Понятие о микрооперациях и микропрограммах

Для пояснения логики функционирования ВМ ее целесообразно представить в виде совокупности узлов, связанных между собой коммуникационной сетью (рис.29.). Процесс функционирования вычислительной машины состоит из последова­тельности пересылок информации между ее узлами и элементарных действий, выполняемых в узлах. Понятие узла здесь трактуется весьма широко: от регистра До АЛУ или основной памяти. Также широко следует понимать и термин «элемен­тарное действие». Это может быть установка регистра в некоторое состояние или выполнение операции в АЛУ. Любое элементарное действие производится при Поступлении соответствующего сигнала управления (СУ) из микропрограммного автомата устройства управления. Возможная частота формирования сигналов на

Рис. 29. Вычислительная машина с позиций микроопераций и сигналов управления

выходе автомата определяется синхронизирующими импульсами, поступающими от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Элементарные пересылки или преобра­зования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхрониза­ции, называются микрооперациями. В течение одного такта могут одновременно выполняться несколько микроопераций. Совокупность сигналов управления, вы­зывающих микрооперации, выполняемые в одном такте, называют микрокоман­дой. Относительно сложные действия, осуществляемые вычислительной машиной в процессе ее работы, реализуются как последовательность микроопераций и мо­гут быть заданы последовательностью микрокоманд, называемой микропрограм­мой. Реализует микропрограмму, то есть вырабатывает управляющие сигналы, за­даваемые ее микрокомандами, микропрограммный автомат(МГТА).

Способы записи микропрограмм

Для записи микропрограмм в компактной форме используются граф-схемы алго­ритмов и языки микропрограммирования.

Граф-схема алгоритма (ГСА) имеет вид ориентированного графа. При построении графа оперируют пятью типами вершин (рис. 30).

Начальная вершина (см. рис. 30, а) определяет начало микропрограммы и не имеет входов. Конечная вершина (см. рис.30, б) указывает конец микропрограммы, поэтому

Рис.30. Разновидности вершин граф-схемы алгоритма: а — начальная; 6 — конечная; в — операторная; г — условная; д — ждущая

имеет только вход. В операторную вершину (см. рис.30, в) вписывают мик­рооперации, выполняемые в течение одного машинного такта. С вершиной связа­ны один вход и один выход. Условная вершина (см. рис.30, г) используется для ветвления вычислительного процесса. Она имеет один вход и два выхода, соответ­ствующие позитивному («Да») и негативному («Нет») исходам проверки усло­вия, записанного в вершине. С помощью ждущей вершины (см. рис.30, д) можно описывать ожидание в работе устройств. В этом случае выход «Да» соответствует снятию причины, вызвавшей ожидание.

Граф-схемы алгоритмов составляются в соответствии со следующими прави­лами:

1. ГСА должна содержать одну начальную, одну конечную и конечное множество операторных и условных вершин.

2. Каждый выход вершины ГСА соединяется только с одним входом.

3. Входы и выходы различных вершин соединяются дугами, направленными от выхода к входу.

4. Для любой вершины ГСА существует, по крайней мере, один путь из этой вер­шины к конечной вершине, проходящий через операторные и условные верши­ны в направлении соединяющих их дуг.

5. В каждой операторной вершине записываются микрооперации у, соответству­ющие одной микрокоманде Y.

6. В каждой условной вершине записывается один из элементов множества логи­ческих условий х.

7. Начальной вершине ставится в соответствие фиктивный оператор у_а, а конеч­ной — фиктивный оператор y_k. На рис.31. показан пример микропрограммы, записанной на языке ГСА.

Рис. 31. Пример граф-схемы микропрограммы

В примере микрокоманда У_х инициирует микрооперации y_t и у₆, микрокоманда Y₂ — микрооперациюу₂, a F₃- микрооперацииу₃,у_А,у₅ и у₇.

Языки микропрограммирования

Для детализированного задания микропрограмм используют языки микропрограммирования. Языки микропрограммирования(ЯМП) обеспечивают описание функционирования ВМ в терминах микроопераций.

Если средства языка ориентированы на запись микропрограммы без привязки к конкретным структурам для реализации этой микропрограммы, то такой ЯМП называют языком, функционального микропрограммирования, а соответствующие микропрограммы — функциональными микропрограммами. Функциональная микропрограмма используется как исходная форма для описания функционирования ВМ.

