Лекция 7. Язык микроопераций

Микрокоманда — совокупность микроопераций, выполняемых параллельно во времени.

Микрооперация — элементарная функциональная операция, производящая какое-либо элементарное действие над данными и выполняемая в течение одного тактового интервала (машинного такта). Понятие машинный такт используется для определения временных соотношений между различными этапами машинной команды. Границы такта задаются синхросигналами, вырабатывающимися специальными устройством — генератором синхросигналов.

Существуют разные уровни рассмотрения функционирования вычислительных устройств. Каждому уровню можно поставить в соответствие определенный язык формализованного описания.

Если требуется рассмотреть работу отдельного логического элемента или устройства на уровне электронных схем, то ее можно однозначно описать на языке дифференциальных уравнений для токов и напряжений.

Если рассматривать сложное устройство (параллельный сумматор), то в качестве языка описания лучше всего подойдет язык булевых функций. То есть мы вынуждены перейти на более общий уровень.

Язык микроопераций предназначен для описания цифровых вычислительных устройств, функционирование которых рассматривается на уровне регистров. Поэтому язык микроопераций также называют языком регистровых передач. С его помощью можно просто и наглядно описывать регистры, слова, массивы памяти, элементы и части машинных слов и массивов, элементы регистров и отдельные ячейки памяти, операции передачи машинных слов и частей слов.

Описание слов, регистров и шин Описание n-разрядного слова на языке микроопераций содержит его название — идентификатор и разрядный указатель. Разрядный указатель состоит из номеров старшего и младшего разрядов слова, разделенных знаком разделителя ч. Пример Аналогичным образом описание регистра состоит из названия (идентификатора) и разрядного указателя.

Например, описание регистра команды (РгК) и его отдельных частей (подрегистров) можно записать следующим образом:

РгК[031],.

РгК[07] или РгК[КОП],.

В разрядном указателе регистра можно указать идентификатор части слова, а значение отдельного разряда регистра можно выделить и так: РгК[6].

Совокупность линий (цепей), предназначенных для передачи слова, или, в более общем случае кодов и сигналов, объединенных общим функциональным назначением (например, адрес операнда), называется шиной. Шина, по которой в устройство поступает во внешнюю среду или из внешней среды подается слово (адрес операнда, операнд, команда), описывается также как и регистр и слово, идентификатором и разрядным указателем. Например, описание шины, по которой подается 24-разрядный адрес: .

Описание массива данных и памяти Описание массива (памяти), состоящего из слов одинаковой длины, содержит их название-идентификатор и в скобках наименьшие и наибольшие номера слов или нижнюю и верхнюю границы массива (наименьшие и наибольшие номера ячеек памяти), а также порядок нумерации разрядов в словах. Пример описания модуля памяти:

.

то есть модуль 2 оперативной памяти (массив) содержит r n-разрядных ячеек (слов). Соответственно j-ое слово (n-разрядная ячейка памяти) и i-й разряд памяти (столбец массива) представляются соответственно:

и .

Описание микроопераций Микрооперация осуществляет некоторое элементарное преобразование над данными. Это преобразование может быть логическим (выполняется над операндом поразрядно), арифметическим или функциональным. Например, это может быть сдвиг, операция счета, передача из одного регистра в другой, операции «логическое ИЛИ» над двумя операндами. Микрооперация описывается микрооператором, описание это выглядит так.

.

Где G — метка микрооперации,.

`:' - разделитель, Остальное — микрооператор.

Правая часть микрооператора, после знака `:=', называется формулой микрооператора.

Знак `*' - знак, определяющий преобразование над данными, которое осуществляет данная микрооперация.

Действие микрооператора состоит в том, что в конце такта выполнения микрооперации в регистре (на шине и другие), описанном в левой части микрооператора, устанавливается слово, полученное в результате преобразования над начальными значениями операндов, указанных в формуле микрооператора. В частном случае, если микрооперация состоит в передаче слова, формула микрооператора содержит лишь описание слова, точнее, регистра (или части регистра) из которого происходит передача.

Пример: Прием из регистра команды в регистр адреса РгА второго операнда А2 можно представить в виде:

Или в более простой форме:

На схеме жирной стрелкой показан управляющий сигнал, вызывающий выполнения данной микрооперации. Управляющий сигнал принимает только два значения: 1 — микрооперация возбуждается, 0 — микрооперация не возбуждается. Один управляющий сигнал может инициировать выполнение нескольких микроопераций. Тогда микрооператоры, описывающие последние, записываются подряд и отделяются друг от друга запятыми.

Пример:

В одном такте выполняется прием в регистр В содержимого счетчика команд и прием содержимого регистра D в счетчик команд. Точка с запятой разделяет микрооператоры, выполняемые в разных тактах.

Рассмотрим еще несколько примеров микроопераций.

Конкатенация или составление слова.

В регистр В передается слово, отдельные разряды которого соответствуют содержимому некоторых разрядов РгА, Сч, триггера переполнения (ТгП) и константе 0.

Сдвиг Различают операции арифметического, логического и циклического сдвига.

В описаниях языка микроопераций сдвиги имеют следующие обозначения СдвА, СдвЛ, СдвЦ. Ниже описана микрооперация арифметического сдвига содержимого регистра С на 4 разряда вправо:

Операция арифметического сдвига содержимого регистра D на 3 разряда влево:

При арифметическом сдвиге знаковый разряд не сдвигается. Освобождающиеся при сдвиге разряды заполняются нулями, а биты, выдвигающиеся из регистра, теряются. При логическом сдвиге сдвигаются все разряды кода, включая знаковый разряд. При циклическом сдвиге крайне разряды регистра соединяются между собой так, что выдвигающиеся из крайнего разряда регистра биты, поступают в другой крайний разряд.

Условные микрооператоры.

В микропрограммах часто должна выполнятся та, или иная микрооперация, соблюдается то или иное условие, или должна выполняться или пропускаться некоторая микрооперация.

ЕСЛИ (условие) ТО микрооператор (ы) ИНАЧЕ микрооператор (ы) В условном микрооператоре вместо микрооператора может стоять метка, отсылающая к микрооператору, определенному в другом месте микропрограммы.

ЕСЛИ (условие) ТО переход ИНАЧЕ микрооператор (ы) или наоборот.

Для записи микрооперации можно воспользоваться также условным микрооператором следующего вида:

РгАk k+lесли (условие) то РгВm m+lРгСn n+l.

иначе РгDp p+lРгЕq q+l.

Описание микрокоманды производится аналогично описания микрооперации и представляет собой метку микрокоманды и разделенную запятыми последовательность микрооператоров, выполняемых в микрокоманде. В общем случае, мы имеем право говорить о микрокоманде, так как микрооперация является частным случаем микрокоманды, содержащей только одну микрооперацию. Особенно же даже самые простые операции преобразования информации занимают несколько тактов и требуют выполнения определенной последовательности микрокоманд. Например, если прием в РгА требует предварительной установки в `0', то прием в РгА из РгК второго операнда будет производится последовательностью микрокоманд (т.е. микропрограммой).

• 1-ый такт:
• 2-ой такт:

В данном случае каждая микрокоманда содержит одну микрооперацию.

Микропрограмма может быть изображена в виде графа, отдельные вершины которого соответствуют микрокомандам или группам микрокоманд.

Безусловные микрокоманды:

РгА:= ША или РгИ:= ЗМ[РгА, 0чn-1].

Условные микрокоманды (Пример графа микропрограммы):