86. Базовые функции управления микрокоманд.

ПРИРАЩЕНИЕ - обеспечивает переход к МК, записанной по адресу i + 1, а условная  функция ПРИРАЩЕНИЕ - многократное повторение одной и той же МК, записанной по адресу i (рис. 14.10, а).

ПЕРЕХОД - обеспечивает переход к последовательности микрокоманд с начальным адресом AMК. В случае условного перехода управление передается по адресу АМК при единичном значении условия хi в противном случае выполняется МК по адресу i + 1 (рис. 14.10б)   

87. Структурный базис операционного устройства АЛУ.

В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛУ). Учитывая 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.

Две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Таким образом, сейчас АЛУ образуют два вида операционных устройств: целочисленное ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей. 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). Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, называется структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:

1.  регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;
2.  управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;
3.  комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.

90. Операционные устройства последовательного и параллельного типа.

Тип операционного блока (ОПБ) определяется способом обработки данных. Различают ОПБ последовательного и параллельного типа.

В последовательном операционном блоке (рис. 16.6) операции выполняются побитово, разряд за разрядом.

Бит переноса, возникающий при обработке i-го разряда операндов, подается на вход ОПБ и учитывается при обработке (i + 1)-го разряда операндов. Результат побитово заносится в выходной регистр, предыдущее содержимое которого перед этим сдвигается на один разряд. Таким образом, после п циклов в выходном регистре формируется слово результата, где каждый разряд занимает предназначенную для него позицию.

При параллельной организации операционного блока (рис. 16.7) все разряды операндов обрабатываются одновременно. Внутренние переносы обеспечиваются схемой ОПБ. Более подробно возможности организации переносов рассматриваются позже.

93. Типы размещения адресного пространства для системы ввода/вывода.

Адресное пространство ввода/вывода может быть совмещено с адресным пространством памяти или быть выделенным.

При совмещении адресного пространства для адресации модулей ввода/вывода отводится определенная область адресов (рис. 19.2). Обычно все операции с модулем ввода/вывода осуществляются с использованием входящих в него внутренних регистров: управления, состояния, данных.

Адреса регистрам МВВ назначаются в области адресного пространства памяти, отведенной

под систему ввода/вывода.

В случае выделенного адресного пространства для обращения к модулям ввода/вывода применяются специальные команды и отдельная система адресов. Это позволяет разделить шины для работы с памятью и шины ввода/вывода, что дает возможность совмещать во времени обмен с памятью и ввод/вывод. Кроме того, адресное пространство памяти может быть использовано по прямому назначению в полном объеме.

94. Обобщенная структура внешнего устройства и его функционирование.

Связь ВМ с внешним миром осуществляется с помощью самых разнообразных внешних устройств. Каждое ВУ подключается к МВВ посредством индивидуальной шины. Интерфейс, по которому организуется такое взаимодействие МВВ и ВУ, часто называют малым. Индивидуальная шина обеспечивает обмен данными и управляющими сигналами, а также информацией о состоянии участников обмена. Внешнее устройство, подключенное к МВБ, обычно называют периферийным устройством (ПУ). Все множество ПУ можно свести к трем категориям:

- для общения с пользователем;

- для общения с ВМ;

- для связи с удаленными устройствами.

Интерфейс с МВВ реализуется в виде сигналов управления, состояния и данных. Данные представлены совокупностью битов, которые должны быть переданы в модуль ввода/вывода или получены из него. Сигналы управления определяют функцию, которая должна быть выполнена внешним устройством. Это может быть стандартная для всех устройств функция — посылка данных в МВБ или получение данных из него, либо специфичная для данного типа ВУ функция, такая, например, как позиционирование головки магнитного диска или перемотка магнитной ленты. Сигналы состояния характеризуют текущее состояние устройства, в частности включено ли ВУ и готово ли оно к передаче данных.

Логика управления — это схемы, координирующие работу ВУ в соответствии с направлением передачи данных. Задачей преобразователя является трансформация информационных сигналов, имеющих самую различную физическую природу, в электрические сигналы, а также обратное преобразование. Обычно совместно с преобразователем используется буферная память, обеспечивающая временное хранение данных, пересылаемых между МВВ и ВУ.

100. Ввод/вывод по прерываниям и прямым доступом к памяти.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в память (при вводе).

Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ - прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор.

Рис.20.2. Процесс ввода блока данных с использованием В/ВЫВ по прерываниям

      Рис.20.4. Прямой доступ к памяти

88. Операционное устройство 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. 16.1.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

- регистр первого слагаемого РСл1 и схема ЛРСл1;

- регистр второго слагаемого РСл2 и схема ЛРСл2;

- регистр суммы РСм и схема комбинационного сумматора Си.