В случае когда средства языка нацелены на описание микропрограмм, привязанных к конкретной реализующей их структуре, ЯМП называют языком струк­турно-функционального микропрограммирования.

Организация шин

Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между:

· центральным процессором и памятью;

· центральным процессором и модулями ввода/вывода;

· памятью и модулями ввода/вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны на рис.32.

Рис.32. Информационные потоки в вычислительной машине

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (рис.33). На начальной стадии преобладали непосредствен мыс связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и особенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.

Рис. 33. Эволюция структур взаимосвязей (ЦП – центральный процессор, МОП– модуль основной памяти, МВВ – модуль ввода/вывода)

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таким шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.

Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать (рис.34):

· совокупность сигнальных линий;

· физические, механические и электрические характеристики шины;

Рис.34. Параметры, характеризующие шины

· используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

· правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки па кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» — это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них, т.к. если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.

Типы шин

Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:

· шины «процессор-память»;

· шины ввода/вывода;

· системные шины.

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется! по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, связывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина заднего плана — BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей скоростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.

Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессоров и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктивна и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Ти-1 личными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.

Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.Системная шинаснижает стоимость ВМ за счет объединения шин памяти и устройств ввода/вывода.

Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы (рис.35): шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

Рис.35. Структура системной шины

Особенности каждой из этих групп и распределение сигнальных линий подробно рассматриваются позже.

Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен выполнить два действия: получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, пошлет данные.

Физически системная шина представляет собой совокупность параллельных электрических проводников. Этими проводниками служат металлические полоски на печатной плате. Шина подводится ко всем модулям, и каждый из них подсоединяется ко всем или некоторым ее линиям. Если ВМ конструктивно выполнена на нескольких платах, то все линии шины выводятся на разъемы, которые затем объединяются проводниками на общем шасси.

Среди стандартизированных системных шин универсальных ВМ наиболее известны шины Unibus, Fastbus, Futurebus, VME, NuBus, Multibus-II. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA.

Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность падает, поскольку слишком частая передача прав управления шиной от одного устройства к другому приводит к ощутимым задержкам. По этой причине во многих ВМ предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих определенную иерархию шин. Сначала рассмотрим ВМ с одной шиной.

Вычислительная машина с одной шинойимеет одну системную шину, обеспечивающую обмен информацией между процессором и памятью, а также между УВВ с одной стороны, и процессором либо памятью — с другой (рис. 16.5).

Рис.36. Структура взаимосвязей с одной шиной

Для такого варианта характерны простота и низкая стоимость. Однако одношинная организация не в состоянии обеспечить высокие интенсивность и скорость транзакций, причем «узким местом» становится именно шина.

Вычислительная машина с двумя видами шин имеет контроллеры устройств ввода/вывода (УВВ), которые подсоединены непосредственно к системной шине, при этом эффект повышения скорости обмена достигается применением одной или нескольких шин ввода/вывода (рис. 37). УБВ подключаются к шинам ввода/вывода, которые берут на себя основной трафик, не связанный с выходом на процессор или память. Адаптеры шин обеспечивают буферизацию данных при их пересылке между системной шиной и контроллерами УВВ. Это позволяет ВМ поддерживать работу множества устройств ввода/вывода и одновременно «развязать» обмен информацией по тракту процессор-память и обмен информацией с УВВ.

Рис.37. Структура взаимосвязей с двумя видами шин

Подобная схема существенно снижает нагрузку на скоростную шину «процессор-память» и способствует повышению общей производительности ВМ. В качестве примера можно привести вычислительную машину Apple Macintosh II, где роль шины «процессор-память» играет шина NuBus. Кроме процессора и памяти к ней подключаются некоторые УВВ. Прочие устройства ввода/вывода подключайся к шине SCSI Bus.

Вычислительная машина с тремя видами шин для подключения быстродействующих периферийных устройств в систему шин использует высокоскоростную шину расширения (рис.38).

Рис.38. Структура взаимосвязей с тремя видами шин

Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, а уже с нее через адаптер к шине «процессор-память». Схема еще более снижает нагрузку на шину «процессор-память». Такую организацию шин называют архитектурой с «пристройкой» (mezzanine architecture).

