Модуль 6: Принцип микропрограммного управления и обобщенная структура операционных устройств. 1. Структурное представление устройств обработки информации (операционных устройств) в виде композиции двух автоматов – операционного и управляющего.Структурное представление 2. Основные понятия микропрограммного управления:Основные понятия 3. Граф микропрограммы (ГМП). Пример.Граф микропрограммы 4. Выделение из ГМП функций операционного и управляющего автоматов. Граф-схема алгоритма (ГСА) – как начальный язык описания поведения управляющего автомата.Выделение 5. Структурный базис операционных автоматов (ОА).Структурный базис 6. Организация ОА магистрального типа с арифметико- логическим устройством (АЛУ) комбинационного типа.Организация 7. Контрольные вопросы.Контрольные вопросы 1/33Теория автоматов

Структурное представление устройств обработки информации в виде композиции двух автоматов – операционного и управляющего При описании работы широкого класса устройств обработки информации широко используется их представление в виде композиции операционного (ОА) и управляющего автомата(УА). Такой подход впервые использовал В. М. Глушков (1962 г). 2/33Теория автоматов ОА УА X={x k } Y t, t =1, …,T Пуск Данные Конец КОП ОА принимает из внешней среды, хранит и преобразует (в соответствии с кодом заданной операцией (КОП)) входные слова из множества D и выдаёт во внешнюю среду результат (слова из множества R). Структурно ОА состоит обычно из многоцелевых управляемых комбинационных схем, выполняющих какой-либо набор арифметических и логических операторов, и регистровой памяти для хранения промежуточных результатов в процессе обработки информации. Задачей УА является выработка распределённой во времени последовательности управляющих сигналов, под воздействием которых в ОА и выполняется некоторая операция.

Основные понятия микропрограммного управления Каждое элементарное действие по преобразованию или передачи информации, выполняемое за один такт автоматного времени, назовём микрооперацией. Пусть Y={y 1,…, y N } – множество микроопераций, реализуемых в ОА, которые возбуждаются сигналами y 1,…, y N из УА (для обозначения этих сигналов и микроопераций удобно использовать одни и те же символы). Совокупность микроопераций, выполняемых одновременно за один такт автоматного времени, образует микрокоманду (МК) Y t, t =1, …, T. В частном случае, МК может состоять из одной микрооперации. В общем случае справедливо: т.е. множество Y включает подмножество Y t. 3/33Теория автоматов Для задания порядка следования МК Y t используются специальные переменные, называемые логическими условиями x k из множества X={x 1,…, x K }, вырабатываемые операционным автоматом ОА. Проверка значения логического условия, которому удовлетворяет или не удовлетворяет результат выполнения МК в текущем такте работы УА, позволяет определить очередную МК для следующего такта.

Основные понятия микропрограммного управления (продолжение) 4/33Теория автоматов Если быть точным, то последовательность выполнения МК определяется функциями перехода – булевыми функциями α ij (i,j=1,…,T) - аргументами которых являются логические условия из множества X={x 1,…, x K }. Свяжем с каждой МК Y i множество функций перехода (α i1, …, α iT ) таких, что если α it =1 после выполнения МК Y i, то следующей будет выполняться МК Y t. Множество функций перехода для одной и той же микрокоманды Y i обладает: а) свойством ортогональности (α ij & α it =0 при jt ) и б) полноты Ортогональность говорит о том, что после данной МК (при определённых значениях логических условий) может выполниться только одна МК, а полнота – что она выполнится обязательно. Описание операции в терминах микрокоманд и логических условий будем называть микропрограммой этой операции, а сам принцип разбиения выполняемой операции на микрокоманды (микрооперации) – носит название принципа микропрограммного управления. В свою очередь УА, осуществляющий управление ОА для реализации микропрограммы операции называется микропрограммным автоматом.

