УУ реализует выполнение ходом вычислительного процесса, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы. Процесс выполнения программ в ЭВМ представляет собой последовательность машинных циклов, детализирует основные целевые функции, реализуемые УУ в ходе типового машинного цикла.

Для простоты примем, что ЭВМ обеспечивает одноадресную систему команд. При этом, в частности, полагается, что до начала выполнения двухоперандной арифметической команды второй операнд находится в процессоре.

Первый этап – выборка команды из памяти. Целевую функцию этого этапа будем обозначать ЦФ-ВК (целевая функция выборки команды). За выборкой команды следует этап декодирования её операционной части (кода операции). Для простоты будем рассматривать декодирование в качестве составной части этапа ВК.

Второй этап – вторая целевая функция – формирование адреса следующей команды. На это выделяется специальный такт работы, которому соответствует ЦФ-ФАСК (целевая функция формирования адреса следующей команды).

Третий этап – этап формирования исполнительного адреса операнда или адреса перехода, на котором УУ реализует ЦФ-ФИА (целевая функция формирования исполнительного адреса операнда). Функция имеет столько модификаций, сколько и способов адресации предусмотрено в системе команд ЭВМ.

Четвёртый этап – выборка операнда. Реализуется ЦФ-ВО (целевая функция выборки операнда) из памяти по исполнительному адресу, сформированному на предыдущем этапе.

Пятый этап – исполнение операции. Реализуется ЦФ-ИО (целевая функция исполнения операции). Очевидно, что количество модификаций ЦФ-ИО равно количеству операций, имеющихся в системе команд ЭВМ.

Порядок следования целевых функций полностью определяет динамику работы УУ и всей ЭВМ в целом.

Модель УУ.

Для выполнения своих функций УУ должно иметь входы, позволяющие определить состояние управляемой системы, и выходы, через которые реализуется управление поведением системы.

Входной информацией служат тактовые импульсы – с каждым тактовым импульсом УУ инициирует выполнение одной или нескольких микроопераций. Код операции текущей команды поступает из регистра команды и используется, чтобы определить, какие микрооперации должны выполняться в течение машинного цикла. Флаги требуются УУ для оценки состояния ЦП и результата предшествующей операции, что необходимо при выполнении команд условного перехода. Сигналы из системной шины – это часть сигналов системной шины, обеспечивающая передачу в УУ запросов прерывания, подтверждений и т.п.

В свою очередь УУ, а точнее микропрограммный автомат, формирует следующую выходную информацию. Внутренние сигналы управления воздействуют на внутренние схемы МП и относятся к одному из двух типов: тем, которые вызывают перемещение данных из регистра в регистр, и тем, что инициируют определённые функции операционного устройства ЭВМ.

Сигналы в системную шину также относятся к одному из двух типов: управляющие сигналы в память и управляющие сигналы в модули ввода-вывода.

Структура УУ.

Процесс функционирования ЭВМ состоит из последовательности элементарных действий в её узлах. Такие элементарные преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО).

Совокупность сигналов управления, вызывающих одновременно выполняемые микрооперации образуют микрокоманды (МК). В свою очередь, последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок реализации машинного цикла принято называть микропрограммой.

Сигналы управления вырабатываются УУ, а точнее одним из его узлов – микропрограммным автоматом (МПА). Название отражает то, что МПА определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций.

Микропрограммы реализации перечисленных ранее целевых функций инициируются задающим оборудованием, которое вырабатывает требуемую последовательность сигналов управления и входит в состав управляющей части УУ.

Микропрограммы выполняются исполнительным оборудованием, входящим в состав основной памяти для ЦФ-ВК и ЦФ-ВО и операционного устройства для ЦФ-ИО. Исполнительным оборудованием для ЦФ-ФИА служит адресная часть УУ.

Управляющая часть УУ предназначена для координирования работы операционного блока ЭВМ, адресной части УУ, основной памяти и других узлов ЭВМ.

Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной памяти.

