Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

По порядку обработки данных: последовательные АЛУ, параллельные АЛУ и конвейерные АЛУ. Эти АЛУ различаются между собой по степени параллелизма в выполнении операций. Так, в АЛУ последовательного типа обработка операндов осуществляется последовательно разряд за разрядом. В АЛУ параллельного типа операции производятся одновременно над всеми разрядами операндов. Известны также промежуточные варианты организации АЛУ - параллельно-последовательные, в которых обработка операндов осуществляется одновременно по группам разрядов, тогда как группы обрабатываются между собой последовательно. В АЛУ конвейерного типа параллелизм имеет место на уровне операций, т. е. в них возможно выполнение нескольких операций одновременно. Термин «конвейерные АЛУ» имеет различные интерпретации. В ряде случаев его применяют к многоблочным АЛУ. Например, АЛУ, имеющее в качестве отдельных блоков сумматор, устройство умножения и устройство деления может обеспечивать конвейерную обработку. С другой стороны, сами устройства умножения и деления могут быть конвейерного типа и реализовать сразу несколько операций умножения или деления, которые в один и тот же момент времени пребывают в разных стадиях своего выполнения. Очевидно, что чем выше степень параллелизма, заложенного в структуре АЛУ, тем более высокопроизводительным оно является. Однако сложность схем, а следовательно, аппаратные затраты на реализацию таких АЛУ и управление ими тоже возрастают.

АЛУ регистровое и АЛУ аккумуляторное. Для хранения операндов и результата необходимо иметь, по крайней мере, три буферных регистра (регистры временного хранения). Однако в простейшем случае результат операции можно записывать в один из регистров временного хранения на место одного из операндов. Этот регистр принято называть аккумулятором, а процессор в целом – процессором аккумуляторного типа. Аккумулятор должен обязательно иметь двунаправленную связь с внутренней шиной данных процессора. (В более сложных АЛУ результат операции может быть записан по желанию программиста в любой из специально выделенных для этой цели регистр).

 

Назначение, состав и структура УУ

В процессоре ЭВМ принято выделять операционную и управляющую части. Операционная часть включает набор функциональных узлов: счетчики, регистры, сумматоры и т.д. Количество этих узлов в ЭВМ или отдельных ее устройствах конечно, и каждый из них может выполнять конечное число различных действий, управление которыми осуществляется по сигналу, поступающему из управляющей части. Таким образом, УУ управляют конечным числом блоков ЭВМ и вырабатывают конечные последовательности управляющих сигналов, а значит, имеют конечное число внутренних состояний, входных и выходных сигналов. В связи с этим для описания и проектирования УУ широко применяют теорию конечных автоматов.

Одной из разновидностей конечных автоматов являются программные автоматы, к которым и относятся цифровые вычислительные машины. В основу их работы положен принцип программного управления, предполагающий разделение всей информации, с которой оперирует автомат, на две части: собственно информацию (входные данные) и информацию об алгоритме (программу). Эти части представляются в виде информационных слов (ИС) и управляющих слов (УС) хранимых в памяти ЭВМ, что влечет за собой в большинстве современных ЭВМ операционно-адресную организацию процесса выполнения алгоритма, при которой управляющие слова задают операции алгоритма и местоположение в памяти операционных слов (операндов), участвующих в операции. Алгоритм решения задачи на ЭВМ описывается последовательностью УС (программой), определяющих очередность и характер выполняемых действий.

Управляющие слова в зависимости от сложности и времени выполнения задаваемых ими преобразований информации разделяются на команды и микро команды.

Командой называют записанную в некотором алфавите совокупность всех сведений, необходимых для выполнения некоторых операции в машине.

Под структурой команды понимают перечень сведений (элементов команды), необходимых для выполнения операций.

Форматом команды называют распределение отдельных элементов команды по символам слова, изображающего команду.

