Классификация устройств управления

Рис. 4. Схема датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Рис. 5. Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Датчик сигналов на сдвиговом регистре

                   Проектирование датчика сигналов  на сдвиговом регистре требует  лишь его "закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится информация при сдвиге, и первоначальной установки (рис. 6). В начальном состоянии регистр содержит "1" только в разряде 0. Входы параллельной загрузки регистра для его начальной установки и соответствующий этой операции управляющий вход регистра на схеме не показаны.

Рис. 6. Схема датчика сигналов на основе регистра сдвига

Временная диаграмма работы этой схемы  приведена на рис. 7

Рис. 7. Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе регистра сдвига.

             Наиболее сложной частью схемного  устройства управления является  блок управления операциями. Он  представляет собой нерегулярную  схему, структура которой определяется  системой команд и составом  оборудования процессора. Такое  УУ может быть реализовано  в виде специализированной интегральной  схемы.

 

         3  Структурная схема микропрограммного устройства управления

           Микропрограммное  устройство управления представлено  на рис. 8. Преобразователь адреса  микрокоманды преобразует код  операции команды, присутствующей  в данный момент в регистре  команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а  также определяет адрес следующей  микрокоманды выполняемой микропрограммы  по значению адресной части  текущей микрокоманды.

Рис. 8. Функциональная схема микропрограммного  устройства управления (УСi - управляющие сигналы, вырабатываемые устройством управления)

              Натаблице 1 приведен пример микропрограммы для выполнения операции умножения чисел в дополнительном коде. Предполагается, что начальный адрес микропрограммы равен 300, количество разрядов множителя равно 2, а адресная часть микрокоманды содержит адрес  микрокоманды, которая должна быть выбрана в следующем такте. В последней микрокоманде в регистр команд загрузится очередная команда, код операции которой определит начальный адрес очередной микропрограммы. В реальных микропрограммных устройствах управления формирование адреса следующей микрокоманды проводится более сложным образом, учитывающим возможности ветвлений и циклического повторения отдельных фрагментов микропрограмм.

Адрес МК У С1 УС2 УС3 УС4 УС5 УС6 Сигнал записи в РК Адрес следующей МК

   300    1 0 1 0 0 1             0                       301

   301    0 0 0 0 1 0              0                       302

  302    0 1 0 1 0 0              0                       303

  303    0 0 0 0 1 0               0                       304

  304    0 1 0 1 0 0              1                          X

                    Из анализа структуры и принципов  работы схемного и микропрограммного  устройств управления видно, что  УУ первого типа имеют сложную  нерегулярную структуру, которая  требует специальной разработки  для каждой системы команд  и должна практически полностью  перерабатываться при любых модификациях  системы команд. В то же время  оно имеет достаточно высокое  быстродействие, определяемое быстродействием  используемого элементного базиса.

 

               Устройство управления, реализованное  по микропрограммному принципу, может легко настраиваться на  возможные изменения в операционной  части ЭВМ. При этом настройка  во многом сводится лишь к  замене микропрограммной памяти. Однако УУ этого типа обладают  худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.

4 Устройства  управление портами компьютера.

Внешние порты компьютера. Виды портов компьютера.

         Если посмотреть на корпус сзади компьютера, то видим множество «гнезд» или «разъемов». В компьютерной терминологии принято употреблять слово «порт». Это и есть - внешние порты компьютера. Рассмотрим, какие же виды портов компьютера бывает.

 

           Параллельный порт (LPT) (25-контактный разъем). Предназначено, для подключения принтера, сканера и внешних устройств – накопителей информации, т.е. для резервного копирования информации. До недавне¬го времени отличался сравнительно высокой скоростью передачи дан¬ных, около 2 Мбайт/с. Как правило, LPT-разъем на задней стенке компьютера, только один.

           Последовательные порты (СОМ) (9- и 25-контактный разъем). Отличаются куда меньшей скоростью, около 112 кбайт/с. Потому и выпадала на их долю поддержка не быстрых устройств - например, мыши и модема. Первоначально СОМ-портов было на ком¬пьютере четыре штуки, однако со временем их осталось лишь два. Потому-что мышь подключили последовательному порту на свой собственный разъем PS/2, разделив его с клавиатурой, а на долю СОМ - порта осталась лишь поддержка медлительного модема. Со временем, впрочем, и этот вечный поклонник СОМ - порта неизбежно эмигрирует к новому порту USB - и тогда СОМ-порт окончательно и бесповоротно уйдет в прошлое.

             Порт PS/2. В свое время мышь и клавиатура, схожие как по своему назначению (устройства управления), так и по низким требованиям к скорости передачи данных, были подключены в совер¬шенно разные разъемы. Мышь с модемом на СОМ - разъеме, а клавиатура имела свой собственный, разъем. Со временем было решено создать для этой внешних устройств гнезда. Так и родился разъем PS/2, по¬явившийся на массовых материнских платах в 1998 году. Подключить к нему что-то кроме клавиатуры и мыши у вас вряд ли получится, пото¬му и долго говорить о нем нет нужды. Эти разъемы предназначены, только для - мыши и клавиатуры. Поэтому под обоими разъе¬мами на задней стенке компьютера имеются подписи - соответствен¬но, Mouse и Keyboard.