Граф микропрограммы Представление микропрограммы выполнения какой-либо операции в графическом виде получило название графа микропрограммы (граф МП). Граф МП представляет собой ориентированный граф, содержащий одну начальную и одну конечную вершины, а также произвольное множество промежуточных вершин, составленных из операторных и условных. Конечная, операторная и условная вершины могут иметь несколько входов. У начальной и операторных вершин по одному выходу, у условной – два выхода, помеченных символами 1 и 0. 5/33Теория автоматов В каждой операторной вершине записывается оператор или МК Y t - подмножество множества микроопераций Y={y 1, …, y N }. Условная вершина соответствует проверяемому логическому условию, в ней помещается один из элементов множества X={x 1, …, x k }. Один из выходов условной вершины может соединяться с её входом, такие вершины будем называть ждущими или возвратными. При составлении графа МП необходимо руководствоваться следующими правилами: 1) входы и выходы различных вершин соединяются дугами, с указанием направления передачи информации; 2) каждый выход соединяется только с одним входом; 3) для любой вершины графа МП существует по крайней мере один путь из этой вершины к конечной. Конец Начало Yt Yt xk xk

Язык функционального микропрограммирования Язык функционального микропрограммирования является средством описания цифровых устройств (ЦУ) обработки информации на уровне микропрограмм. При этом средства языка должны обеспечивать описание алгоритма выполнения операций с помощью микропрограммы с такой степенью детализации, которая бы обеспечивала проведение синтеза структуры соответствующего цифрового устройства. В настоящее время разработаны разнообразные системы автоматизированного проектирования (САПР) цифровых устройств с использования графических и языковых средств описания проектов. Языки описания аппаратуры (HDL, Hardware Description Languages) подразделяются на языки низкого и высокого уровней. Языки низкого уровня (ABEL, AlteraHDL) ориентированы на определённые аппаратные средства, языки же высокого уровня (Verilog и VHDL) более универсальны и содержат разнообразные языковые конструкции для задания алгоритмов работы цифровых систем. САПР с использованием HDL-языков, в наибольшей степени, ориентированы на использование в качестве аппаратной среды программируемых логических матриц (ПЛМ) и микросхем с программируемой логикой. К наиболее распространённым САПР применительно к разработке ЦУ (в конструкции «УА-ОА») относится программа StateCAD пакета Workview Office фирмы Viewlogic (допускает возможность выбора произвольного HDL-языка) и пакет MAX+plusII фирмы Altera (язык AlteraHDL). Изложенное выше, выходит за рамки учебного курса теории автоматов. 6/33Теория автоматов

Система микрокоманд Набор используемых в ОА микрокоманд МК и анализируемых логических условий должен быть полным, т.е. обеспечивать возможность составления микропрограмм для всего множества вычислительных процедур, предназначенных для реализации на данном ОА. Кроме того он должен быть эффективным с целью минимизации оного из показателей - времени выполнения микропрограммы или необходимых на её реализацию аппаратных затрат. Отметим, что поиск набора МК, удовлетворяющих таким требованиям представляет сложную задачу. На практике он подбирается опытным путём. Представленный здесь набор команд ориентирован на реализацию простых вычислительных процедур, реализуемых в лабораторном практикуме по курсу. 7/33Теория автоматов В дальнейшем, при описании алгоритмов реализации вычислительных процедур реализуемых в ОА под управлением УА, введём в рассмотрение систему микрокоманд из четырёх групп: микрокоманды пересылки, двоичной арифметики, логической обработки, сдвига и вращения. На основе данных микрокоманд и будет проводиться разработка графа МП. Для обозначения каждой микрокоманды введём мнемокод [mnemonic], отражающий содержательный смысл микрокоманды. Мнемокод представляется в виде краткой последовательности букв или символов (от 3 до 5), представляющих собой сокращение соответствующих англоязычных слов или их аббревиатуру. Флаги условийCFZFSFOF Логические условия {x k } x1x1 x2x2 x3x3 x4x4 В качестве логических условий X={x k } (k =1,...,K) будем использовать флаги условий в традиционном их представлении.

8/33 (R i ) (R i ) (R j ); i, j=1,..,8 XOR R i, R j (R i ) (R i ) (R j ); i, j=1,…,8 OR R i, R j Влияет на все флаги, OF=CF=0 (R i ) (R i ) (R j ); i, j=1,..,8 AND R i, R j (R i ) (R i )+1; i=1,…, 8 INC R i Влияет на все флаги, кроме CF (R i ) (R i ) - 1; i=1,..,8 DEC R i (R i )-const8; i=1,..,8CMP R i, const8 (R i ) (R i ) - (R j ) - CF; i, j=1,..,8 CMP R i, R j Влияет на все флаги SBB R i, R j SUB R i, R j (R i ) (R i ) + (R j ) +CF; i, j=1,..,8 ADC R i, R j (R i ) (R i ) + (R j ); i, j=1,..,8 ADD R i, R j Не влияет (R i ) const8 ; i=1,...,8 MOV R i, const8 (R i ) data8; i=1,..,8 MOV R i, R j Влияние на флаги СодержаниеМнемокод МКВлияние на флаги СодержаниеМнемокод МК IN R i, data8 (R i ) (R j ); i, j=1,..,8 Не влияет NEG R i (R i ) (0 - R i ); i=1, …, 8 Влияет на все флаги (R i ) (R i ) - (R j ); i, j=1,..,8 (R i )- (R j ); i, j=1,..,8 SAL R i Влияет на все флаги. OF=1, если при сдвиге произошло изменение старшего бита SAR R i ROR R i Только на флаг CF ROL R i RiRi CF Ri Ri RiRi 0 RiRi