В состав управляющей части УУ входит:

1. Регистр команды (РК), состоящий из адресной (АДРЕС) и операционной части (КОп – код операции, СА – способ адресации)

2. Микропрограммный автомат (МПА)

3. Узел Прерываний и Приоритетов (УПП)

Регистр команды (РК) предназначен для приёма очередной команды из запоминающего устройства. МПА на основании расшифровки операционной части команды (КОп) СА вырабатывает определённую последовательность микрокоманд, вызывающих выполнение всех целевых функций УУ.

В зависимости от способа формирования микрокоманд различают следующие МПА:

1. С жёсткой или аппаратной логикой

2. С программируемой логикой

Узел прерываний и приоритетов позволяет реагировать на различные ситуации, связанные как с выполнением рабочих программ, так и состоянием ЭВМ.

Адресная часть УУ включает в себя:

1. ОПУУ - Операционный Узел Устройства Управления

2. РА - Регистр Адреса

3. СК - Счётчик Команд

Регистр адреса используется для хранения исполнительных адресов операндов, а счётчик команд - для выработки и хранения адресов команд. Содержимое РА и СК посылается в регистр адреса основной памяти для выборки операндов и команд соответственно.

Операционный узел УУ, называемый иначе узлом индексной арифметики или узлом адресной арифметики обрабатывает адресные части команд, формируя исполнительные адреса операндов, а также подготавливает адрес следующей команды при выполнении команд перехода.

Состав ОПУУ может быть аналогичен составу основного операционного устройства ЭВМ (простейших ЭВМ с целью экономии совмещается с основным операционным устройством).

В состав УУ также входит могут входить дополнительные узлы в частности узел организации прямого доступа к памяти. Обычно этот узел реализуется в виде самостоятельного устройства – контроллера прямого доступа к памяти, который обеспечивает совмещение во времени работы операционного устройства с процессом обмена информацией между ОП и другими устройствами ЭВМ, минуя процессор.

Довольно часто регистры различных узлов УУ объединяют в отдельный узел управляющих (специальных) регистров УУ (регистр флагов, регистр-защёлка, регистр команд и т.п.)

Рассмотрим подробно работу МПА с жёсткой и программируемой логикой.

Обычно тип МПА, формирующего сигналы управления, определяет название всего УУ. Так УУ с жёсткой логикой управления имеет в своём составе МПА с жёсткой (аппаратной) логикой. При создании такого МПА выходные сигналы управления реализуются за счёт однажды соединённых между собой логических схем.

Исходной информацией для УУ служат: содержимое регистров команды, флаги, тактовые импульсы и сигналы, поступающие с шины управления.

Код операции, хранящийся в РК, используется для определения того, какие сигналы управления (СУ) и в какой последовательности должны формироваться, при этом с целью упрощения логики управления желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции (I0, I1, …, Ik). Это может быть реализовано с помощью дешифратора.

Дешифратор кода операции преобразует код с J-ой операцией, поступающий из регистра команды РК в единичный сигнал на J-том выходе.

Машинный цикл выполнения любой команды состоит из нескольких тактов. Сигналы управления, по которым выполняется каждая микрооперация, должны вырабатываться строго в определённые моменты времени, поэтому все СУ "привязаны" к импульсам синхронизации (СИ), формируемым узлом синхроимпульсов. Период СИ должен быть достаточным для того, чтобы сигналы успели распространиться по ШД и другим цепям.

Каждый сигнал управления ассоциируется с одним из тактовых периодов в рамках машинного цикла. Формирование сигналов, отмечающих начало очередного тактового периода, возлагается на синхронизатор. Синхронизатор содержит счётчик тактов, осуществляющих подсчёт СИ.

Узел синхроимпульсов после завершения очередного такта работы добавляет к содержимому счётчика тактов единицу. К выходам счётчика подключён дешифратор тактов, с которого и снимаются сигналы тактовых периодов T1, T2, …, Tn.

В i-ом состоянии счётчика тактов, т.е. во время I-ого такта дешифратор тактов вырабатывает единичный сигнал на своём I-ом выходе. При такой организации УУ должна быть предусмотрена обратная связь, с помощью которой по окончании цикла команды счётчик тактов опять устанавливается в состояние T1.

Микропрограммный автомат