Архитектура ЭВМ и ВС (курс Заякина О.)

При построении ОА АЛУ можно использовать различные способы орга­низации, отличающиеся по техническим характеристикам ‑ производитель­ности, быстродействию и затратам оборудования [4].

Под производительностью ОА понимается количество МО, выполняе­мых за один такт. В одном такте (одновременно) могут выполняться только совместимые МО, которые указываются в одном операторе микропрограммы МПg. Их число может меняться от такта к такту (в зависимости от микропро­граммы МПg и значений операндов). Следовательно, производительность ‑ это случайная величина, которую можно оценивать либо максимальным зна­чением (равным максимальному числу МО за один такт) либо средним зна­чением. Средняя производительность зависит от числа совместимых МО в операторах МПg, частоты использования операторов и структуры ОА, кото­рая может накладывать ограничения на функциональную совместимость МО.

Быстродействие ОА характеризуется длительностью такта ОА ‑ Т_ОА. Такт ОА - это отрезок времени, необходимый для выполнения микроопераций и формирования значений логических условий, то есть промежуток времени от момента поступления управляющих сигналов на вход ОА до момента выработки значений осведомительных сигналов, соответствующих состоянию ОА. Такт ОА зависит от внутренней структуры комбинационных схем и характеристик логических и запоминающих элементов, используемых в комбинационных схемах и памяти (регистрах) ОА.

Затраты оборудования определяются суммарным числом элементов в памяти ОА, комбинационных схемах, реализующих МО и формирующих значения ЛУ, и зависят от сложности и количества КС и регистров.

Важные характеристики структуры - регулярность и универсальность. Регулярной называется структура, состоящая из однотипных частей, одинаковым образом связанных между собой. Регулярность структуры проявляется в использовании одинаковых элементов или схем для обработки значений в каждом разряде слова. Структура ОА является максимально регулярной, если все слова обрабатываются одинаковым образом (одним набором МО) и одновременно с этим все разряды слова обрабатываются одинаково. Чем более регулярна структура, тем проще процесс её производства, что в итоге приводит к уменьшению стоимости изделия.

Универсальность (многофункциональность) структуры - возможность выполнения этой структурой широкого класса функций. Если структура ОА универсальна, то реализация любого алгоритма сводится к перестройке структуры внешними средствами путём микропрограммирования. Определение степени универсальности вызывает трудности, однако несложно выполнить сравнительную оценку универсальности двух структур, то есть определить, какая структура из двух является более универсальной. Чем более универсальна структура, чем шире область её применения. Увеличение степени универсальности структур позволяет сохранить номенклатуру выпускаемых изделий и увеличить объём их выпуска, что приводит к снижению стоимости производства. Эти характеристики структур особенно важны для БИС, так как их проектирование требует значительных затрат, которые окупаются при большом объёме производства. Следовательно, увеличение универсальности структуры приводит к снижению стоимости даже в тех случаях, когда универсальность достигается за счёт введения дополнительного оборудования.

Опыт проектирования показывает, что регулярность и универсальность - взаимосвязанные свойства, поэтому увеличение степени универсальности можно достичь за счёт увеличения степени регулярности структуры.

В зависимости от производительности и затрат оборудования различают ОА с максимальными характеристиками (с максимальной производительностью и максимальными затратами оборудования) - это I-автоматы, ОА с минимальной производительностью (одна МО за один такт) - М-автоматы, ОА с промежуточными значениями характеристик - IM-автоматы.

Структура ОА предопределяется его функцией. Функция ОА задаётся в виде трёх множеств:

- множество (список) СМО=(МО₁, …, МО_М) или Y=(y₁,…,y_М),

- множество (список) ЛУ=СЛУ=(ЛУ₁, …, ЛУ_L) или X=(x₁,…,x_L),

- множество слов S₁, …, S_К (операндов, результатов, внутренних слов).

Микрооперация описывается оператором присваивания:

S_i:=φ_m(S_j,S_n), (2)

где φ_m ‑ некоторая вычислимая функция (например, сложение);

S_j, S_n ‑ её аргументы (слова-операнды);

S_i ‑ значение функции φ_m, вычисленное при заданных значениях S_j=S_j*, S_n=S_n* и присвоенное слову S_i (S_i ‑ слово-результат).

Выполнение МО_mСМО в ОА осуществляется под управлением сигнала y_mY, поступающего из УА (рис. 1). Поэтому микрооперация МО_m обычно отождествляется с управляющим сигналом y_m, который возбуждает её выполнение в ОА ‑ y_m:S_i:=φ_m(S_j,S_n). Поэтому набор Y=(y₁,…,y_М) рассматривается и как список микроопераций СМО, и как список сигналов Y.