Замечания к использованию предложенного набора МК 1. Форматы микрокоманд представлены как однооперандными, так двухоперандными, использующимися для выполнения бинарных операций. При этом сам операнд представлен содержимым одного из восьми регистров (R i,.., R j ) байтового типа. При выполнении бинарных операций регистр, следующий в записи за мнемокодом МК, является приёмником результата (или как считают в программировании - местом назначения destination). 2. Все операнды, используемые в МК поделим на три группы: внешние (они имеют определённые символьные обозначения в вычислительных процедурах – A, B, C,.. ), промежуточные, получаемые в процессе вычислений в ОА, а также некоторые константы, необходимые для алгоритмической реализации процедуры и вводящиеся непосредственно в качестве операнда источника (например, CMP Ri, const8). Так, например, при реализации процедуры операнды (А, В) 9/33Теория автоматов являются внешними и могут вводится МК IN Ri, data8 в какой-либо регистр ОА: IN R i, A;A R i Операнд S – результат операции, размещается в регистр R 1 и остаётся в ОА. Численная константа «10», может использоваться в командах, как передачи (MOV Ri, const8), так и сравнения (CMP Ri, const8), например: CMP R i,10 ;10 - десятичная запись константы, CMP R i, ; b - двоичная запись константы.

Пример на составление графа МП операции сложения S=A+B чисел A и B, представленных в прямом коде Результат сложения S так же должен быть представлен в прямом коде. Алгоритм сложения в описательной форме. 1. Ввод операндов А и В в регистры ОА с последующим формированием их модулей |A| и | B | (в других регистрах) в качестве промежуточных величин. 2. Выполнение сравнения знаковых разрядов: a) если Sign A =Sign B, тоS=Sign A.{| A | + | B |}; б) если Sign A Sign B и | A | | B |,то S=Sign A.{| A | - | B |}; | A | < | B |,то S= not Sign A.{| B | - | A |}. Исходя из выбранного алгоритма произведём назначение используемых регистров. 10/33Теория автоматов R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 R5R5 R6R6 Для определения модулей операндов и выделения знаковых разрядов введём маски: maska_1= b, maska_2= b. Используемые флаги условий: SF, CF, OF.

Граф МП операции сложения чисел S=A+B в прямом коде 11/33Теория автоматов

Функции операционного и управляющего автоматов 12/33Теория автоматов Функция ОА представляется таблицами, содержащими список микрокоманд и список логических условий. Функция УА представляется граф- схемой алгоритма (ГСА), получаемой путём замены микрокоманд в операторных вершинах графа МП соответствующими идентификаторами Y t и x k. Данные идентификаторы будем также отождествлять с управляющими и осведомительными сигналами. Конец Y4Y4 Y3Y3 Y9Y9 Y7Y7 Y6Y6 Y5Y5 Y2Y2 Y1Y1 Y9Y9 Y8Y8 Идентификатор МКМикрокоманда Y1Y1 In R1, A Y2Y2 In R2, B Y3Y3 Mov R5, maska_1 Y4Y4 Mov R6, maska_2 Y5Y5 Mov R3, R1 Y6Y6 And R3, R5 Y7Y7 Mov R4, R Y 11 And R1, R6 Y 12 Or R1, R3 Y 13 Sub R3, R4 Y 14 Neg R3 Y 15 Neg R1 Логическое условие Флаг условия x1x1 SF x2x2 OF x3x3 CF

Структурный базис операционных автоматов (ОА) 13/33Теория автоматов Набор элементов, на основе которых могут строиться операционные структуры с заданными свойствами, называется структурным базисом. Такой набор для ОА должен включать: управляемые шины и мультиплексоры регистры комбинационные схемы.

