Устройство управления (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Принцип
управления
2. Организация
устройств управления
3. Устройство
управления микропроцессора
4. Особенности
программного и микропрограммного управления
1. Принцип управления
Принцип микропрограммного управления был предложен М. Уилксом в 1951 г и
с того времени практически не претерпел никаких изменений. Согласно ему любое
электронное устройство (начиная от самого современного микропроцессора и
заканчивая электронными часами) может быть представлено в виде пары: устройство
управления – операционное устройство, где на долю управляющего устройства
приходится полный контроль работы операционного устройства (сюда входит анализ
текущего состояния устройства, контроль параметров, принятие решений и т.д.).
На долю операционного устройства приходится вся "грязная работа":
непосредственно осуществление полученных команд и преобразование контролируемых
величин (в том числе и своего состояния) в удобный для управляющего устройства
вид. Подводный камень кроется в описании поведения управляющего устройства,
собственно именно это и представляет наибольшую сложность (и наибольшие затраты
на разработку и реализацию), по сравнению с которой любое сколь угодно сложное
контролируемое устройство бледнеет; и именно разработка простых и эффективных
устройств управления пожалуй является основным направлением схемотехники.
2. Организация устройств управления
Что ж, перейдем непосредственно к рассмотрению самих методов организации
устройств управления. Самым старым, но как ни странно до сих пор актуальным,
является организация управляющего устройства в виде конечного автомата, т.е. в
виде устройства обладающего памятью, и результат работы которого зависит от его
текущего состояния. Схематически пару управляющее устройство – операционное
устройство можно представить следующим образом – рис. 5.1.
Рис.1.
Пара управляющее устройство – операционное устройство
Как видно из рисунка, УУ (т.е. управляющее устройство) получает сигналы о
текущем состоянии – вектор Х, и выдает управляющие сигналы – вектор У, переход из одного состояния в другое происходит по
тактовым импульсам – Clock (т. е. схема является
синхронной, что в общем-то необязательно). Операционный же автомат контролирует
поведение чего-то, а может быть только себя с выдачей результатов работы, на
основе полученных сигналов.
На текущий момент можно выделить три группы управляющих автоматов:
·
автоматы с жесткой логикой, например Мили(Mealy) и Мура(Moor);
·
автоматы с программируемой логикой (на
сегодняшний день изжили себя как класс и могут
рассматриваться лишь в историческом контексте): автоматы с принудительной
адресацией, естественной адресацией и соответственно комбинированной;
·
композиционные устройства управления –
объединяют преимущества двух предыдущих типов устройств, однако они, на мой
взгляд, так же уже не актуальны на сегодняшний день.
Пусть их применение не всегда целесообразно, однако можно с уверенностью
сказать, что элемент управления выполненный в виде
конечного автомата будет наиболее быстрым и наиболее экономичным (если, конечно
не придется вводить для него новую микросхему) решением.
3. Устройство управления микропроцессора
Поговорим о других распространенных устройствах управления –
микропроцессорах и микроконтроллерах, первые используются в стационарных
решениях и там где требуется большая вычислительная мощность, вторые же
используются в портативных маломощных (как по питанию
так и по вычислительной мощности) решениях; причем последние обладают
дополнительным специфическим набором функций (в зависимости от специализации).
Типичную структурную схему устройства использующего вышеназванное решение можно
увидеть на рис. 2.
Рис. 2. Типичная схема микропроцессорного устройства
Где ЦП – собственно процессорный элемент; ША, ШД, ШУ – шины адреса,
данных, управления соответственно; ОЗУ – текущая память (обычно используется
для хранения результатов работы); ПЗУ – обычно содержит набор команд
определяющих работу ЦП; В/В 1 … В/В N – устройства
вода вывода. При чем для микроконтроллера, эта схема будет несколько
отличаться: так например память находится на одном
кристалле с ЦП (а так же все прочие непоказанные устройства – контроллер
памяти, портов ввода/вывода, прерываний и т.д.) устройства подключенные к
портам ввода/вывода не могут самостоятельно управлять шиной и т.п.
