Микропроцессоры: устройство управления

«Микропроцессоры: Устройство управления»

УУ обеспечивает выполнение последовательности микроопераций в соответствии с кодом текущей команды и организует выборку команд программы в соответствии с выполняемой программой.

Схематично его можно изобразить следующим образом:

К устройству управления (УУ) привязана магистраль управления (МУ), отвечающая за временные последовательности процессов, происходящих в системе. Информацию на магистрали адреса (МА) формируют счетчик команд (PC) и указатель стека (SP), которые являются отдельными узлами.

Однако самым главным для УУ является команда. МУ и МА являются вспомогательными средствами для выполнения команды.

В процессорах с RISC-архитектурой существует отличающиеся от обычных CISC система шин, в которой имеется две демультиплексированные магистрали: МД и магистраль команд (МК).

Для нормального функционирования команд необходима их синхронизация. Она выполняется с помощью блока синхронизации, на который подается тактовая частота (f_т). В первых машинах синхронизация была двухфазовой. Сейчас используется, как минимум, 4-фазовая (обычно 8- и 16-фазовая). 

Процесс получения двух сигналов из одного:

1. Счетчик команд (Program Counter).

Счетчик команд построен по схеме n-разрядного счетчика с предварительной загрузкой. Он определяет разрядность шины адреса и, как следствие, объем адресного пространства. Обычно используется 16-, 32- и 64-разрядные счетчики.

При включении питания производится автоматическое очищение  программного счетчика. Предварительная загрузка необходима для организации переходов между командами.

Note: В процессорах с архитектурой DEC счетчик команд (PC) относится к регистрам общего назначения.

2. Указатель стека (Stack Pointer)

В большинстве систем при подключении питания указатель стека не определен. Все начальные значения задаются при программной инициализации.

Note: В процессорах с DEC-архитектурой SP, как и PC, относятся к набору РОН’ов, что позволяет работать с ними как с обыкновенными операндами.

3. Дешифратор команд (Instruction Decoder)

Дешифратор команд является основным блоком УУ.

Можно выделить три реализации выборки дешифратором инструкций:

-  С использованием канала передачи адреса следующей микрокоманды, т.е. после выполнения дешифратором команды происходит оповещение о том, что команда дешифрировалась и можно загружать новую;

-  С помощью внутреннего счетчика, в котором все микрокоманды располагаются последовательно;

-  Стековый способ, при котором все микрокоманды находятся в собственном стеке дешифратора.

Большинство систем используют все три способа.

Микрокоманды обычно имеют разрядность от 64 до 256 и более...

Различают 2 системы построения УУ: вертикальную и горизонтальную структуры.

Для горизонтальной (все RISC системы) структуры характерны следующие особенности:

-  разрядность микрокоманд не менее 128;

-  выполнение одной команды за один такт;

-  сокращенный набор инструкций (вследствие сокращения методов адресации).

За один такт в этом случае информация передается одновременно по МД и МК.

При вертикальной структуре любая команда требует время порядка 3-5 тактов.

Рассмотрим схему выполнения процессором последовательности команд:

Можно уменьшить время задержки, если при дешифрации использовать дополнительно регистр:

Тогда при выполнении i-й команды можно одновременно производить выбор (i+1)-й команды. Подобная организация называется конвейерной:

выбор	i+1	i+2
выполнение	i	i+1

Конвейер – совмещение процедур обработки команд.

Можно модифицировать схему следующим образом, используя еще регистр для выполнения предыдущей команды на этапе дешифрации текущей:

выбор	i+1	i+2	i+3
дешифрация	i	i+1	i+2
выполнение	i-1	i	i+1

В современных системах используется  четырехуровневый конвейер. Процесс дешифрации делится на 2 этапа, что связано с переходами между командами в программе:

выбор	i	i+1	i+2	i+3	i+4
DC1		i	i+1	i+2	i+3
DC2			i	i+1	i+2
выполнение				i	i+1

Список дополнительной литературы:

1.Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи.-М.: Горячая линия-Телеком,2002.-336с.: ил.

2.Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики.-М.: Энергоатомиздат, 1987.-304с.:ил.

3.Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации: Справочник / Под ред. А.А. Мячева.-М.: Радио и связь, 1991.-320с.

4.Стрыгин В.В., Щарев Л.С. Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования: Учеб. для учащихся техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1989.-479с

5.Интернет ресурс:

http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/index.html