Шины, управляемые шины 14/33Теория автоматов Шина (а) совокупность цепей, используемых для передачи слова. Управляемая шина (б) реализует микрооперации вида B := A Структурный уровень

Функциональный уровень управляемой шины 15/33Теория автоматов

Шинные мультиплексоры 16/33Теория автоматов На структурном уровне, мультиплексор (MUX) представляется совокупностью управляемых шин объединённых операцией ИЛИ

Функциональный уровень MUX 17/33Теория автоматов

Пример шинного (8-разряд.) MUX (4 1) 18/33Теория автоматов A2A2 A1A1 y1y1 y2y2 y3y3 y4y4 F(8:1) B(8:1) C(8:1) E(8:1) G(8:1) Структурный уровень (детализ. вариант) Функциональный уровень на основе одноразрядных MUX(4 1) Мультиплексор управляются не унарным кодом (код «1 из N»), а двоичным. Взаимосвязь управляющих кодов (адресных и унарных) показана в данной таблице

Двунаправленные шины данных 19/33Теория автоматов Данные по шине могут передаваться в двух направлениях (рис. а) – от модуля А к модулю В или наоборот. Модуль снабжается буфером, находящимся в одном из трёх состояний вывода: ввод, вывод и состояние выключено, когда буфер со стороны выхода приобретает высокий импеданс (состояние Z ) На рис.(б) показана схема буфера применительно к одной физической линии. В свою очередь, данные буфера управляются сигналами с однонаправленных шин управления.

Регистры 20/33Теория автоматов Регистры в составе ОА предназначены для кратковременного хранения информации во время исполнения одной или нескольких микрокоманд. Как считывание информации, так и её запись, может осуществляться как полноразрядными словами, так и отдельными полями,1: yRG,9:161:8 1 4 yRGD Структурный уровень Функциональный уровень

Комбинационные схемы 21/33Теория автоматов С целью экономии оборудования в ОА используются универсальные (многоцелевые) КС, каждая из которых реализует микрооперации, относящиеся к одной из групп однотипных микроопераций, а именно – микрооперации суммирования, поразрядные логические операции и сдвига, формирователи кода и констант. КС настраивается на реализацию конкретной микрооперации из группы с помощью управляющих сигналов. Комбинационные схемы (КС) в ОА предназначены для реализации арифметических и логических операторов в микрокомандах (МК). С помощью КС осуществляется так же выработка признаков или флагов условий. В качестве примера рассмотрим реализацию КС, относящуюся к группе микроопераций суммирования.

Пример многоцелевой КС, относящейся к группе микроопераций суммирования 22/33Теория автоматов Набор МК суммирования Обобщённая МК суммирования Ясно, что МК из данного набора могут выполняться последовательно друг за другом, а не параллельно. Структурная схема КС

Организация операционного автомата 23/33Теория автоматов На структуру и способ построения ОА в наибольшей степени влияет формат обрабатываемых слов (фиксированная или плавающая запятая). Из ОА предназначенных для обработки целочисленных данных, наибольшее распространение получили ОА с магистральной организацией информационных связей между его основными элементам. Процесс обработки информации в ОА заключается в выполнении им некоторой последовательности микрокоманд. Настройка ОА на выполнение конкретной МК из данной последовательности осуществляется управляющими сигналами, которые поступают из управляющего автомата (УА). Наличие информационных шин, являющихся общими для всех источников (приёмников) данных, минимизирует число индивидуальных физических линий между элементами структуры и делает её практически независимой от характера выполняемой операции.

Формирование управляющих сигналов УА для ОА 24/33Теория автоматов (один из возможных вариантов) DC Блок УA(F g ) Формирователь микроинструкций ФМИ КОП Х (из ОА) F1F1 FgFg FGFG {b i } t {c j } t {h p } t.... {Y 1, Y 5 …,Y t, …} g CD PROM Двоичный код адреса в форме кода «1 из N» Сигналы управления ОА

Структурная схема ОА магистрального типа Теория автоматов. Модуль 6 25/33 Адрес записи и чтения порта А Адрес чтения порта В Управлен ие ALU Управлен ие MUX Буфер RG прозрачен при Clk=0 Буфер RG блокирован при Clk=0 Временные диаграммы работы ОА С целью разрыва информационного кольца {Вых. РЗУ – ALU – Вход РЗУ} в процессе обработки информации в ОА введён Buffer RG c противофазной (относительно РЗУ) синхронизацией В упр. автомат Шина результата В упр. автомат Шина результата Память

