Принцип построения процессоров: структура, схемы, операционный автомат

Общие принципы построения и структура процессоров

Принцип микропрограммного управления.

Функции обработки информа­ции в цифровых системах (устройствах) возлагаются на процессор, который вы­полняет все необходимые операции предписанные программой. Построение про­цессоров базируется на принципе микропрограммного управления, согласно ко­торому:

• любая операция над словами информации (двоичными кодами), реализуемая процессором, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий, называемых микрооперациями;
• для управления порядком следования микроопераций используются логиче­ские условия, которые отражают состояние процессора после выполняемых микроопераций в виде логического 0 или 1;
• процесс выполнения операций в процессоре описывается в форме алгоритма. Описание алгоритма, представленное в терминах микроопераций и логиче­ских условий, называется микропрограммой;
• микропрограмма используется как форма представления функции процессо­ра, на основе которой определяются его структура и порядок функциониро­вания во времени.

Структура процессора

В струк­турно–функциональном отношении процессор разделяется на две части: операционный и управляющий авто­маты (рис. 1.1.1).

Операционный автомат предназначен:

• для хранения множества входных ( D), выходных (R) и внутренних (S) слов,
• для получения результата R путем выполнения последовательности микроопераций из заданного на­бора,
• для формирования множества осведомительных сигналов X, каждый из кото­рых отождествляется с определенным логическим условием. Микрооперации, реализуемые операционным автоматом, инициируются мно­жеством управляющих сигналов Y = { y 1 ,…, y_N ), каждый из которых соответствует определенной микрокоманде.

Операционный автомат

можно представить в виде трех функциональных моду­лей (рис. 1.1.2): памяти, комбинационной схемы, реализующей микрооперации, и комбинационной схемы, вычисляющей значения логических условий.

Управляющий автомат генерирует последовательность управляющих сигналов из множества Y, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий X. При выполнении процессором пакета микро­программ на его входы последовательно подаются коды операций, которые соот­ветствуют той или иной микропрограмме. На входы процессора могут поступать внешние сигналы логических условий, а с выходов сниматься сигналы для управ­ления внешними устройствами.

Структура управляющего автомата во многом зависит от принципа его постро­ения. В управляющих автоматах, построенных по принципу схемной логики, необ­ходимая последовательность управляющих сигналов У вырабатывается с помощью определенным образом соединенных логических элементов. При использовании принципа программируемой логики управляющие сигналы У вырабатываются на основе микропрограммы, хранящейся в постоянных запоминающих устрой­ствах или программируемых логических матрицах.

Операционный и управляющий автоматы могут быть заданы своими функция­ми или перечнем выполняемых ими действий, на основании которых строятся схемы автоматов. Функции операционного автомата заданы, если определены множества D , R , S , Y , X. Функции управляющего автомата задаются операторной схемой алгоритма (микропрограммой) с использованием множеств Y ,  X . Это может быть граф–схема алгоритма, которая устанавливает порядок проверки логических условий (X) и по­рядок следования управляющих сигналов (Y ).

Особенности построения процессоров рассмотрим на примере специализи­рованного процессора, предназначенного для умножения двоичных чисел по ал­горитму Бута.

Для более детального и глубокого изучение схемных решений и функциониро­вания процессора в дальнейшем используются результаты компьютерного моде­лирования (схемы устройств и временные диаграммы), полученные с помощью пакета программ Micro – Logic II фирмы Spectrum Software .