3 0 0 Глава 6. Устройства управления

Микропрограммный автомат с жесткой логикой

Обычно тип микропрограммного автомата (МПА), формирующего сигналы управления, определяет название всего УУ. Так, УУ с жесткой логикой управления имеет в своем составе МПАс жесткой (аппаратной) логикой. При создании такого МПА выходные сигналы управления реализуются за счет однажды соединенных между собой логических схем.

Типичная структура микропрограммного автомата с жесткой логикой управления показана на рис. 6.6.

Исходной информацией для УУ (см. рис. 6.2) служат: содержимое регистра команды, флаги, тактовые импульсы и сигналы, поступающие с шины управления.

Код операции, хранящийся в РК, используется для определения того, какие СУ и в какой последовательности должны формироваться, при этом, с целью упрощения логики управления, желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции (/„, /,,..., I_k). Это может быть реализовано с помощью дешифратора. Дешифратор кода операции преобразует код j-й операции, поступающей из регистра команды (РК), в единичный сигнал Haj-м выходе.

Машинный цикл выполнения любой команды состоит из нескольких тактов. Сигналы управления, по которым выполняется каждая микрооперация, должны вырабатываться в строго определенные моменты времени, поэтому все СУ «привязаны» к импульсам синхронизации (СИ), формируемым узлом синхроимпульсов. Период СИ должен быть достаточным для того, чтобы сигналы успели распространиться по трактам Данных и другим цепям. Каждый СУ ассоциируется с одним из тактовых периодов в рамках машинного цикла. Формирование сигналов, отмечающих начало очередного тактового периода, возлагается на синхрониза-

Микропрограммный автомат с жесткой логикой 301

тор. Синхронизатор содержит счетчик тактов, осуществляющий подсчет СИ. Узел синхроимпульсов после завершения очередного такта работы добавляет к содержимому счетчика тактов единицу. К выходам счетчика подключен дешифратор тактов, с которого и снимаются сигналы тактовых периодов: Τ_ν.., Тп. В i-м состоянии счетчика тактов, то есть во время i-ro такта, дешифратор тактов вырабатывает единичный сигнал на своем i-м выходе. При такой организации в УУ должна быть предусмотрена обратная связь, с помощью которой по окончании цикла команды счетчик тактов опять устанавливается в состояние Г,.

Дополнительным фактором, влияющим на последовательность формирования СУ, являются состояние осведомительных сигналов (флагов), отражающих ход вычислений, и сигналы с шины управления. Эта информация также поступает на вход УУ, причем каждая линия здесь рассматривается независимо от остальных.

Процесс синтеза схемы МПА с жесткой логикой называется структурным синтезом и разделяется на следующие этапы:

• выбор типа логических и запоминающих элементов;

• кодирование состояний автомата;

• синтез комбинационной схемы, формирующей выходные сигналы.

Чтобы определить способ реализации МПА с жесткой логикой, необходимо описать внутреннюю логику УУ, формирующую выходные сигналы управления, как булеву функцию входных сигналов. Канонический метод структурного синте-

3 02 Глава 6. Устройства управления

за МПА был предложен В. М. Глушковым. Согласно этому методу, задача синтеза автомата сводится к синтезу комбинационной схемы путем построения системы логических функций с последующей их минимизацией.

Принцип построения логических схем формирования управляющих сигналов поясняется на рис. 6.7. Здесь показан фрагмент схемы, обеспечивающей выработку управляющего сигнала С_к в i-м и S-м тактах выполнения команды с кодом опе-рацииу, причем сигнал С_к появляется в i-м такте только при значениях осведомительных сигналов xl=l и хЗ=1 S-м такте всегда.

Таким образом, название «жесткая логика» обусловлено тем, что каждой микропрограмме здесь соответствует свой набор логических схем с фиксированными связями между ними. При реализации простой системы команд узлы МПА с жесткой логикой экономичны и позволяют обеспечить наибольшее быстродействие из всех возможных методов построения МПА. Однако с возрастанием сложности системы команд соответственно усложняются и схемы автоматов с жесткой логикой, в результате чего уменьшается их быстродействие. Второй недостаток МПА с жесткой логикой — малая регулярность, а следовательно, и большие трудности при размещении УУ такого типа на кристалле интегральной микросхемы.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Принципиально иной подход, позволяющий преодолеть сложность УУ с жесткой логикой, был предложен британским ученым М. Уилксом в начале 50-х годов [224]. В основе идеи лежит тот факт, что для инициирования любой микрооперации достаточно сформировать соответствующий СУ на соответствующей линии управления, то есть перевести такую линию в активное состояние. Это может бьпь представлено с помощью двоичных цифр 1 (активное состояние — есть СУ) и О (пассивное состояние — нет СУ). Для указания микроопераций, выполняемых в данном такте, можно сформировать управляющее слово, в котором каждый бит соответствует одной управляющей линии. Такое управляющее слово называют микрокомандой (МК). Таким образом, микрокоманда может быть представлена управляющим словом со своей комбинацией нулей и единиц. Последовательность микрокоманд, реализующих определенный этап машинного цикла, образует микропрограмму. В терминологии на английском языке микропрограмму часто называют firmware, подчеркивая тот факт, что это нечто среднее между аппаратурой (hardware) и программным обеспечением (software). Микропрограммы для каждой команды ВМ и для каждого этапа цикла команды размещаются в специальном ЗУ, называемом памятью микропрограмм (ПМК). Процесс формирования СУ можно реализовать, последовательно (с каждым тактовым импульсом) извлекая микрокоманды микропрограммы из памяти и интерпретируя содержащуюся в них информацию о сигналах управления.

' Аналогичную идею, независимо от Уилкса, в 1957 году выдвинул российский ученый Н. Я. Мало- -хин. Предложенное им УУ с программируемой логикой было реализовано в 1962 году в специализированной ВМ «Тетива», предназначенной для системы противовоздушной обороны.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой 3 0 3

Идея заинтересовала многих конструкторов ВМ, но была нереализуема, поскольку требовала использования быстрой памяти относительно большой емкости. Вновь вернулись к ней в 1964 году, в ходе создания системы IBM 360. С тех пор устройства управления с программируемой логикой стали чрезвычайно популярными и были встроены во многие ВМ. В этой связи следует упомянуть запатентованный академиком В. М. Глушковым принцип ступенчатого микропрограммирования, который он впервые реализовал в машине «Проминь».

Принцип управления по хранимой в памяти микропрограмме

Отличительной особенностью микропрограммного автомата с программируемой логикой является хранение микрокоманд в виде кодов в специализированном запоминающем устройстве — памяти микропрограмм. Каждой команде ВМ в этом ЗУ в явной форме соответствует микропрограмма, поэтому часто устройства управления, в состав которых входит микропрограммный автомат с программируемой логикой, называют микропрограммными.

Типичная структура микропрограммного автомата представлена на рис. 6.8. В составе узла присутствуют: память микропрограмм (ПМП), регистр адреса микрокоманды (РАМ), регистр микрокоманды (РМК), дешифратор микрокоманд (ЦшМК), преобразователь кода операции, формирователь адреса следующей мик-. рокоманды (ФАСМ), формирователь синхроимпульсов (ФСИ).