Большинство команд ЭВМ включает операционную (КОП) и адресную части. Структура и формат операционной части команды определяются перечнем отличающихся друг от друга операций, которые могут выполняться конкретной ЭВМ, и построением УУ. Структура и формат адресной части команд зависит от количества указываемых в команде адресов, объема адресуемой памяти и способов адресации, реализуемых УУ. Разрядность команды обычно равна или кратна разрядности информационного слова (или обе эти разрядности кратны одной и той же величине, например, восьмиразрядному байту), что позволяет хранить в ячейках одного и того же запоминающего устройства и информационные слова, т.е., операнды и результаты, и команды.

Совокупность всех выполняемых машиной команд, отличающихся друг от друга операционной частью и/или форматом адресной части, называется набором команд или системой команд ЭВМ. Универсальные ЭВМ должны обладать универсальной системой команд. Понятие универсальности трактуется для ЭВМ как возможность выполнения ей заранее заданного алгоритма. Это означает, что универсальная ЭВМ может решить любую задачу, для которой имеется или может быть составлен алгоритм ее решения. Универсальный набор команд может включать различное число команд. На практике в универсальных ЭВМ используется значительно более расширенный набор команд, включающий в типовых случаях до двухсот и более команд.

Выполнение команды сводится к выполнению более мелких операций – микроопераций, задаваемых последовательностью микрокоманд. Микрооперацией (МО) называют элементарный акт преобразования или передачи информации, выполняемый, как правило, за один машинный такт (под действием одного тактирующего синхроимпульса). Типичными МО являются установка (исходных) состояний отдельных узлов и операционных элементов, выполнение элементарных преобразований (сдвига, суммирования, логических операций) информации в операционных элементах, пересылка в информации между отдельными узлами или операционными элементами, обращение к памяти и др.

Микрокомандой (МК) называют набор сведений, необходимых для выполнения одной или нескольких микроопераций, реализуемых в течение одного машинного цикла (цикла процессора).

Для определения временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой - генератором синхросигналов.

Необходимо отметить, что понятия машинного такта и машинного цикла иногда используются в несколько ином смысле. Например, под тактом может пониматься последовательность синхроимпульсов, в ходе которой выполняется серия микроопераций, связанных с какой-либо частью процессора выполнения команды (например, с формированием адреса операнда и извлечением его из памяти). Аналогично под машинным циклом в некоторых моделях ЭВМ понимают цикл выполнения команды

Микропрограммой (МП) называют последовательность микрокоманд или микроопераций, необходимых для выполнения одной машинной операции.

Набор микроопераций, реализуемых операционной частью ЭВМ, должен позволять составить микропрограмму выполнения любой команды, входящей в систему команд данной ЭВМ, т.е. должен обладать полнотой по отношению к заданной системе команд.

Таким образом, с учетом названных особенностей организации вычислительного процесса ЭВМ с традиционной структурой устройство управления ЭВМ должно реализовывать следующие функции:

1. Формирование адреса команды, подлежащей выполнению.

2. Выборку очередной команды из памяти и хранение команды или ее части во время выполнения задаваемых командой операций.

3. Определение типа команды и/или операции и формирование соответствующего цикла выполнения команды (последовательности тактов или циклов процессора, необходимых для выполнения команды).

4. Формирование адресов операндов.

5. Извлечение операндов из памяти и отсылку их в арифметическо-логическое устройство(АЛУ).

6. Запуск АЛУ на выполнение операции (при наличии отдельного блока управления АЛУ) или формирование управляющих сигналов, для управления выполнением операций в АЛУ (при отсутствии отдельного блока управления АЛУ).

7. Формирование адреса результата и запись его в память.

Первые три функции относят к управлению выполнением последовательности команд, последние четыре – к управлению выполнением операций. Для определенных типов команд реализация последних функций может не требоваться.

В соответствии с двумя названными группами функций в УУ иногда выделяют блок управления командами и блок управления операциями. Однако такое разделение не всегда имеет место в действительности. Кроме перечисленных основных функций, устройство управления обеспечивает также пуск и останов ЭВМ, пультовые и системные операции (например, переключение состояний, прерывания) и ряд других дополнительных функций.

Управление выполнением последовательности команд и операций

Функции УУ, относящиеся к управлению выполнением последовательностей команд, должны обеспечивать автоматический переход к очередной команде программы по окончании выполнения текущей команды. Для этого устройству управления необходимо, прежде всего, определять местоположение в памяти (адрес) очередной команды. Существуют два основных варианта определения варианта адреса очередной команды. В первом из них в выполняемой команде в явном виде указывается адрес очередной команды. Такой способ приводит к принудительному порядку следования команд (ППСК) программы, а располагающиеся в программе друг за другом команды могут размещаться в ячейках памяти с произвольными адресами. Во втором случае адрес очередной команды явно не указывается, а получается из адреса выполняемой команды посредством добавления к нему величины, равной числу слов (байтов), занимаемых выполняемой командой. При таком способе говорят о естественном порядке следования команд (ЕПСК) программы, а сами команды размещаются в ячейках памяти с последовательными адресами.

ППСК приводит к некоторому сокращению общего числа команд в программе за счет исключения команд переходов. Однако сами команды в этом случае имеют увеличенную разрядность из-за необходимости включения в них поля адреса очередной команды. В настоящее время ППСК используются редко.

Естественный порядок следования команд не требует указания в команде адреса очередной команды, однако разветвления и циклы в программа приводят к нарушению ЕПСК. Поэтому в современных ЭВМ в качестве основного режима используется естественный порядок следования команд, который в необходимых случаях сочетается с принудительным порядком следования команд. Это обуславливает наличие в системе команд любой ЭВМ, по меньшей мере, двух типов команд: операционных команд, задающих какие-либо преобразования информации, и команд управления, вызывающих переход к некоторому участку программы. Выполнение команд первого типа не нарушает ЕПСК, команды второго типа являются средством реализации ППСК.

Рассмотрим управление выполнением последовательности команд на примере УУ, оперирующего с одноадресными командами. В адресной части в этом случае указывается: в операционных командах – адрес операнда, в командах управления – адрес очередной команды программы.

Структурная схема УУ представлена на рисунке. На схеме показаны только те узлы УУ, которые участвуют в реализации функции управления выполнением последовательности команд, и оперативная память (ОП), где хранятся команды выполняемой программы. На рисунке выделены следующие узлы: РК – регистр команд, СчАК – счетчик адреса команд, ДшКОП –дешифратор кода операций, УА УУ – управляющий автомат УУ, ГС – генератор синхроимпульсов, РА – регистр адреса ОП, РД – регистр данных, ОП и БУ ОП – блок местного управления оперативной памятью. Последние три блока относятся к оперативной памяти, а не к устройству управления, причем БУ ОП в некоторых типах ОП не выделяется в самостоятельный блок. В регистре команд РК выделены два поля: КОП – поле кода операции и адресное поле А, в которых размещаются собственно операционная и адресная части команды.

Символами y1 ...yn обозначены управляющие сигналы, вырабатываемые УА УУ, причем подача сигналов y1... y6 в соответствующие управляющие шины, т.е. появление единичного значения сигнала на соответствующей шине, вызывает выполнение следующих микроопераций:

y1: (РА):=(СчАК) – передача  содержимого счетчика адреса команд на регистр адреса;

y2: ЧтОП – запуск ОП на выполнение микроопераций чтения информации из ячейки, адрес которой

установлен на РА; по окончании этой МО считанная информация находится в регистре данных;

y3: (РК):=(РД) – передача  содержимого регистра данных на регистр команд;

y4: (СчАК):=(РК[A]) – передача  содержимого поля А регистра  команд в СчАК (передача адреса);

y5: (СчАК):=(СчАК)+1 – увеличение содержимого счётчика адреса команд на единицу;

y6: ЗпОП – запуск ОП на выполнение МО записи в память содержимого регистра данных.

Счётчик адреса команд предназначен для хранения адреса выполняемой команды и формирования адреса очередной команды программы при естественном порядке следования команд. В рассматриваемом УУ предполагается, что каждая команда занимает одну ячейку памяти, поэтому увеличение адреса выполняемой команды на единицу, осуществляемое микрооперацией y5, даёт адрес очередной команды.

Регистр команд используется для хранения выполняемой команды программы на время ее обработки. В некоторых ЭВМ в РК хранится только код операции, а адресная часть команды поступает на РА или в другой узел процессора.