Собственно программирование поведения микропроцессора (в дальнейшем
МП)/микроконтроллера (в дальнейшем МК) выполняется записью необходимой
информации в ПЗУ со стартового адреса. Собственно в этом и заключается еще одно
отличие МК и МП – поведение МК практически полностью определяется содержимым
его ПЗУ (в большинстве своем они в состоянии выполнять команды только из
адресного пространства ПЗУ); МП же могут изменять свое поведение
загружая различные программы в ОЗУ, что делает их более гибкими. Однако это
нельзя поставить в недостаток МК, т.к. они по определению являются компактными
устройствами и не могут иметь большой объем памяти. МК и МП выпускаются в
большом количестве и разнообразии для всевозможных задач, что делает возможным
подобрать устройство наиболее подходящее по параметрам и соответственно
облегчить жизнь разработчику.
К положительным сторонам МК и МП можно отнести сравнительную простоту
разработки решений на их базе – наличие большого числа стандартных схем
сопровождения, простоту программирования, наличия специализированных
программных продуктов для них, стандартность большинства решений (для
проектирования большого числа проектов управляющая часть не понесет никаких
изменений). К недостаткам можно отнести то, что даже при разработке минимальной
схемы необходимо будет весь необходимый минимум микросхем – сателлит (различные
контроллеры и т.д.).
Еще одна система управления появившаяся сравнительно недавно – управление
с помощью ЭВМ.
Коды
операции команд программы, воспринимаемые управляющей частью микропроцессора,
расшифрованные и преобразованные в ней, дают информацию о том, какие операции
надо выполнить, где в памяти расположены данные, куда надо направить результат
и где расположена следующая за выполняемой команда.
Управляющее
устройство имеет достаточно средств для того, чтобы
после восприятия и интерпретации информации, получаемой в команде, обеспечить
переключение (срабатывание) всех требуемых функциональных частей машины, а также
для того, чтобы подвести к ним данные и воспринять полученные результаты. Именно срабатывание, т. е. изменение состояния двоичных логических
элементов на противоположное, позволяет посредством коммутации вентилей
выполнять элементарные логические и арифметические действия, а также передавать
требуемые операнды в функциональные части микроЭВМ.
Устройство управления в строгой последовательности в рамках
тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора (такт -
минимальный рабочий интервал, в течение которого совершается одно элементарное
действие; цикл - интервал времени, в течение которого выполняется одна машинная
операция) осуществляет: выборку команды; интерпретацию ее с целью анализа
формата, служебных признаков и вычисления адреса операнда (операндов);
установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов; генерацию управляющих
импульсов и передачу их на управляющие шины функциональных частей микроЭВМ и
вентили между ними; анализ результата операции и изменение своего состояния
так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.
4. Особенности программного и микропрограммного управления
В
микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных
управляющих сигналов: программный и микропрограммный.
Выполнение
операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача
информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические
поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и
блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств)
управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые,
выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.
В аппаратных
(схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор
логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для
выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе
построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет
однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным
устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие
относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает
практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее
изготовления.
При
микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится
ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет
появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой
микрооперации ставится в соответствие свой информационный код - микрокоманда.
Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение
любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ
управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации
микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют
быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования
кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют
микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными
или с хранимой (гибкой) логикой управления.
К
микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности.
Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки
микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с
желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора
быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних
позволяет сократить время выполнения команд программы.
Преобразование
информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке
микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.
Для
ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные
операционные узлы (например, циклические сдвигатели).
Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся
специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.
Операционные
возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров.
Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их
можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов.
Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения
(РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в
микропроцессоре 16, 32 и более регистров.
В целом же,
принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:
1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью
элементарных действий - микроопераций;
2) для
управления порядком следования микроопераций используются логические условия;
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма,
представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого
микропрограммой;
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на
основе которой определяются структура и порядок
функционирования устройства во времени.
ПМУ
обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять
проблемную ориентацию микро- и миниЭВМ.