Арифметико-логическое устройство Операционные автоматы ALU – Arithmetic and Logical Unit, L-SM – logical and Summing Unit (device) – блок поразрядных операций и суммирования; Shift – универсальный сдвигатель. 26/33 Теория автоматов. Модуль 6 Кольцо для сдвигов с учётом флага CF. Флаг был определён предыдущей МК Обработка МК. Трансляция CF Запись флага CF в RG Flags В РЗУ или во внешнюю память

Арифметические операции суммирования и вычитания Операционные автоматы 27 27/33 Теория автоматов. Модуль 6 дополнительный код

Блок поразрядных логических операций и суммирования L-SM (logical and SummingUnit) Операционные автоматы 28 a b s HS * a b s co HSHS cici a aiai bibi b s HS * a b s co HSHS sisi P i =a i b i G i =a i b i Одноразрядный L-SM В рассмотренный ранее одноразрядный сумматор внесём изменение, дополнив реализуемые им логические операции операцией ИЛИ. Схема ускоренного переноса 28/33Операционные автоматы. Поразрядные логические микрооперации

Синтез универсального сдвигателя Теория автоматов. Модуль 6 29/33 Ограничимся синтезом разнообразных операций сдвига вправо: y 1, y 2, y 3, y 4. Функционирование сдвигателя задаётся таблицей Выполняемая МО Управляю- щие сигналы Выходные переменные CF L S7S7 S6S6 ….S1S1 S0S0 CF R Трансляция S(7:0)=G(7:0)0g7g7 g6g6 g1g1 g0g0 0 Лог. сдвиг -> (SHR) S(7:0)=0.G(7:1), CF R =G(0) y1y1 00g7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Цикл. сдвиг -> (ROR) S(7:0)=G(0).G(7:1), CF R =G(0) y2y2 0g0g0 g7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Цикл. сдвиг -> (RCR) S(7:0)=CF.G(7:1), CF R =G(0) y3y3 0CFg7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Арифмет. сдвиг вправо S(7:0)=G(7).G(7:1), CF R =G(0) y4y4 0g7g7 g7g7 g2g2 g1g1 g0g0

Логические уравнения, описывающие работу сдвигателя Операционные автоматы 30 CF L =0, CF R =g 0 z 2 Введём обозначения: Тогда: - трансляция - все сдвиги вправо 30/33 Теория автоматов. Модуль 6 Выполняемая МО Управляю- щие сигналы Выходные переменные CF L S7S7 S6S6 ….S1S1 S0S0 CF R Трансляция S(7:0)=G(7:0) 0g7g7 g6g6 g1g1 g0g0 0 Лог. сдвиг -> (SHR) S(7:0)=0.G(7:1), CF R =G(0) y1y1 00g7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Цикл. сдвиг -> (ROR) S(7:0)=G(0).G(7:1), CF R =G(0) y2y2 0g0g0 g7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Цикл. сдвиг -> (RCR) S(7:0)=CF.G(7:1), CF R =G(0) y3y3 0CFg7g7 g2g2 g1g1 g0g0 Арифмет. сдвиг вправо S(7:0)=G(7).G(7:1), CF R =G(0) y4y4 0g7g7 g7g7 g2g2 g1g1 g0g0

Логические уравнения, описывающие работу сдвигателя (окончание) Операционные автоматы 31 Теория автоматов. Модуль 631/33 В окончательном виде систему уравнений (1 - 3) можно переписать следующим образом: CF L =0, CF R =g 0 z 2 Введём обозначения: Тогда: - трансляция - все сдвиги вправо На предыдущем слайде было получено было получено

Контрольные вопросы Операционные автоматы 1. Перечислите состав структурного базиса операционных автоматов (ОА). 2. Определите управляемую шину на структурном и функциональном уровнях. 3. Представьте шинный мультиплексор на структурном и функциональном уровнях. 4. Структурное представление двунаправленной шины данных. 5. В какие типовые группы можно объединить всю совокупность микроопераций, использующихся в ОА? 6. Какие функции выполняют комбинационные схемы в операционных автоматах. 7. Каким образом осуществляется «настройка» комбинационной схемы на выполнение конкретной микрооперации из группы ей подобных. 32/33Теория автоматов. Модуль 6

Контрольные вопросы (окончание) Теория автоматов. Модуль 6 33/33 8. Нарисуйте структурную схему ОА магистрального типа. 9. Изобразите структуру универсального АLU. 10. Приведите соотношения, показывающие реализацию операций суммирования и вычитания в ALU дополнительном коде. 11. Поясните суть схемотехнических решений, которые позволят использовать многоразрядный сумматор для выполнения поразрядных логических операций.