АЛУ предназначается для выполнения арифметических и логических операций, т.е. в АЛУ происходит преобразование над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над битами, байтами, словами), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины, а также операции преобразования кодов из одной системы счисления в другую.

Блок РОН позволяет увеличить производительность процессора и расширить его функциональные возможности. Обычно местная память имеет небольшой объем (8-16 байт), но выполняется на быстрых регистрах (на элементной базе самого процессора). Для адресации регистров используются укороченные команды, что сокращает объем программы и, следовательно, время ее выполнения. Расширение функциональных возможностей осуществляется путем введения в РОНы базовых и индексных регистров, а также указателей стека, что позволяет увеличить возможности адресации.

Блок связи с ОП и ПУ организует обмен с ОП и ПУ и обеспечивает защиту участков ОП от несанкционированного доступа .

Часто в состав процессора вводят блок контроля и диагностики, который служит для обнаружения и отказов аппаратуры процессора.

4.2 Декомпозиция процессора на УА и ОУ

При разделении процессора на управляющий автомат УА(УУ) и операционное устройство ОУ(АЛУ), его можно представить в следующем виде.(см. рисунок 4.2)

Рисунок 4.2 – Структура процессора при декомпозиции его на УА и ОУ

На приведенном рисунке Y={y1,y2… yn}-множество функциональных сигналов, управляющих ходом выполнения операций. Каждый функциональный сигнал соответствует выполняемой микрооперации на некотором такте работы ЭВМ. U={u1, u2… un}- сигналы, оповещающие о ходе выполнения операции.

Управляющее устройство представляет собой УА, который может быть задан как автомат Мура или Мили.

4.3 Классификация УУ

Существуют два основных типа УУ:

- с жесткой или схемной логикой (аппаратные);

- с хранимой в памяти логикой (микропрограммного управления).

В аппаратных УУ для каждой операции, задаваемой КОП, строится набор схем, которые в нужных тактах формируют соответствующие управляющие сигналы.

В УУ с микропрограммным управлением каждой операции соответствует набор микрокоманд, хранимых в памяти микрокоманд. Каждая микрокоманда несет информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение машинного такта и указания, какая микрокоманда должна быть выбрана из памяти следующей. Последовательность микрокоманд, выполняющая одну машинную команду или некоторую процедуру, образует микропрограмму.

4.4 Микропрограммные УУ

4.4.1 Принцип микропрограммного управления Уилкса

Идея микропрограммного управления была высказана Уилксом в 1951 г. Она заключается в том, что управляющие сигналы “прошиваются” в памяти (ПЗУ, ППЗУ). Схема блока микропрограммного управления БМУ Уилкса следующая (смотри рисунок):

Рисунок 4.4.1 – Упрощенная структура блока микропрограммного управления

Схема содержит две матрицы C и S, Матрица C – управляющая, вырабатывает управляющие сигналы. Матрица S определяет последовательность выборки микрокоманд. Точками указаны места прошивки ПЗУ. Функционирует схема следующим образом.

В момент действия синхросигнала, выдаваемого генератором тактовых импульсов ГТИ, дешифратор (Дш) выбирает одну из l вертикальных линий. Возбуждение передается на те горизонтальные линии, которые соединены (электрически) с данной вертикальной прошивкой. Выработанные управляющие сигналы по шине Y={y1, y2…ym} поступают в АЛУ и регистры процессора, а по шине R={r0,r1…rl} передается адрес следующей микрокоманды в регистр адреса микрокоманды РАМК.

Микропрограммный способ управления удобен при разработке или дополнении любого набора команд, что достигается заменой одной “прошивки” ПЗУ на другое.

4.4.2 Структура блока микропрограммного управления

Структура блока микропрограммного управления (БМУ) приведена на рисунке 4.4.2.

Рисунок 4.4.2 – Структура БМУ

В состав БМУ входят память микрокоманд (ПМК), регистр адреса микрокоманд (РАМК), регистр микрокоманд (РМК), дешифратор микроопераций (ДшМО), генератор тактовых сигналов (ГТС).

Код операции (КОП) поступает из ОП системы на регистр кода операции (РКОП), который задает начальный адрес микропрограммы. Адрес микропрограммы формируется устройством формирования адреса МК (УФАМК) и хранится в РАМК. По этому адресу из памяти микрокоманд (ПМК) БМУ считывается микрокоманда и фиксируется в регистре МК (РМК).

Микрокоманда содержит два основных поля:

КМО дешифрируется и преобразуется в набор управляющих сигналов y1…ym, управляющих функционированием процессора. Адрес следующей микрокоманды поступает в УФАМК, в ркезультате чего производится выборка следующей МК.

Рассмотренный БМУ использует принудительную адресацию МК. БМУ такого типа используются чаще всего. Кроме них используются и БМУ с естественной адресацией, в которых для задания адресов МК используется счетчик микрокоманд Сч МК.

4.5 Развернутая структура процессора и его функционирование

4.5.1 Обобщенная структура процессора с микропрограммным управлением

В состав процессора (см. рисунок 4.5.1) входят блоки АЛУ, РОН, УУ, интерфейсы памяти и УВВ. Данные из памяти и ПУ последовательно передаются через двунаправленную магистраль данных, БРД и внутреннюю магистраль данных на входы АЛУ или РОН. Команды поступают в РК по той же магистрали.

Выполнение некоторой программы начинается с загрузки СчК начальным адресом. Содержимое СчК передается в буферный регистр адреса (БРА) для адресации памяти. Команда, считанная из памяти по входной магистрали, через БРД поступает в РК. КОП команды используется для выборки микропрограммы из ПЗУ и формирования сигналов, управляющих ходом выполнения команды. Адресная часть команды передается в БРА для выборки операндов. Операнды заносятся в аккумулятор А или один из регистров РОН.

Результаты выполнения команд с выхода сумматора () поступают в магистраль данных, с которой они могут быть пересланы в ОП или любой регистр (А или РОН).

После завершения процесса исполнения текущей команды, содержимое СчК модифицируется и производится выборка следующей команды.

В качестве внешних управляющих сигналов используются выходные сигналы чтения (Чт) и записи (Зп) для управления памятью (формируются при выполнении команд обращения к памяти), сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) (формируются при выполнении команд обращения к УВВ); входной сигнал запрос прерывания ЗПр, обеспечивающий прерывание выполнения основной программы и переход к выполнению подпрограммы, соответствующей внешнему запросу. Часто в процессорах формируют сигналы внутренних прерываний (например, при попытке деления на нуль или при недопустимых переполнениях).