Физическая реализация шин

Основная шина (рис.39), объединяющая устройства вычислительной машины, обычно размещается на так называемой объединительной или материнской плате. Шину образуют тонкие параллельные медные полоски, поперек которых через Небольшие интервалы установлены разъемы для подсоединения устройств ВМ. Подключаемые к шине устройства обычно также выполняются в виде печатных плат, часто называемых дочерними платами или модулями. Дочерние платы вставляются в разъемы на материнской плате, В дополнение к тонким сигнальным линиям на материнской плате имеются также и более широкие проводящие линии, по которым к дочерним платам подводится питающее напряжение. Несколько контактов разъема обычно подключаются к общей точке — «земле». «Земля» на материнской плате реализуется либо в виде медного слоя (одного из внутренних слоев многослойной печатной платы), либо как широкая медная дорожка на обратной стороне материнской платы.

Рис.39. Организация объединительной шины

Контактные пружины в разъемах обеспечивают независимое подключение сигнальных линий, расположенных по обеим сторонам вставляемой в разъем дочерней платы. При создании соединительных разъемов прилагаются значительные усилия с тем, чтобы гарантировать надежный контакт после многократного извлечения платы из разъема, а также при длительной (многолетней) эксплуатации разъема в загрязненной или коррозийной среде.

«Механические» спецификации шины обычно включают такие детали, как размеры плат, размеры и размещение направляющих для установки платы, разрешенное место для установки кабельного разъема, максимальная высота элементов на плате и т. д.

Все устройства, использующие шину, электрически подсоединены к ее сигнальным линиям, представляющим собой электрические проводники. Меняя уровни напряжения на сигнальных линиях, ведущее устройство формирует на них информационные или управляющие сигналы. Когда ведущее устройство выставляет на сигнальной шине какой-то уровень напряжения, этот уровень может быть воспринят приемниками в любой точке линии. Такое описание дает лишь идеализированную картину происходящих на шине процессов — реальные процессы значительно сложнее.

Схему, меняющую напряжение на сигнальной шине, обычно называют драйвером или возбудителем шины. В принципе драйвером может быть любая цифровая схема, поскольку на ее цифровом выходе всегда присутствует один из двух возможных уровней напряжения.

При реализации шины необходимо предусмотреть возможность отключения драйвера от сигнальной линии на период, когда он не использует шину. Один из возможных способов обеспечения подобного режима — применение драйвера, выход которого может находиться в одном из трех состояний: «высокий уровень напряжения» (high), «низкий уровень напряжения» (low) и «отключен» (off). Для перевода в состояние «off», эквивалентное отключению выхода драйвера от сигнальной линии, используется специальный вход драйвера. Режим «off» необходим для исключения возможности одновременного управления шиной двумя или более устройствами, в противном случае на линиях могут возникать пиковые выбросы напряжения или искаженные сигналы, которые кроме некорректной передачи информации могут привести к преждевременному отказу электронных компонентов.

Совместное использование линии шины несколькими устройствами возможно также за счет подключения этой линии к выходу драйвера через резистор, соединенный с источником питания. В зависимости от полупроводниковой технологии, примененной в выходных каскадах драйвера, подобную возможность обеспечивают схемы с открытым коллектором (ТТЛ), открытым стоком (МОП) или открытым эмиттером (ЭСЛ). Данный способ не только исключает электрические конфликты на шине, по и позволяет реализовать очень полезный вид логической операции, известный как «монтажное ИЛИ» или «монтажное И» (трактовка зависит от соответствия между уровнями напряжения и логическими значениями 1 и 0). Если к линии одновременно подключается несколько драйверов, то сигнал на линии представляет собой результат логического сложения (операция ИЛИ) всех поступивших на линию сигналов. Это оказывается весьма полезным при решении задачи арбитража, которая рассматривается позже. В некоторых шинах «монтажное ИЛИ» используется лишь в отдельных сигнальных линиях, но иногда эту операцию допускают по отношению ко всем линиям шины.

Приемниками в операциях на шинах называют схемы, сравнивающие уровень сигнала на входе со стандартными значениями, формируемыми внутренними цепями приемников. По итогам сравнения приемник генерирует выходной сигнал, уровень которого соответствует одному из двух возможных логических значений — 1 или 0. Трансивер (приемопередатчик) содержит приемник и драйвер, причем выход драйвера и вход приемника сводятся в общую точку.