Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины 127
Устройство управления
Назначение устройства управления (УУ) было определено ранее при рассмотре­нии структурной схемы ВМ, где отмечалось, что эта часть ВМ организует автома­тическое выполнение программ и функционирование ВМ как единой системы. Теперь остановимся на описании узлов, реализующих целевую функцию УУ.
Счетчик команд
Счетчик команд (СК) — неотъемлемый элемент устройства управления любой ВМ, построенной в соответствии с фон-неймановским принципом программного уп­равления. Согласно этому принципу соседние команды программы располагают­ся в ячейках памяти со следующими по порядку адресами и выполняются преиму­щественно в той же очередности, в какой они размещены в памяти ВМ. Таким образом, адрес очередной команды может быть получен путем увеличения адреса ячейки, из которой была считана текущая команда, на длину выполняемой команды, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима и при-
1 2 8 Глава 3. Функциональная организация фон-неймановской ВМ
зван обеспечивать счетчик команд — двоичный счетчик, в котором хранится и мо­дифицируется адрес очередной команды программы. Перед началом вычислений в СК заносится адрес ячейки основной памяти, где хранится команда, которая дол­жна быть выполнена первой. В процессе выполнения каждой команды путем уве­личения содержимого СК на длину выполняемой команды в счетчике формирует­ся адрес следующей подлежащей выполнению команды. В рассматриваемой ВМ любая команда занимает одну ячейку, поэтому содержимое СК увеличивается на единицу, что обеспечивается подачей сигнала управления +1СК По завершении текущей команды адрес следующей команды программы всегда берется из счетчи­ка команд. Для изменения естественного порядка-вычислений (перехода в иную точку программы) достаточно занести в СК адрес точки перехода.
Хотя термин «счетчик команд» считается общепринятым, его нельзя признать вполне удачным из-за того, что он создает неверное впечатление о задачах данного узла. По этой причине разработчики ВМ используют иные названия, в частности . программный счетчик (PC, Program Counter) или указатель команды (IP, Instruction Pointer). Последнее определение представляется наиболее удачным, поскольку точ­нее отражает назначение рассматриваемого узла УУ. .
В заключение добавим, что в ряде ВМ счетчик команд реализуется в виде обыч­ного регистра, а увеличение его содержимого производится внешней схемой (схе­мой инкремента/декремента).
Регистр команды
Счетчик команд определяет лишь местоположение команды в памяти, но не со­держит информации о том, что это за команда. Чтобы приступить к выполнению команды, ее необходимо извлечь из памяти и разместить в регистре команды (РК). , Этот этап носит название выборки команды. Только с момента загрузки команды в РКона становится «видимой» для процессора. В РК команда хранится в течение , всего времени ее выполнения. Как уже отмечалось ранее, любая команда содер- ;; жиг два поля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоя- . тельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регист- * ров —регистра кода операции (РКОп) ирегистраадреса (РА), в которых хранятся -р соответствующие составляющие команды.                                                          V'
Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции ~] всегда находится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым. Это позволяет по коду операции определить, требуются ли считывание из памяти } и загрузка в РК остальных слов команды. Собственно выполнение команды начи- '■■ нается только после занесения в РК ее полного кода.
Указатель стека
Указатель стека (УС) — это регистр, где хранится адрес вершины стека. В реаль­ных вычислительных машинах стек реализуется в виде участка основной памяти, обычно расположенного в области наибольших адресов. Заполнение стека проис­ходит в сторону уменьшения, адресов, при этом вершина стека — это ячейка, куда была произведена последняя по времени запись. Для хранения адреса такой ячей­ки и предназначен УС. При выполнении операции push (занесение в стек) содер-
Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины 129
жимое УС с помощью сигнала -1УС сначала уменьшается на единицу, после чего используется в качестве адреса, по которому производится запись. Соответствую­щая ячейка становится новой вершиной стека. Считывание из стека (операция/^,) происходит из ячейки, на которую указывает текущий адрес в УС, после чего со­держимое указателя стека сигналом +1УС увеличивается на единицу. Таким обра­зом, вершина стека опускается, а считанное слово считается удаленным из стека. Хотя физически считанное слово и осталось в ячейке памяти, при следующей за­писи в стек оно будет заменено новой информацией.
Регистр адреса памяти
Регистр адреса памяти (РАП) предназначен для хранения адреса ячейки основ­ной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячей­кой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии ОП и прочих устройств машины.
Регистр данных памяти
Регистр данных памяти (РД П) призван компенсировать разницу в быстродействии запоминающих устройств и устройств, выступающих в роли источников и потре­бителей хранимой информации. В РДП при чтении заносится содержимое ячейки ОП, а при записи — помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Собственно момент считывания и записи в ячейку определяется сигналами ЧгЗУ и ЗпЗУ соответственно.
Дешифратор кода операции                                  ^
Дешифратор кода операции (ДКОп) преобразует код операции в форму, требуе­мую, для работы микропрограммного автомата (МПА). Информация после деко­дирования определяет последующие действия МПА, а ее вид зависит от организа­ции МПА. В рассматриваемой ВМ — это унитарный код УнигК Часто код операции преобразуется в адрес первой команды микропрограммы, реализующей указанную в команде операцию. С этих позиций ДКОп правильнее было бы назвать не де­шифратором, а преобразователем кодов.
Микропрограммный автомат
Микропрограммный автомат (МПА) правомочно считать центральным узлом ус­тройства управления. Именно МПА формирует последовательность сигналов уп­равления, в соответствии с которыми производятся все действия, необходимые для выборки из памяти и выполнения команд. Исходной информацией для МПА слу­жат: декодированный код операции, состояние признаков (флагов), характеризу­ющих результат предшествующих вычислений, а также внешние запросы на пре­рывание текущей программы и переход на программу обслуживания прерывания.
Арифметико-логическое устройство
Это устройство, как следует из его названия, предназначено для арифметической и логической обработки данных. В машине, изображенной на рис. 3.1, оно содер­жит следующие узлы.
5 Зак. 470
Hosted by uCoz