здійснюють приймання, зберігання і видачу інформації в процесі робо ­ ти комп'ютера. Процес приймання інформації в запам'ятовуючий пристрій називають записом, процес видачі інформації - зчитуванням, а спільно їх визначають як процеси звернення до пам'яті.

В даному розділі будуть розглянуті питання побудови пам'яті з довільним, впоряд­ кованим та асоціативним доступом. Кожний тип пам'яті має свої переваги та недоліки, які визначають місце його використання в комп'ютері. Буде розглянута структура ба­ гаторівневої пам'яті та її типи, які входять до складу внутрішньої та зовнішньої пам'яті комп'ютера а також основні характеристики пам'яті: ємність, організація, швидкодія, час доступу, період звернення, вартість. Зокрема буде проведено аналіз можливих варіантів організації регістрових файлів процесорів та обмежень, які спричиняє використання багатопортового регістрового файла, а також розглянуто ряд нових структур регістрового файла: інтегрованого, розподіленого кластерного, з керованою комутацією, з віконною організацією, ієрархічного. Буде розглянута динамічна та статична організація даних в регістрових файлах та описана робота регістрового файла на базі черги з програмова­ ною затримкою.

Будуть також розглянуті принципи роботи пам'яті з асоціативним доступом та опи­ сано чотири основні елементи її організації: з повним паралельним асоціативним до­ ступом, з неповним паралельним асоціативним доступом, з послідовним асоціативним доступом, з частково асоціативним доступом.

Буде наведено опис варіантів побудови основної пам'яті та можливості по скоро­ ченню часу доступу до інформації. Зокрема буде розглянута блокова структура пам'яті, принципи розшарування пам'яті та нарощування її розрядності. Буде описано роботу різних типів постійного запам'ятовуючого пристрою.

При розгляді зовнішньої пам'яті буде наведений порядок розміщення інформації на магнітному диску, типи сучасних дискових систем, в тому числі масиви магнітних дисків з надлишковістю, оптична пам'ять та пам'ять на магнітних стрічках.

308

9.1. Типи та характеристики пам'яті комп'ютера

9.1.1.Багаторівнева структура пам'яті комп'ютера

Пам'ять комп'ютера є багаторівневою. На різних рівнях в комп'ютері використову­ ються різні типи пам'яті (рис. 9.1). Практично кожен функціональний вузол комп'юте­ ра має у своєму складі пам'ять. Так, в процесорі знаходиться регістрова надоперативна пам'ять, а також постійна пам'ять для зберігання мікропрограм, яка є складовою части­ ною пристрою керування, та постійна пам'ять констант, яка використовується в АЛП, наприклад, у складі табличних або таблично-алгоритмічних операційних пристроїв. Між процесором і основною пам'яттю може бути включено кілька рівнів кеш пам'яті. Крім основної пам'яті, в комп'ютері є ще пам'ять процесорів введення-виведення та зовнішня пам'ять великого об'єму, реалізована на магнітних дисках, стрічках та барабанах, а та­ кож оптична та флеш. Як видно з рисунку, за місцем розташування пам'ять поділяють на внутрішню і зовнішню. Найбільш швидкісну пам'ять, тобто кеш-пам'ять першого рівня, зазвичай розміщують на одному кристалі з центральним процесором, в якому є своя ре­ гістрова пам'ять. До внутрішньої пам'яті належать також основна пам'ять, пам'ять про­ цесора введення-виведення та кеш пам'ять другого і подальших рівнів (кеш пам'ять дру­ гого рівня може також розміщуватися на кристалі процесора). Повільну пам'ять великої ємності (магнітні й оптичні диски, магнітні стрічки та барабани) називають зовнішньою пам'яттю, оскільки до ядра комп'ютера ці пристрої підключаються аналогічно до при­ строїв введення-виведення.

Рис. 9.1. Багаторівнева структура пам'яті комп'ютера

9.1.2.Типи пам'яті

Вкомп'ютері використовуються різні типи пам'яті, які, залежно від способу доступу до інформації, можуть бути класифіковані наступним чином:

309

•Пам'ять з довільним доступом. До цієї пам'яті в кожному такті може бути запи­ сане число або зчитане з неї число за довільною адресою. За принципом пам'яті з довіль­ ним доступом побудовано регістровий файл регістрової пам'яті процесора та основна пам'ять.

•Пам'ять із впорядкованим доступом. Із такої пам'яті дані вибираються в поряд­ ку, який визначається внутрішньою структурою пам'яті. До такої пам'яті належить зо­ крема пам'ять з послідовним доступом, з якої дані зчитуються послідовно одне за одним. За принципом пам'яті з послідовним доступом побудовано, зокрема, буферну пам'ять, яка використовується у пристроях введення-виведення, зовнішню пам'ять на магнітних стрічках.