Логическая схема ЛРСл2 реализует микрооперации передачи второго слагаемого из РСл2 на левый вход сумматора:

- прямым кодом ЛСм := РСл2 (по сигналу управления В1Сл2);

- инверсным кодом ЛСм := - РСл2 (по сигналу управления B1РСл2);

- со сдвигом на один разряд влево ЛСм := L1(РСл2•0) (по сигналу управления

L1РСл2)/

Логическая схема ЛРСл1 обеспечивает передачу результата из регистра РСм в регистр РСл1:

- прямым кодом РСл1 := РСм (по сигналу управления П2РСл1);

- со сдвигом на один разряд влево РСл1 := L1(РСм•0) (по сигналу управления L1РСм);

- со сдвигом на два разряда вправо РСл1 := R2(s•s•РСм) (по сигналу управления

R1PCm).

Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или по модулю 2) операндов, поступивших на его левый (ЛСм) и правый (ПСм) входы. Результат суммирования заносится в регистр РСм: РСм := ЛСм + ПСм (по сигналу управления П2РСм) или РСм := ЛСм  ПСм (по сигналу управления П2М2РСм).

91. Функционирование обобщенного операционного блока.

Реализация эффективной системы переносов в рамках «длинного» слова сопряжена с определенными аппаратурными издержками, поэтому на практике часто используют параллельно-последовательную схему ОПБ. В ней слово разбивается на группы по 2, 4 или 8 разрядов, обработка всех разрядов внутри группы осуществляется параллельно, а сами группы обрабатываются последовательно.

Обобщенная схема ОПБ приведена на рис.16.8. В нее входят: дешифратор микрокоманды ДшМК, формирователи кодов ФК1 и ФК2, многофункциональный сумматор См, сдвигатель Сдв и формирователь логических условий (ЛУ).

Дешифратор микрокоманды вырабатывает внутренние сигналы управления для элементов ОПБ. Он введен в схему с целью минимизации количества связей, требуемых для передачи сигналов управления из УУ.

Формирователи кодов ФК1 и ФК2 служат для формирования прямых и инверсных кодов операндов, поступающих по магистралям А и В.

Многофункциональный сумматор выполняет микрооперации арифметического сложения (с учетом переноса CIN), сложения по модулю два, логического сложения и логического умножения кодов на левом и правом входах.

Формирователь логических условий на основе анализа кода на выходе См вырабатывает значения ознакомительных сигналов, передаваемых в УУ машины. Осведомительными сигналами могут быть: признак знака S, признак переполнения V, признак нулевого значения результата Z и т. п.

В микрооперации L1 результат сдвигается на один разряд влево. Здесь в освобождающийся младший разряд заносится значение с внешнего контакта SR, а выдвигаемый (старший) разряд См передается на внешний контакт SL.

98. Источники ошибок и их обнаружение модулем ввода/вывода.

Еще одной из важнейших функций МВВ является обнаружение ошибок, возникающих в процессе ввода/вывода. Центральный процессор следует оповещать о каждом случае обнаружения ошибки. Причинами возникновения последних бывают самые разнообразные факторы, которые в первом приближении можно свести к следующим группам:

- воздействие внешней среды;

- старение элементной базы;

- системное программное обеспечение;

- пользовательское программное обеспечение.

Из наиболее «активных» факторов окружения ВМ следует выделить:

- загрязнение и влагу;

- повышенную или пониженную температуру окружающей среды;

- электромагнитное облучение;

- скачки напряжения питания.

Источником ошибок может стать и несовершенство системного программного обеспечения (ПО):

- непредвиденные последовательности команд или кодовые комбинации;

- некорректное распределение памяти;

- недостаточный размер буфера ввода/вывода;

- недостаточно продуманные и оттестированные комбинации системных модулей.

Среди ошибок, порождаемых пользовательским ПО, наиболее частыми являются:

- нарушение последовательности выполнения программы;

- некорректные процедуры.

97. Структура модуля ввода/вывода.

Данные, передаваемые в модуль и из него, буферизируются в регистре данных.  В регистре управления (РУ) фиксируются поступившие из ЦП команды управления модулем или подключенными к нему внешними устройствами. Регистр состояния (PC) служит для хранения битов состояния МВВ и подключенных к нему ВУ. Узел управления вводом/выводом по сути играет роль местного устройства управления МВБ. На него возлагаются две задачи: обеспечение взаимодействия с ЦП и координация работы всех составляющих МВБ.

Модуль ввода/вывода, который берет на себя детальное управление ВУ и общается с ЦП только с помощью команд высокого уровня, часто называют каналом ввода/вывода или процессором ввода/вывода. Наиболее примитивный МВБ, требующий детального управления со стороны ЦП, называют контроллером ввода/вывода или контроллером устройства.

89. Магистральное операционное устройство.

