Классификация устройств управления

                                                      Содержание

1 Устройство управления……………………………………………………………….………….2

 2  Схемы Устройство управления …………………………...................................8

3  Структурная схема микропрограммного  устройства управления……….13

4 Устройства  управление портами  компьютера. ………………………………..….15

5  Блок управления памятью……………………………………………………………….……17

6  Управляющие устройства (УУ): их  виды ………………………………………………19

7 Вывод………………………………………………………………………………………………..…….30

8 Литература………………………………………………………………………………..……………..31

     

     

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               1 Устройство управления

Структура УУ определяется важнейшей  характеристикой процессора – адресностью машинных команд. Рассмотрим структуру УУ для двухадресных команд и взаимодействие его элементов в процессе функционирования

(рисунок №1):

                                        УВв, УВыв, внешняя память, АЛУ

                                                    рисунок №1

             Блок центрального управления генерирует сигнал о начале выполнения очередной команды (связь 1). Ее адрес А находится в счетчике адреса команд.

           Блок выборки из памяти по сигналу считывает из ОЗУ по адресу А, который выбирается из счетчика адреса команд (связь 8), очередную команду (связь 2) и помещает ее на временное хранение в регистр команд (связь 3).

              Дешифратор кода операции выбирает код (связь 4) и расшифровывает его. Затем передает информацию блоку формирования управляющих сигналов (связь 10):

если операция арифметическая, от блока формирования управляющих  сигналов поступает сигнал в блок выборки из памяти (связь 5) с командой считать из ОЗУ операнды, расположенные  по адресам, указанным в регистрах  первого и второго операндов (связь 6), и поместить их в соответствующие  регистры АЛУ  (о  структуре  АЛУ  см. в п. 9.3). Затем формируется  сигнал в АЛУ на выполнение нужной операции (связь 7). Счетчик адреса команд увеличивается на объем команды (связь 9);

если операция ввода-вывода, блок формирования управляющих сигналов формирует  сигнал УВв и УВыв (связь 7). Счетчик адреса увеличивается на объем команды (по связи 9);

               если операция условного перехода, блок центрального управления анализирует результат предыдущей операции, находящийся в АЛУ. Если знак результата отрицателен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра первого операнда. Если знак положителен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра второго операнда. Если результат равен 0, в счетчик адреса команд добавляется 1 (эти связи не показаны). Так реализуется принцип условного перехода.   если операция безусловного перехода, в счетчик адреса команд пересылается содержимое регистра первого операнда (связь не показана).

            Управляющие устройства (УУ): их виды Операционные устройства позволяют выполнить преобразование некоторых кодов в соответствии с логикой выполняемой операции. При этом операционное устройство может быть представлено множеством микроопераций, которые могут быть выполнены последовательно или параллельно при инициировании определённых составляющих узлов с помощью выделенных сигналов управления. Например, сложение/вычитание двоичных кодов выполняется следующей последовательностью сигналов: Т.о. возникает необходимость в использовании спец. устройства (устройство управления), которое предназначено для формирования распределённой во времени последовательности управляющих сигналов, подаваемых на компоненты операционного блока вместе с сигналом синхронизации и обеспечивающие выполнение заданной операции. Существуют 2 принципиально разных подхода к УУ: 1)УУ с жесткой логикой; 2) УУ с микропрограммной логикой или МПУУ УУ с жесткой логикой строятся на основе жестко заданных связей между его компонентами, реализующих формирование и передачу сигналов управления в требуемой последовательности, учитывая состояние УУ, выполняемую операцию и значения т.н. «осведомительных сигналов», характеризующих результаты выполнения предыдущей операции, а также состояния требуемых компонент операционного устройства. УУ с жесткой логикой не поддаются модификации и при необходимости изменений должны быть полностью заменены. Основное их достоинство – высокая производительность, связанная с формированием управляющих сигналов с помощью комбинационных схем. Управляющие устройства с жесткой логикой представлены координационными схемами, который обеспечивают построение распределения во времени последовательности сигналов управления, в зависимости от кода операции и № такта сигнала синхронизации. При этом учитывается значение осведомительного сигнала от операционного устройства. ПоПо ходу операции из Рг команд, дешифратор кода активирует 1 выходную линию, соотв. выполняемой команде. Счетчик тактов запускается с мом. выполнения тек. команды. Дешифратор нового такта активизирует 1 вых. линию, соотв. № такта. В результате устр. обр. упр. сигналов, в зависимости от № такта и вып. команды, с помощью логических схем «и/или», формирует требуемую последовательность управляющих сигналов, инициализирующих выполняемые последовательности МО в операционных устройствах.     Недостаток данного устройства – ориентация на выполнение команд, требующих одинакового количества тактов, поэтому для ее исп. необх. «выровнять» все команды по команде, треб. max числа тактов. Команды, треб. mi количества тактов – однобайтные команды, или команды с mi количеством бит (команды обр. регистров, изм. режимов, команды установки и т.д.). В отличие от них, длинные команды исп. смешанную адрессацию (регистровую и непосредственную, косвенную). Поэтому выравнивание команд приводит к неэф-му исп. памяти. Для повышения эф-ти устр. упр. с ж. л. исп. счетчики тактов, обеспечивающие выполнение требуемого типа команд. В качестве примера рассмотрим управляемое устройство, обеспечивающее выполнение, или поддержку коротких и длинных команд. В зависимости от типа команды по длине, схема управления предоставляет возможность активизировать или только счетчик тактов 1, или на определенном такте запускать счетчик тактов 2, реализуя выполнение команд, требующих большего количества тактов.