Логическое условие описывается выражением:

x_l:=_l(S_i), (3)

где _l ‑ булева функция;

S_i ‑ ее аргумент;

x_l ‑ значение функции _l, вычисленное при S_i= S_i^*.

Например, сигнал x_l=1, если значение слова S_i^*=0, или x_l=0, если S_i^*≠0. Набор значений X=(x₁,…,x_L) отображает состояние ОА.

Для хранения значений слов S₁, …, S_К используются одноименные регистры ОА, количество которых равно К. В этом случае МО вида (1) будет выполняться за один такт. Однако, в целях экономии оборудования, в ОА используют всего один регистр–аккумулятор (как в ЭВМ с аккумуляторной архитектурой). В этом случае для хранения остальных слов используются ячейки памяти, поэтому в алгоритме операции f_gF появляются дополнительные действия: загрузить (операнд в регистр), записать (результат в ячейку), увеличивающие время выполнения операции f_gF(количество тактов).

Максимальная производительность ОА первого типа (I-автомата) обеспечивается тем, что его структура организуется в виде, который позволяет в одном такте выполнять все функционально совместимые МО. Для I–автомата характерно, что каждый из регистров S₁, …, S_К обслуживается своей комбинационной схемой Ф₁, …, Ф_К, средствами которых реализуются МО_!, …, МО_К, вычисляющие значения соответствующих слов. Отсюда максимальная производительность, которая при наличии К регистров и К комбинационных схем Ф₁, …, Ф_К в принципе может достигать К микроопераций за такт.

В структуре I-автомата могут содержаться эквивалентные по функциям КС, используемые для обслуживания различных регистров. Следовательно, затраты оборудования в комбинационной части ОА можно уменьшить, если использовать одну схему для выполнения всех эквивалентных МО. ОА, построенные на основе принципа обобщения комбинационных схем, используемых для выполнения МО, называются М–автоматами. В них для вычисления любого двоичного выражения _m(S_1, …, S_k) используется одна (универсальная) комбинационная схема Ф, равнодоступная по отношению к регистрам S₁, …, S_К ОА. Структура М-автомата представлена на рис. 2.

Операнды, участвующие в МО_m, подаются на входы А и В универсальной КС Ф по шинам А, В с помощью мультиплексоров MSA, MSB. Для выборки слов на шину А (для управления схемой MSA) используются сигналы a₁, …, a_K, а для выборки слов на шину В (для управления MSB) – b₁, …, b_K. Сигнал a_i инициирует микрооперацию передачи A:=S_i, a сигнал b_j – микрооперацию B:=S_j. Cхема Ф на выполнение микрооперации C:=_m(A,B) настраивается сигналом у_m, m=1, … , M, управляющим мультиплексором MSC. Результат МО_m с выхода C схемы Ф заносится в регистр S_n сигналом c_n, управляющим демультиплексором DMC.

Чтобы выполнить микрооперацию S_n:=_m(S_i,S_j) необходимо подать набор управляющих сигналов (a_i, b_j, у_m, c_n), под воздействием которых на входы KC _m подаются слова S_i, S_j. Над ними выполняется преобразование _m и результат загружается в регистр S_n. Для выполнения унарной МО (например, микрооперации счета S_n:=S_n+1) ни один из сигналов b_j не вырабатывается (операнд В=0) и схема Ф реализует МО счета (увеличение операнда S_n на 1).

Загрузка операндов в регистры ОА извне (с шины D) осуществляется путем их подачи на вход B схемы Ф под управлением сигнала b_D B:=D. Одновременно на вход A подается константа ноль (по сигналу а₀), а в схеме Ф возбуждается МО «ИЛИ» C:=AvB (0vD), результат которой по сигналу c_n записывается в регистр S_n. Выдача результата операции f_gF на выходную шину R осуществляется по сигналу с_R.

Как видно из рис. 2, в каждом такте М-автомат может выполнить только одну МО вида S_n:=_m(S_i,S_j), т.е. производительность М-автомата минимальная. По быстродействию М-автомат и I-автомата отличаются незначительно, так как длительность такта М-автомата увеличивается не более чем на 2τ за счет введения в схему мультиплексоров MSA, MSB. Затраты оборудования в М-автомате минимальны, поскольку каждая схема _iФ используется для выполнения всех эквивалентных МО.