•Пам'ять з асоціативним доступом. В такій пам'яті дані шукаються за їх змістом або за деякою їх ознакою. За принципом пам'яті з асоціативним доступом побудовано, зокрема, кеш пам'ять.

Існує також пам'ять з прямим доступом. Кожен запис має унікальну адресу, що відо­ бражає її фізичне розміщення на носії інформації. Звернення здійснюється як адресний доступ до початку запису з подальшим послідовним доступом до певної одиниці інфор­ мації усередині запису. В результаті час доступу до певної позиції є величиною змінною. Такий режим характерний для магнітних дисків.

Цей список може бути розширений іншими типами пам'яті, які ще не знайшли широ ­ кого застосування в комп'ютері, наприклад, пам'яттю з програмованим доступом, коли записані до пам'яті дані зчитуються в наперед заданому порядку. Кожний тип пам'яті має свої переваги та недоліки, які визначають місце використання відповідної пам'яті в комп'ютері. Розглянемо організацію роботи та проведемо аналіз названих типів пам'яті детальніше.

Найчастіше в комп'ютері використовується пам'ять з довільним доступом або адрес­ на пам'ять. Ця пам'ять ділиться на два типи: оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), англійський термін Random Access Memory ( R A M ) , та постійний запам'ятовую­ чий пристрій (ПЗП), англійський термін Read Only Memory (ROM) .

Пам'ять із довільним доступом складається з комірок, кожна з яких зберігає одини­ цю інформації, яка називається словом. Слова складаються із бітів із значеннями 0 або 1. В слові є п бітів, де п - довжина слова. Кожен біт має свій номер. Нумерація бітів в слові здійснюється справа-наліво, або зліва-направо. Зазвичай слово має довжину п = 2 к, де к = 0,1,2,... біт, наприклад 8 (к = 3), 32 (к = 5) і т. д.

Комірки пам'яті нумеруються, тобто кожна з них має свій номер, або адресу. Ту ж саму адресу має і слово, яке зберігається в даній комірці. Місце розміщення слова в пам'яті називається адресою слова. Якщо пам'ять може зберігати М слів розрядністю п кожне, то в якості адреси використовуються числа від 0 до М-1 (рис. 9.2). М адрес є адресним полем (простором) даного комп'ютера. Використовуючи двійкове кодування, необхідно m бітів для представлення всіх адрес, де m =[log,M]. Значення в дужках означає більше ціле. Зазвичай пам'ять комп'ютера будується так, щоб М було кратним ступеню двійки, що дозволяє ефективніше використовувати розрядну сітку адреси, а також спрощує об­ робку адрес. Існує поняття "організація пам'яті", яке вказує на розрядність комірок і їх кількість в пам'яті, тобто n*2m . Це значення вказує також ємність пам'яті в бітах.

310

п- 1 СЛОВО і

СЛОВО М-1

Рис. 9.2. Адресна пам'ять організацією п.2т

Пам'ять з довільним доступом виконує дві основні операції: вибірку Fetch (або зчиту­ вання Read) і запам'ятовування Store (або запис Write). Робота цієї пам'яті організована наступним чином. В режимі запису на адресний вхід пам'яті подається адреса комірки, в яку потрібно записати дане і сигналом запису це дане записується у вказану адресою комірку пам'яті. В режимі зчитування на адресний вхід пам'яті подається адреса комір­ ки, з якої потрібно зчитати дане, і сигналом зчитування це дане зчитується з вказаної адресою комірки пам'яті (рис. 9.3).

Інтерфейс адресної пам'яті (рис. 9.3 а) включає т - р о з р я д н у шину адреси, п-розрядну шину вхідних даних, п-розрядну шину вихідних даних та однорозрядний вхід задання режиму роботи: запису або зчитування. Зазвичай використовуються також вхід дозволу використання пам'яті та вхід для подачі тактових імпульсів, необхідних для синхроні­ зації роботи пам'яті. Слід зауважити, що у варіанті інтерфейсу адресної пам'яті, пред­ ставленому на рис. 9.3 а, шини вводу та виводу даних розділені. Часто пам'ять будується з об'єднаними шинами вводу та виводу даних (тобто шина даних тут є двонаправленою) (рис. 9.3 Ь), що спрощує використання такої пам'яті в комп'ютерах із одношинною та багатошинною структурами.

Пам'ять з довільним доступом може бути реалізована у вигляді оперативної або по­ стійної пам'яті, та у вигляді стека програмно-доступних регістрів (регістрового файла). В останньому випадку (рис. 9.4) адреса вказує номер регістра. Тут ДшА - дешифратор