                 С другой стороны позволяет упростить и автоматизировать процессы проектирования УУ и микропроцессоров в целом. Состав: УФАМК – устройство формирования адреса микрокоманды; РгАМК – регистр адреса микрокоманды; ПМК – память микрокоманды; РгМК – регистр микрокоманды; ДШМК – дешифратор микрокоманд (дешифратор микрооперации); КОП - код операции. Начальный источник операции – регистр команд, из которого используется код операции микрокоманды. На основании этого кода УФАМК формирует первой микрокоманды в составе МП-программы, обеспечивающей выполнение данной команды. Один из вариантов формата микрокоманды следующий: код МО из РгМК попадает в ДшМК, который используется для образования управляющих сигналов. код МО адрес след. МК Управляющие сигналы идут на операционное устройство и совместно с сигналами синхронизации обеспечивают (синхронизируют)   выполнение одной или нескольких микроопераций в составе операционного устройства (АЛУ). Адресная часть микрокоманды идет в УФАМК для выбора следующей микрокоманды. На выбор следующей микрокоманды влияют результаты выполнения предыдущей микрооперации, поступающей из операционного блока. Процесс идет до выполнения всех операций в составе команды. Для кодирования микрокоманд используется несколько форматов: Горизонтальное кодирование: поле команды, соответствующее коду микрооперации представлялось в виде V1 V2 V Адрес. Каждый разряд поля соответствует одному функциональному сигналу УУ, соответствующему некоторой микрооперации операционного устройства. Если в этом поле - «1» то это значит, что соответствующая микрооперация будет инициализирована независимо от содержания других рядов этого поля. В таком случае каждой микрокоманде единичные разряды поля микрооперации обеспечивают выполнение соответствующих функций операционного устройства. Недостаток - длина микрокоманды, учитывая, что количество микроопераций может составлять несколько сот. С другой стороны, учитывая, что многие микрокоманды несовместимы, соответствующее поле микрокоманды будет состоять практически из нулей. Вертикальное кодирование. В поле микрооперации находится код микрооперации, который для дальнейшего использования требует дешифратора. Недостаток – «длинный» микропрограммы, т.к. в каждом такте сигналов синхронизации может быть активизирована только одна микрооперация. На практике распространено смешанное кодирование в 2-х вариантах: вертикально-горизонтальное и горизонтально-вертикальное. Ветртикално-горизонтальное: всё множество операций V разбивается на k подмножеств Vi. Каждое подмножество размещается в составе поля микрооперации, занимая фиксированный размер в составе поля. Такие микрокоманды называют микрокоманды с полевой структурой. Каждое такое выделенной поле управляет некоторым подмножеством микроопераций, задавая код данной микрооперации. В результате требуется k дешифраторов. Данный подход позволяет объединять в одном такте выполнение k микроопераций. Горизонтально-вертикальное содержит поле микрооперации из двух частей:V1 V2 Vk lПервая область содержит некоторые управляющие сигналы, содержание и значение которых зависит от кода во второй области.