         5  Блок управления памятью

           Блок управления памятью или устройство управления памятью (англ. memory management unit, MMU) — компонент аппаратного обеспечения компьютера, отвечающий за управление доступом к памяти, запрашиваемым центральным процессором. Его функции заключаются в трансляции адресов виртуальной памяти в адреса физической памяти (то есть управление виртуальной памятью), защите памяти, управлении кеш-памятью, арбитражем шины и, в более простых компьютерных архитектурах (особенно 8-битных), переключением блоков памяти. Иногда также упоминается как блок управления страничной памятью (англ. Paged memory management unit, PMMU)

          В настоящее время, чаще всего, упоминается в связи с организацией т. н. виртуальной памяти и, следовательно, критически важен для многих современных многозадачных операционных систем, включая все современные Windows NT и многие из UNIX‐подобных. Специальная редакция ядра Linux, μClinux, может работать без MMU.

 

Блок управления памятью в настоящее  время очень часто включается в состав центрального процессора или  чипсета компьютера.

            Принципы работы

           Принцип работы современных MMU основан на разделении виртуального адресного пространства (одномерного массива адресов, используемых центральным процессором) на участки одинакового, как правило несколько килобайт, хотя, возможно, и существенно большего, размера равного степени 2, называемые страницами. Младшие n бит адреса (смещение внутри страницы) остаются неизменными. Старшие биты адреса представляют собой номер (виртуальной) страницы. MMU обычно преобразует номера виртуальных страниц в номера физических страниц используя буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation Lookaside Buffer, TLB). Если преобразование при помощи TLB невозможно, включается более медленный механизм преобразования, основанный на специфическом аппаратном обеспечении или на программных системных структурах. Данные в этих структурах как правило называются элементами таблицы страниц (англ. page table entries (PTE)), а сами структуры — таблицами страниц (англ. page table, PT). Конкатенация номера физической страницы со смещением внутри страницы дает физический адрес.

                  Элементы PTE или TLB могут также содержать дополнительную информацию: бит признака записи в страницу (англ. dirty bit), время последнего доступа к странице (англ. accessed bit, для реализации алгоритма замещения страниц наиболее давно использованный (англ. least recently used, LRU), какие процессы (пользовательские (англ. user mode) или системные (англ. supervisor mode)) могут читать или записывать данные в страницу, необходимо ли кэшировать страницу.

                 Последовательный порт и интерфейс USB. Порт USB(Universal Serial Bus) – называют универсальным портом, т.к. он призван положить конец раз¬нобою портов и устройств на компьютере. Теперь все они должны под¬ключаться только через USB! Известно, если к каждому из старых портов можно было подклю¬чить только одно устройство, то на один USB-порт их можно подклю¬чить 127. Потому что все USB-устройства могут подключаться к компьютеру «по цепочке. Единственное правило, которое следует соблюдать при работе с USB - первыми в цепочке должны быть самые производительные устройства: принтер, сканер, колонки, накопители. А в самом конце – клавиатура и мышь. Еще одно важное качество USB - этот интерфейс позволяет подключать к компьютеру любые устройства без перезагрузки системы, «горячим» способом. Скорость первой модификации USB составила около 12 Мбайт/с, а сейчас 60-480 Мбайт/с.

             6  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:

Z=X+Y

1. ПрРг1;
2. ПрРгВ;

(+) (-)

3. ПрРгАПК или ПрРгАИК
4. ПрРгСм или ПрРгСм+1
5. ПрШДвых

   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. min количества тактов – однобайтные команды, или команды с min 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.

Рассмотрим, каким образом можно обеспечить образование сигналов управления.

Для этих целей используется комбинации логических элементов «и/или», которые  в зависимости от типа команды (код  команды), № такта и знач. осведомительных  сигналов, формируют необходимые  сигналы упр.

На  примере форм-я сигнала упр. ВР можно говорить, что этот сигнал генерируется при вып. j-й команды во всех тактах, кроме к-го при наличии освидомит. сигнала L.

Для построения устр. упр. с ж. л. используется объединение микропрограмм, включая все выполняемые микропрограммы, кажд. из кот. соотв. некоторому коду команды.

Микропр-ма предст. собой последовательность, а также разветвление выполнения отдельных микропрограмм, в зависимости от кода вып. команды и знач. осведомит. сигналов.

Объедененная микропрограмма м.б. построена по след. схеме:

Для искл. микроопер., вход. во все микропр-ы, их общие части, связ. с начальной инициализацией, а также корректным завершением выполнения, выделяются в общие части микрокоманды. Исключенные части каждой микропер., инициализируются в зав. от кода выполняемой микропрограммы.

 

 

Для исп. понятий автоматов при постр. устр. упр. необходимо выделить состояния устр. упр., а также усл. перехода из 1 сост. в др. Для автомата Мура, в кач. состояний исп. события генерации (возникновение соотв. сигналов упр.).

Некоторые сост. могут порождать в т. сл. формирование нескольких сигналов упр. После этого усл. перехода из сост. в сост. будут иметь значения соотв. осведомит. сигналов.