Назначение и Классификация ЦУУ

Центральное устройство управления — это комплекс средств автоматического управления процессом передачи и обработки информации. ЦУУ вырабатывает управляющие сигналы (УС), необходимые для выполнения всех операций, предусмотренных системой команд, а также координирует работу всех узлов и блоков ЭВМ. В связи с этим можно считать ЦУУ преобразователем первичной командной информации, представленной программой решения задачи, во вторичную командную информацию, представляемую управляющими сигналами.

В общем случае ЦУУ формирует управляющие сигналы для реализации следующих функций:

¨ выборки из памяти кода очередной команды;

¨ расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

¨ выборки операндов и выполнения машинной операции;

¨ обеспечения прерываний при выполнении команд;

¨ формирования адреса следующей команды;

¨ учета состояний других устройств машины;

¨ инициализации работы контроллеров (каналов) ввода-вывода;

¨ организации контроля работоспособности ЭВМ.

К основным характеристикам ЦУУ следует отнести:

- принцип формирования и развертывания временной последовательности управляющих сигналов;

- способ построения цикла работы ЦУУ и ЭВМ в целом;

- общая организация управления ЭВМ;

- способ синхронизации узлов и блоков ЭВМ.

По принципу формирования и развертывания временной последовательности УС различают ЦУУ:

¨ аппаратного (схемного) типа, выполненным в виде управляющего автомата с жесткой логикой, в котором функции переходов и выходов реализуются набором логических элементов, а требуемое количество состояний автомата задается множеством запоминающих элементов;

¨ микропрограммного типа, в которых блок управления реализован как блок микропрограммного управления.

По способу построения рабочего цикла различают ЦУУ:

¨ с прямым циклом,

На первом этапе производится выборка из памяти команды, а затем следуют этапы выполнения машинной операции.

¨ с обращенным циклом,

В первую очередь выдаются управляющие сигналы для выполнения машинной операции по коду команды, поступившей в ЦУУ на предыдущем цикле (предвыборка команд), а затем из памяти выбирается код команды, которая будет исполняться в следующем цикле.

¨ с совмещением во времени циклов выполнения нескольких команд (конвейером команд).

По способу синхронизации работы ЭВМ в зависимости от числа тактов в цикле выполнения команды различают ЦУУ:

¨ с постоянным числом тактов;

¨ с переменным числом тактов.

В микропрограмме рабочего цикла выделяют общую и специальную части. К общей части относятся микрокоманды, исполняемые в цикле любой команды: выборка команды, анализ запросов на прерывание, формирование адреса следующей команды, анализ состояния процессора. Эти микрокоманды выполняются за постоянное число тактов.

К специальной части относятся микрокоманды, по которым вырабатываются управляющие сигналы в зависимости от содержания операционной части исполняемой команды. В этом случае количество тактов будет переменным для различных команд. В современных ЭВМ с различной структурой используемых команд, число тактов зависит от формата выбираемой команды, структуры ее адресной части и длины операндов.

По общей организации управление может быть:

¨ централизованным

Блок управления ЦУУ вырабатывает все УС микроопераций для всех команд, выполняемых процессором;

¨ смешанным

Применяются в процессорах, операционные и другие устройства которых имеют собственные узлы местного управления. Тогда блок управления ЦУУ, помимо сигналов микроопераций, вырабатывает так же сигналы для блоков местного управления;

По принципу организации циклов различают ЦУУ:

¨ синхронного типа, в которых время цикла может быть постоянным или переменным;

¨ асинхронного типа, в которых продолжительность цикла определяется фактическими затратами времени на выполнение каждой операции. В этом случае необходимо вырабатывать сигналы об окончании операции;

¨ смешанного типа, где частично реализуются оба предыдущих принципа организации циклов.

 

 

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЦП

ЦУУ с жесткой логикой.

Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) – представляет собой логическую схему, вернее совокупность логических схем, вырабатывающих распределенные во времени функциональные управляющие сигналы. Изменить логику работы у таких управляющих автоматов можно, только переделав схему. Множество состояний таких управляющих автоматов задается набором запоминающих элементов (ячеек памяти), а функции переходов и выходов – реализуются набором логических элементов. При синтезе таких управляющих автоматов применяются законы алгебры логики. Синтез комбинационной схемы (КС) автомата происходит в несколько этапов.

¨ построение таблицы истинности;

¨ построение функций переходов и выходов;

¨ минимизация функций переходов и выходов;

¨ построение схемы в требуемом элементном базисе.

 

Обобщенная структурная схема автомата с жесткой логикой приведена на рис. 5.7.

 

 

Состояние счетчика тактов, входящего в структурную схему автомата с жесткой логикой (рис. 5.7), представляет собой номер такта от 1 до N. DC тактов формирует на i-ом выходе единичный сигнал при i-ом состоянии счетчика тактов, то есть во время i-ого такта. DC кода операции вырабатывает единичный сигнал на j-ом выходе, если исполняется j-ая команда. Логические схемы образования функциональных сигналов возбуждают формирователи функциональных управляющих сигналов для выполнения требуемых в данном такте микроопераций. Принцип построения логической схемы образования функциональных сигналов и формирования выходящих управляющих сигналов отражен на рис 5.8.

 

Здесь показан фрагмент схемы, обеспечивающей выработку управляющего сигнала v_k в i-м и n-м тактах выполнения j-й команды. В общем случае значения управляющих сигналов зависят еще и от оповещающих сигналов, отражающих ход вычислительного процесса. Эти оповещающие сигналы поступают от операционных блоков ЭВМ. Для реализации этих зависимостей элементы, представленные на рис. 5.8, берутся многовходовыми и на них заводятся требуемые сигналы логических условий.

Схема формирования тактовых сигналов (датчик тактовых сигналов) может строиться на основе использования регистра сдвига, по которому двигается одна единица, что не требует использования дешифратора.