                    В состав АТС входят: коммутационная система и управляющие устройства; вводные устройства для подключения телефонных линий связи к коммутационной системе; установка электрического питания; вспомогательные устройства (вентиляционные, отопительные и пр.).   Коммутационная система (КС) и управляющие устройства (УУ) обычно размещаются в автоматном зале (рис. 1 ). Через КС под управлением УУ образуются соединительные пути между входами ЛТС и её выходами; выбор соединит, пути осуществляется на основании информации о номере вызываемого абонента, которая поступает от телефонного аппарата , вызывающего абонента. КС комплектуется из групп коммутационных устройств, содержащих фиксированное число входов и выходов и конструктивно выполненных в виде плат, панелей, блоков и стативов. В большинстве существующих систем АТС установление соединения между входом и выходом производится поэтапно — методом последовательного поиска и выбора отрезков соединительного пути (на каждом этапе — определённым набором коммутационных устройств, снабженным своим УУ и называемым ступенью искания)

2 Схемы  Устройство управления

                Рассматриваются принципы построения схемного и микропрограммного устройств управления. Даны различные схемы реализации датчика сигнала, входящего в состав УУ. Представлена микропрограмма для управления арифметико-логическим устройством, описанным в лекции 7.

        Компьютер  условно можно разделить на  два основных блока: операционный  и управляющий. Для реализации  любой команды необходимо на  соответствующие управляющие входы  любого устройства компьютера  подать определенным образом  распределенную во времени последовательность  управляющих сигналов. Часть цифрового  вычислительного устройства, предназначенная  для выработки этой последовательности, называется устройством управления.

                Любое действие, выполняемое в  операционном блоке, описывается  некоторой микропрограммой и  реализуется за один или несколько  тактов. Элементарная функциональная  операция, выполняемая за один  тактовый интервал и приводимая  в действие управляющим сигналом, называется микрооперацией. Например, в спроектированном АЛУ для  умножения чисел в первом такте  выполняются следующие микрооперации: TX=0, TY=0, RGX=|X|, RGY=|Y|, RGZ=0. Совокупность микроопераций,  выполняемых в одном такте,  называется микрокомандой (МК). Если  все такты должны иметь одну  и ту же длину, а именно  это имеет место при работе  компьютера, то она устанавливается  по самой продолжительной микрооперации.  Микрокоманды, предназначенные для  выполнения некоторой функционально  законченной последовательности  действий, образуют микропрограмму. Например, микропрограмму образует  набор микрокоманд для выполнения  команды умножения.

                 Устройство управления предназначено  для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит  преобразование информации в  арифметико-логическом устройстве, а также операции по записи  и чтению информации в/из запоминающего устройства.

Устройства управления делятся  на:

• УУ с жесткой, или схемной логикой и
• УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).

         В устройствах  управления первого типа для  каждой команды, задаваемой кодом  операции, строится набор комбинационных  схем, которые в нужных тактах  вырабатывают необходимые управляющие  сигналы.

        В микропрограммных УУ каждой команде ставится в соответствие совокупность хранимых в специальной памяти слов - микрокоманд. Каждая из микрокоманд содержит информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в данном такте, и указание, какое слово должно быть выбрано из памяти в следующем такте.

       Схемное устройство  управления

Устройство управления схемного типа (рис. 2 состоит из:

• датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шинам (рис. 3 ) (n - общее количество управляющих сигналов, необходимых для выполнения любой операции; m - количество тактов, за которое выполняется самая длинная операция);
• блока управления операциями, осуществляющего выработку управляющих сигналов, то есть коммутацию сигналов, поступающих с ДС, в соответствующем такте на нужную управляющую шину;
• дешифратора кода операций, который дешифрирует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, и возбуждает одну шину, соответствующую данной операции; этот сигнал используется блоком управления операциями для выработки нужной последовательности управляющих сигналов.

Рис. 2. Функциональная схема схемного устройства управления

Рис. 3. Временная диаграмма работы датчика сигналов

        Датчик сигналов  обычно реализуется на основе  счетчика с дешифратором или  на сдвиговом регистре.

                 Датчик сигналов на основе счетчика с дешифратором

                  Реализация датчика сигналов  на основе счетчика с дешифратором  представлена на рис. 4. По заднему  фронту каждого тактового импульса, поступающего на устройство управления  с системного генератора импульсов,  счетчик увеличивает свое состояние;  выходы счетчика соединены со входами дешифратора, выходы которого и являются выходами датчика сигналов (рис. 5).