В операционном устройстве с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в отдельный узел регистров общего назначения (РОН), а все комбинационные схемы - в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином «арифметико-логическое устройство».

Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью магистралей.

Пример магистрального ОПУ представлен на рис. 16.2.

В состав узла РОН здесь входят N регистров общего назначения, подключаемых к магистралям A и В через мультиплексоры MUX А и MUX В. Каждый из мультиплексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определяется адресом а или b, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устройства управления.

По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, к которым подключается комбинационная схема, реализующая требуемую микрооперацию (по сигналу управления из УУ). Таким образом, любая микрооперация ОПБ может быть выполнена над содержимым любых регистров ОПУ. Результат микрооперации по магистрали С заносится через демультиплексор DMX С в конкретный регистр узла РОН. Демультиплексор представляет собой управляемый коммутатор, имеющий один информационный вход и N информационных выходов. Вход подключается к выходу с заданным адресом с, который поступает на адресные входы DMX С из УУ.

Основным достоинством магистральных ОПУ является высокая универсальность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию на кристаллах ИС. Вообще говоря, магистральная структура ОПУ в современных ВМ является превалирующей.

92. Системы ввода/вывода и их место в архитектуре ВМ.

Помимо центрального процессора (ЦП) и памяти, третьим ключевым элементом архитектуры ВМ является система ввода/вывода (СВВ). Система ввода/вывода призвана обеспечить обмен информацией между ядром ВМ и разнообразными внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут ответственность за физическое и логическое сопряжение ядра вычислительной машины и ВУ. Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом модулей ввода/вывода (МВВ). Две основные функции МВВ:

- обеспечение интерфейса с ЦП и памятью («большой» интерфейс);

- обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устройствами («малый» интерфейс).

Выделяется три основных способа подключения СВВ к ядру процессора (рис. 19.1).

95. Основные функции модуля ввода/вывода.

Модуль ввода/вывода в составе вычислительной машины отвечает за управление одним или несколькими ВУ и за обмен данными между этими устройствами с одной стороны, и основной памятью или регистрами ЦП — с другой. Основные функции МВB можно сформулировать следующим образом:

- локализация данных;

- управление и синхронизация;

- обмен информацией;

- буферизация данных;

- обнаружение ошибок.

Под локализацией данных будем понимать возможность обращения к одному из ВУ, а также адресации данных на нем.

Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен координировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и внешними устройствами.

Основной функцией МВВ является обеспечение обмена информацией. Со стороны «большого» интерфейса — это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфейса — обмен с ВУ. В таком плане требования к МВВ непосредственно проистекают из типовой последовательности операций, выполняемых процессором при вводе/ выводе.

- дешифровку команды: МВВ получает команды из ЦП в виде сигналов на шине управления;

- пересылку данных между МВВ и ЦП по шине данных;

- извещение о состоянии: из-за того, что ВУ — медленные устройства, важно знать состояние модуля ввода/вывода.

- распознавание адреса: МВВ обязан распознавать адрес каждого ВУ, которым он управляет.

96. Последовательность операций, выполняемых процессором при вводе/выводе и

функция обмена информацией с ним.

Процессы ввода/вывода и работа ЦП протекают не

синхронно. Для двухпроводной системы синхронизации эта процедура состоит из четырех шагов, которые

применительно к операции вывода можно описать

следующим образом:

*Центральный процессор с помощью сигнала ДД = 1

(данные достоверны) извещает о доступности данных,

подлежащих выводу.

*Приняв данные, устройство вывода сообщает

процессору об их получении сигналом ДП = 1 (данные

приняты).

*Получив подтверждение, ЦП обнуляет сигнал ДД и

снимает данные с шины, после чего может выставить на

шину новые данные.

*Обнаружив, что ДД = 0, устройство вывода, в свою

очередь, устанавливает в нулевое состояние сигнал ДП,

после чего оно готово для обработки принятых данных

все время до получения очередного сигнала ДД = 1.

Таким образом, модуль ввода/вывода обязан снабдить центральный процессор информацией о собственной готовности к обмену, а также о готовности подключенных к модулю ВУ. Помимо этого, процессор должен обладать оперативными сведениями и об иных происходящих в СВВ событиях.

99. Способы организации ввода/вывода.

В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода (ВВ/ВЫВ):

-  программно управляемый ввод/вывод;

- ввод/вывод по прерываниям;

- прямой доступ к памяти.

При программно управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия происходят по инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая

проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, и, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в память (при вводе).

Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ - прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор. Программно управляемый ввод/вывод, часто называемый также вводом /выводом с опросом является наиболее простым методом управления. Здесь ввод/вывод происходит под полным контролем центрального процессора и реализуется специальной процедурой ввода/вывода.