Для обеспечения устойчивости (устранения «гонок») в М-автомате регистры S₁, … , S_K выполняют на основе двойных триггеров типа MS (Master Slave). Количество оборудования в каждом регистре при этом удваивается. Более экономична схема, в которой в выходную шину С (на входе демультиплексора DMС) устанавливается вспомогательный регистр S_с (одинарный, типа D). Запись в него осуществляется в середине такта (по инверсному сигналу ТИ). Регистры S₁,…, S_К при этом также организуются на более простых одинарных триггерах типа D. Запись информации (обновление) в них осуществляется в начале такта (по прямому сигналу ТИ).

Итак, структурная организация I-автоматов базируется на принципе закрепления комбинационных схем, используемых для выполнения МО, за каждым из регистров S₁,…, S_К. За счёт этого все функционально совместимые МО могут выполняться параллельно в одном такте и их результаты записываются в разные регистры. Структурная организация М-автоматов базируется на обобщении КС по отношению ко всем регистрам, за счёт чего уменьшаются затраты оборудования.

Эти два класса автоматов обладают противоположными свойствами. Для I-автоматов характерны максимальная производительность и наибольшие затраты оборудования, а для М-автоматов - наоборот. Между этими двумя классами структур ОА лежат варианты структур ОА (IM-автоматы), обладающие промежуточными свойствами. ОА, структурная организация которых вносит ограничения на совместимость МО и, одновременно с этим, обеспечивает выполнение более чем одной МО за такт, называют IM-автоматами. Организация IM-автоматов также базируется на принципе обобщения эквивалентных КС, однако степень обобщения не столь высока, как в М-автоматах, и позволяет в одном такте выполнять более сложные действия, чем S_i := _m(S_j), S_i := _m(S_j,S_n), типичные для М-автоматов.

Структурная организация IM-автоматов базируется на использовании (для выполнения МО) последовательного и параллельного соединения многофункциональных КС Ф₁, Ф₂, … . Первое приводит к структурам IM-автоматов с последовательной комбинационной частью (рис. 3), а второе – к IM-автоматам с параллельной комбинационной частью (рис. 4).

Рис. 3. Структура IM-автомата с последовательной комбинационной частью

Принцип последовательной организации приводит к структурам, в которых комбинационная часть состоит из обычно из трёх схем Ф₁, Ф₂, Ф₃, реализующих микрооперации из трёх множеств {f_k}, {g_l}, {h_m} соответственно (рис. 3). Схема Ф₁ обычно служит для формирования констант, полей, инверсий кодов, возбуждаемых одним из сигналов множества {f_k} и называется формирователем кодов (для схемы Ф₂). Схема Ф₂ обычно служит для выполнения бинарных опера­ций (например, сложение), возбуждаемых одним из сигналов множества {g_l}. Схема Ф₃ используется для выполнения унарных МО сдвига, возбуждаемых одним из сиг­налов множества {h_m}, и называется сдвигателем. В одном такте такой ОА может выполнить преобразование S_n:=h_m(g_l(S_i,f_k(S_j))), эквивалентное трем последовательно выполняемым МО f_k, g_l, h_m. Выбор операндов из регистров S_i, S_j и запись результата в регистр S_n обеспечивается мультиплексорами MSA, MSB и демультиплексором DMC под управлением сигналов их наборов {y_A}, {y_B}, {y_C}. В результате производительность IM-автомата в три раза превышает производительность M-автомата. Однако продолжительность такта больше вследствие последовательного соединения схем Ф₁, Ф₂, Ф₃.

Принцип параллельной организации приводит к структурам, в которых комбинационная часть состоит из нескольких (например, двух) схем Ф₁, Ф₂, реализующих микрооперации из {f_n}, {g_h} (рис. 4). Схема Ф₁ обычно служит для выполнения бинарных операций, возбуждаемых одним из сигналов множества {f_n}. Схема Ф₂ используется для выполнения унарных МО, возбуждаемых одним из сигналов множества {g_h}. В одном такте такой ОА может выполнить две МО - S_n:=f_n(S_i,S_j), S_r:=g_h(S_k). Выбор операндов из регистров S_i, S_j и запись результата в регистр S_n обеспечивается мультиплексорами MSA, MSB, MSC и демультиплексорами DM1, DM2, управляемых сигналами из наборов {y_A}, {y_B}, {y_C}, {y_D1}, {y_D2}. В результате производительность такого IM-автомата в два раза превышает производительность M-автомата. IM-автомат с параллельной организацией можно считать композицией из нескольких (двух и более) М-автоматов, имеющих общую память S₁, … , S_К.

Рис. 4. Структура IM-автомата с параллельной комбинационной частью