Глава 7

Операционные устройства вычислительных машин

В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛ У).Учи-тывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, реально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализированных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных системой команд ВМ. С этих позиций следует выделить:

• ОПУ целочисленной арифметики;

• ОПУ для реализации логических операций;

• ОПУ десятичной арифметики;

• ОПУ для чисел с плавающей запятой.

На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в современных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, будем считать, что АЛУ образуют два вида операционных устройств: целочисленное ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ).

В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чисел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобньш вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает.

3 2 8 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

Порядок следования целевых функций полностью определяет динамику работы устройства управления и всей ВМ в целом. Этот порядок удобно задавать и отображать в виде граф-схемы этапов исполнения команды (ГСЭ). Как и граф-схема микропрограммы, ГСЭ содержит начальную, конечную, операторные и условные вершины. В начальной и конечной вершинах проставляется условное обозначение конкретной команды, а в условной вершине записывается логическое условие, влияющее на порядок следования этапов. В операторные вершины вписываются операторы этапов.

По форме записи оператор этапа — это оператор присваивания, в котором:

• слева от знака присваивания указывается наименование результата действий, выполненных на этапе;

• справа от знака присваивания записывается идентификатор целевой функции, определяющей текущие действия, а за ним (в скобках) приводится список исходных данных этапа.

Исходной информацией для первого этапа служит хранящийся в счетчике команд адрес A_Ki текущей команды К₍. Процесс выборки команды отображается оператором первого этапа: Ki := ВК(А_К1).

Адрес А|д обеспечивает также второй этап, результатом которого является адрес следующей команды A_Ki+1, поэтому оператор второго этапа имеет вид: А_км := ФАСК(А_К1).

В качестве исходных данных для третьего этапа машинного цикла выступают содержащиеся в коде текущей команды способ адресации CAi (он определяет конкретную модификацию ЦФ-ФИАО) и код адресной части Aj. Результатом становится исполнительный адрес операнда А_ксп := ФИА(С_А,·, AJ.

Полученный адрес используется на четвертом этапе для выборки операнда О, := В0(А_исп).

Результат исполнения операции РО,, получаемый на пятом этапе машинного цикла, зависит от кода операции i-Й команды К0п₍ (определяет модификацию ЦФ-ИО), кода первого операнда Oj и кода второго операнда — результата цредыдугцей (i—1)-й операции POi-1: POi := И0(К0п„ 0„ P0i-1).

В соответствии со структурой граф-схемы этапов все команды ВМ можно разделить на три типа:

• команды типа «Сложение» (Сл);

• команды типа «Запись» (Зп);

• команды типа «Условный переход» (УП).

Типовые граф-схемы этапов представлены на рис. 6.1.

Видно, что количество этапов в командах типа «Сл» (см. рис. 6.1, а) колеблется от трех (для непосредственной адресации НА) до пяти. При непосредственной адресации второй операнд записан в адресной части команды, поэтому нет необходимости в реализации устройством управления целевых функций ЦФ-ФИА, ЦФ-ВО. Количество этапов для команд типа «Зп» постоянно и равно четырем (см. рис. 6.1, б) — здесь отсутствует необходимость в ЦФ-ВО. Машинный цикл команд типа «УП» состоит из трех этапов (см. рис. 6.1, в), поскольку здесь, помимо выборки операнда, можно исключить и этап ФАСК — действия, обычно выполняемые на этом этапе, фактически реализуются на этапе ПО.

Структуры операционныхустройств 3 2 9


Сложение и вычитание с фиксированной запятой, сдвиги, логические операции	Умножение и деление с фиксированной запятой	Арифметические операции с плавающей запятой	Элементарные функции, матричные операции
., Аппаратура		Программа
j Аппаратура		Программа
Аппаратура			Программа

Рис. 7.1. Динамика изменения соотношения между аппаратной и программной реализациями

функций АЛУ

На рис. 7.1 показана динамика изменения соотношения между аппаратной и программной реализациями функций АЛУ по мере развития элементной базы вычислительной техники. Здесь подразумевается, что по вертикальной оси откладывается календарное время.

Структуры операционныхустройств

Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, называется структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:

• регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;

• управляемые шины, предназначенныедля передачи слов данных;

• комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.

Используя методику, изложенную в [21], можно синтезировать ОПУ с так называемой канонической структурой, являющуюся основополагающей для синтеза других структур. Такая структура образуется путем замены каждого элемента реализуемой функции соответствующим элементом структурного базиса. Каноническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с другими вариантами структур, однако по затратам оборудования является избыточной. С практических позиций больший интерес представляют два иных вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.

Операционные устройства с жесткой структурой

В ОПУ с жесткой структурой комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ с жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение», приведен на рис. 7.2.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

• регистр первого слагаемогоРСл1 и схемаЛРСл1;

• регистр второго слагаемого РСл 2 и схемаЛРСл2;

• регистр суммыРСм и схема комбинационного сумматораСм.



	Глава 7 Операционные устройства вычислительных машин В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛ У).Учи-тывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, реально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализированных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных системой команд ВМ. С этих позиций следует выделить: • ОПУ целочисленной арифметики; • ОПУ для реализации логических операций; • ОПУ десятичной арифметики; • ОПУ для чисел с плавающей запятой. На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в современных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, будем считать, что АЛУ образуют два вида операционных устройств: целочисленное ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ). В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чисел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобньш вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает.