Устройство микропрограммного управления

нн 528568 ОПИСАНИЕ Союз Советских Социалистических РеспубликК АВТОРСКОМУ СВИдЕ зне еи"Юесийуд. Д:д Сит.одаб.еыО полнительное к авт. свид-Ь(23) ПриоритетОпубликовано 15.09.76, Бюллетень34Дата опубликования описания 16.1.76 5 ) М. Кл,з осударственныи комитет пиетров СССРизобретений вета(53) УДК 681.325(0 де ткрытий 72) Авторы нзобретеш В, Н. Алексеев, Л. Д, Голованев, С. Н, Домарацкии В. В. Талдыкин лосо 1) Заявнтел енин скии ордена Ленина политехническии институт им. М, И. Калинина 4 УСТРОЙСТВО МИКРОПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕН Изобретение относится к вычислительнои технике и может быть использовано в управляющих и любых других вычислительных машинах и устройствах вычислительной техники с микропрограммным управлением.Известно устройство микропрограммного управления, содеркащее память микрокоманд с выходным регистром микрокоманд, дешифратор микрокоманд, подключенный к выходам регистра адреса микрокоманды, на входы которого воздействуют сигналы с выходов поля переходов регистра микрокоманд и от внешних источников кодов адресов Ц. Известно также устройство микропрограммного управления, содержащее два накопителя микро- команд, блоки адресации, схему тождественности и блок управления 2. Эти устройства характеризуются, во-первых, сложным программированием, во-вторых, тем, что при большем числе подпрограмм или обращений к ним резко возрастают аппаратурные затраты, в-третьих, возмокным частичным снижением быстродействия за счет появления пустых оператороз для согласования отдельных микроподпрограмм. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство микропрограммного управления, содержащее первый и второй автоматы Уилкса-Стринджера, причем первая группа разрядных входов первого автомата соединена с первой группой разрядных выходов второго автомата, вторые группы разрядных выходов первого и второго автоматов соединены с адресными входамп соот ветственно второго и первого автоматов, регистр мнкрокоманд, каждый автохтат УилксаСтринджера содержит регистр адреса, дешифратор, блок памяти микрокоманд и блок памяти переходов, причем выходы регистра адреса через дешифратор соединены с адреснымн входами блока памяти мнкрокоманд, адресные выходы которого соединены с адресными входамн блока памяти переходов, а разрядные входы блока памяти микрокоманд и блока памяти переходов соединены соответственно с первон и второй группами разрядных входов автомата, первая и вторая группы разрядных выходов автомата соединены с разрядными выходами соответственно блока 20 памяти микрокоманд и блока памяти переходов, разрядные входы регистра адреса соединены с адресными входами автомата, а управляющий вход автомата соединен с регистром адреса 13. Это устройство характеризуется 25 незначительным быстродействием и большойсложностью программирования.Цель изобретения - повышение быстродействия устройства, экономичности и гибкости программирования. В описываемом устройстве ЗО это достигается тем, что оно содержит третий" е тыи автоматы Уилкса-Стринджера,орой третий и четвертый блоки опт иггер первый и второй элементы Л, причем третья и четвертая группы разряд выходов четвертого автомата соединены соответственно с третьей группой разрядных входов и адресными входами третьего автомата, вторая и третья группы разрядных выходов третьего автомата соединены со вторыми группами разрядных входов соответственно второго и первого автоматов, четвертые группы разрядных выходов четвертого и третьего автоматов соединены соответственно с адресными входами третьего и первой группой адресных входов четвертого автоматов, первые группы разрядных выходов четвертого и третьего автоматов соединены с первыми группаами разрядных входов соответственно третьего и второго автоматов, кодовые входы устройства соединены со второй группой адресных входов четвертого автомата, входы регистра микрокоманд соединены с первой группой разрядных выходов первого автомата, выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков опроса соединены с управляющими входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого автоматов, первые подготовительные входы первого и второго блоков опроса соединены соответственно с выхоами второго и первого блоков опроса, втодрые подготовительные входы первого и втор- ого блоков опроса соединены соответственно с первым и вторым выходами регистра микро- команд, третий выход которого соединен со входами запрета первого и второго блоков опроса, выход третьего блока опроса соединен с единичным входом триггера и первым подготовительным входом четвертого блока опроса, выход которого соединен с нулевым входом триггера и первым подготовительным входом третьего блока опроса, входы запрета третьего и четвертого блоков опроса соединены с четвертым выходом регистра микрокоманд, пятый выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с единичным и нулевым выходами триггера, выходы первого и второго элементов И соединены со вторыми подготовительными входами соответственно четвертого и третьего блоков опроса, тактовые входы первого, второго, третьего и четвертого блоков опроса соединены с тактовым входом устройства, третий и четвертый автоматы содержат первый и второй дополнительные блоки памяти переходов, адресные выходы блока памяти переходов соединены через первый дополнительный блок памяти переходов с адресными входами второго дополнительного блока памяти переходов, разрядные входы первого дополнительного блока памяти переходов и регистра адреса третьего автомата соединены соответственно с третьей группой и адресными входами этого автомата, третья и четвертая группы разрядных выходов автомата соединены с разрядными выходами соответственно первого и второ"о юлиительиых олоков измят р .и переходов,а вторая гру 1 ша адресных входов четвертоавтомата соединена с разрядными входами ре 5 гисзра адреса этого автомата,На чер гоже представлена блок-схема описываемого устройства.Оно содержит автоматы 1 - 4 Уилкса-Стринджсра, блоки опроса 5 - 8, триггер 9, элементыИ 10, 11, регистр микрокоманд 12. Первыйи второй аьтоматы Уилкса-Стринд рдержат регистра адреса 13, - 134, дешифраторы 14, - 14, блоки 151 - 15, памяти микрокоманд, блоки 161 - 16 памяти переходов, а15 третий и четвертый автоматы Уилкса-Стринджер сра содержат блоки 16, 1 б памяти переходов и дополнительные блоки 17 1 р и18, памяти переходов. На чертеже, кроме того,обозначены: 19 - группа входов устройства,20 - тактовый вход устройства, 21 - 2520выходы регистра микрокоманд, 26,26 27 - выходы элементов И. Автоматы 1, 22 и 3 4 об.разуют соответственно нижний и верхнийурровеиь иерархии устройства. Влокиавтоматов 1 и 2 доступны для автоматов 3,а блоки 16, 16, 7 17 18 18, автоматов4 не перекрываются ии взаимно, ни автоматами 1, 2. В слово микрокоманды введено специальное поле управления переходами с уровняЗ 0 на уровень, которое может выдать пять микоприказов. При этом возможен переход сропрлюбого из автоматов 3, 4 верхнего уровня налобой из автоматов 1, 2 нижнего уровня, Возврат с нижнего уровня на верхний (с любогоЗ 5 нз автоматов 1, 2) происходит всегда на автомат верхнего уровня, противоположный тому, с которого был совершен переход на нижний уровень, для чего в устройстве имеетсяигер 9 который всегда устанавливается в440 1 при выборе микрокомгнды из автоматаверхнего уровня и в О - при выборе из автомата 3. При возврате с нижнего уровня выдается микроприказ, который тестирует триггер 9 и разрешает работу автомата 3 или 4.45 Автоматы обоих уровней могут, в зависимости от комбинации выданных микроприказов,р аботать одновременно, делая К шагов в начале или в конце микроподпрограммы (или ив начале и в конце), что позволяет строить50 более универсальные микроподпрограммы.Предварительно все множество микропрограмм М вычислительной машины разбивается на две части: подпрограмма верхнегоВ = - М М, М и нижнего Н = Мь55 М, М 1 уровня. Множество Н составляется из отдельных часто встречающихся вразличных микропрограммах М, последовательностей операторов Н,. Длина этих последовательностей может быть любой, но с це 60 лью получения оптимальных размеров памяти автоматов нижнего уровня число операторов в последовательности не выбирают больше 12 - 15, Для более длинных последовательностей целесообразнее применять многорангоб 5 вую структуру микроподпрограмм с регистра ми возврата, что в сочетании с предложенной структурой позволяет получать максимальную экономию памяти микрокоманд. В дальнейшем оба подмттожества В и Н разбиваются каждое на два: В 1, В 2 и Н 1, Н 2 соответственно. Каждое подмножество соответствует одному из автоматов 1 - 4 устройства.Начала микроподпрограмм нижнего уровня распределяются по автоматам 1, 2 так, чтобы Н 1 = Н 2. Все начальные микрокоманды подпрограмм верхнего уровня располагаются во множестве В 1. В множества В 1 ц Н 1 входят нечетные микрокоманды, в множестве В 2 ц Н 2 - четные. Концы микроподпрограмм обоих уровней могут располагаться в любом подмножестве.В исходном состоянии подготовлен блок опроса 8, блоки опроса 5, 6, 7 - не подготовлены. На регистр адреса 13., автомата 4 верхнего уровня по входам 19 из регистра команды введен адрес начальной мцкрокоманды заданной микропрограммы. На вход 20 от основного задающего генератора вычислительной машины поступают тактовые импульсы. Первым импульсом запускается блок опроса 8, триггер 9 .статтавливается в О, готовится блок опроса 7, считывается регистр адреса 134 и возбуждается через дешифратор 14 шина (слово), соотвстствутощая введенному коду. Блок опроса 8 становится ттеподготовлеттньпт. На регистр микрокоманд 12 поступает слово выбранной микрокоманды. Если в первой микрокоманде нет обращения на нижний уровень, то на регистр адреса 13 З записывается из блока 16 памяти переходов адрес следующей микрокомацды верхнего уровня (из множества В 2). Второй импульс тактового генератора по входу 20 запускает блок опроса 7, который устанавливает триггер 9 в состояние 1, готовит блок опроса 8 и возбуждает через дешифратор 14,шитт, выбранной микро- команды. На следующий импульс такта по входу 20 срабатывает блок опроса 8, триггер 9 устанавливается в О, подготавливается блок опроса 7 и считывается микрокоманда из множества В 1. Работа автоматов 3, 4 верхнего уровня друг на друга продолжается до тех пор, пока не требуется перейти к подпрограмме нижнего уровня. Если на каком-либо шаге микроподпрограммы хтикрокоматтде) Мв требуется осуществить переход на нижний уровень, к микрокоманде М;ц, то работа устройства происходит следующим образом;а) МяВ 1, М+те:-Н 1, тогда очередным импульсом по входу 20 запускается блок опроса 8, триггер 9 устанавливается в О и выбирается через дешифратор 14 слово М,;. При этом на регистр адреса 13, верхнего уровня нз блока 16 записывается адрес мцкрокомандьт М,;, к которой необходимо персйттт после око:тчация подпрограммы нижнего уровття, на регцстт адреса 13. нижнего уровня цз блока 16 запт - сывается адрес начальной микроком анды М+т подпрограммы нижнего уровня. В слове микрокоманды М имеется микроприказ, за 528568 6прещаюшцй по входу 21 подготовку блоков 7, 8, и микропрцказ, готовящий по входу 22 блок опроса 6 нижнего уровня. Триггер 9 запоминает состояние О, так как на блок опроса 7 действует импульс запрета по входу 21, он остастся неподготовленным. Следующим импульсом такта по входу 20 запускается уже блок опроса 6. готовит блок опроса 5 нижнего уровня ц через дешифратор 14 возбуждает шиг, цз множества Н 1, соответствующую 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ОО 65 микрокоманде М.т. При этом, если в микропрограмме нижнего уровня более одной микрокоманды, то на регистр адреса 13, нижнего уровня записывается адрес очередной микрокоманды. В следующем такте срабатывает блок опроса 5, готовит блок опроса 6 и через дешифратор 14, возбуждает очередную микрокоманду (шттну) из множества Н 2. Работа автоматог, 1, 2 нижнего уровня друг на друга поодолжается до исполнения микрокоманды М,после которой требуется возвратиться на верхний уровень, При выборе микрокоманды М; на регистр адреса не записывается адрес очередной мцкроком анды, Выдается мцкропрцказ. запрещающий по выходу 23 под готовку блоков опроса 5, 6, и микроприказ, воздействующий на входы элементов И 10, 11 по выходу 25. Так как триггер 9 находится в состоянии О. то с выхода 27 первого элемента И 1 готовится блок опроса 7 верхнего уровня. В следующем такте по входу 20 запускается блок опроса 7, устанавливает триггер 9 в 1, подготавливает блок опроса 8, считывает регистр адреса 13 ь на который перед обрап 1 ением к нижнему уровню записывается адрес мцкрокоманды, ч через дешифттатор 14, гозбуждает шину из множества В 2, соответствующую Мт. Далее аналогично исполняется мцкроподпрограмма верхнего уровня.б 1 М;В 1. М;+яН 2. Работа происходит аналоги тцо, только, вместо записи на регистр 13 ттз блока 1 бт, производится запись адреса М; на регистр адреса 13 нижнего уровня из блока 16; и, гместо микроприказа, готовящего по вьтходт 2 блок опроса 7, выдается микропоиказ, готовящий по выходу 24 блок оп. роса 6.Таким образом. в (т+ 1) -м такте запускается блок опроса 6 и считывает микрокоманду М,;втМ;В 2. М; яН 1. В т-м такте запускает. ся блок опроса 7, устанавливает в 1 триг. гср 9, готовит блок опроса 8, который одно. впемепно запрещается по выходу 21, и считы. наст регистр адреса 13. При этом через де шифратор 14; возбуждается шина микро коматтды М; и на регттстр адпеса 13 л запцсы вается адрес микрокоманды М.;, к которой не обхолцмо перейти, после возврата на верхнит"повень. Выдаются те же микроприказьт, чтс " г. случае МВ 1, М+яН 1. При возврат( а верхний уровень мцкроприказ по выходу 2 ,срез элемент И 10 и выход 26 (так как триг гср 9 установлен в 1) подготавливает блот45 50 55 00 65 7опроса 8. Следующая микрокоманда (М;) выбирается из автомата 4 верхнего уровня.г) Мге-В 2, Мг+,еН 2. Работа происходит аналогично, только при переходе к нижпему уровню готовится блок опроса 5, а в микрокоманде М, производится запись адреса из блока 16 г на регистр 1 Зг.Возможна параллельная лабота автоматов верхнего и нижнего уровня. В этом случае выполняются составные микрокомапды, т. е. часть управляющих микроприказов выдается с верхнего уровня В, = тт, тг, , т а часть - с нижнего Н, = тттг, т,т 1 Должно выполняться условие В П Н = Я т. е. в каждом подмножестве должны выдаваться различные микроприказы. Это позволяет строить более гибкие микропрограммы, т. е. использовать полностью подпрограмму нижнего уровня, а отсутствующие в ней микгтоприказы добавлять из верхнего уровня. Для организации такого режима при переходе на нижний уровень блоки 16, или 16, возбуждаются не в микрокоманде Ма в микрокоманде М, к, где К - число совместных шагов обоих автоматов. Тогда же выдается и микроприказ по выходам 22, 24, а в микрокоманде вепхпсго иювгтя В; выдается микро- приказ по выходу 21, запрещающий подготовку блоков опроса 7 и 8. Возврат с нижнего уровпя может происходить также зарапес, т. е. пе в микрокоманде М;, я в микрокоманде М;-к, лля чего в этой микгтокомянде выдастся микроприкяз по выход 25. я в микрокоманле М; выдается микроприказ по выходу 23, зяппещатощитт подготовку блоков опроса 5 и 6. В остальном работа устройства происходит также, как и в предыдущих режимах,Универсальность микроподпрограмм нижнегоровня заключается в том, что онп могут содержать в себе лишт. те мпкооприказьт, которьте являются обтцими для более широкого класса микропрограмм. Так. гтапгтимер, в процессорах на однородных магнитных матрицах часто ттспользется микрополпрограмма сложение (в микропрограммах вычитание, умножение, деление и т. д.). При этом операнлы лля сложения бертся, как правило, из разных функциональных линеек, в ряде ел"тяев их требуется регенерировать в эти линейки, я в ряде случаев не требуется. Мокно построитт микроподпрограмму ниткнего уровня такую, что в первых лвх микрокомандах не вылаются микроприказы, возбуждатоттттте сгитт.твянтте ф нкциональных линеек, тогля эта единственттяя микроподнрогпамма сложентле сможет использоваться во всех перегисленных микрокомандах. С верхнего уровня при этом при одновременной работе должны вьтлавятьгя микпоприказы считывания соответстг, тотттих сЬ нкцгготтальных линеек, в когогтых хряпятс я опсвяпчгт, тт регенераптпт ( г япттстт с лтттьтогткттттеттг в соответстмто "."- функттиотталтные линейки. При этом полгттются состявгтые микрокоманды. Хотя общее число адресов памяти микрокоманд не сокря. 5 10 15 20 25 30 35 40 п.яется, рсзко сокращается суммарное число мпкропрпказов.Устройство позволяет упростить программировят;ие кяк путем оргатгизации большего чис,тя микроподпрограмм (включая подпрограм. гы из одной-двух микрокоманд, что лля других устройств невыгодно), тяк и в результате повьппения гибкости подпрограмм при совместной работе обоих уровней. Количество ошибок, допускаемых при составлении микропрограмм тем большее, чем больттгс общее число микрокоманд и суммарное число (по всем микрокомандам) микроприказов. При пртггеттеттии устройства сокращается как общее число микрокоманд, так и общее число микропртткязов и, как следствие этого, уменьшается коли тество ошибок и сокращается время на программирование, проверку и моделигтовлтттте микропвограмм на универсальной ЦВМ. Так, при разработке первого устройства затраты времени на составление микропрограмм сократилось примерно на 1 Оотд или на 12 геловеко-дней, я при эскизном проектировании второго устройствапа 25,гт илн пя 40 геловеко-дней.Быстродействие устройства повьппается, так как отсутствутот пустые операторы согласования типа безусловного перехоча (которые удлиняют микропрограмму во времени на одну единицу автоматного времени каждый); отсутствуют дополнительные операторы типа формирования и засылки адреса возврата; при выполнении микропрограммы верхнего уровня возможно одновременное выполнение подпрограммы типастяновок или засылок на нижнем (если микроприказы, выдаваемые с обоих мровттей совместимы); при выполнении полпрограммы нижнего уровня, не солержащей сигналов установок и засылок, возможна одновременная выляча этих сигналов с верхнего уровня (если микроприказы совместимы).В описываемом устройстве экотгогия времени. кяк минимум в одну-две единицы, получена практически во всех микропрограммах. При вычислении увеличения быстродействия было принято, что программа состоит из 27% команд типа сложение - вычитание, 10 О/о команд - типа умножение, 5 ого команд - де, ения, 604 команд - типо свавнение кодов, 8 % команд - пересылок, 21/, - логических оперяттий и 23,4 команд - управления и связи с пультом оператора и внешними устройствами. Этот частотный спектр соответствует характеру алгоритмов разработанной УЦВМ. Очевидно, что лля других частотных спектров можно получать другие результаты, причем увеличение быстродействия блет тем выше. чем выше доля сложных команд тппя умножения, лелеппя или преобразований с индексацией. Вывод сппавеллив ллтт класса микро- команд для проттессогтов на ОММ, однако с небольшими оговорками может быть распро.странен и ня общий случай. Увеличение быст родействия рассчитано по формуле10 55 60 9т т,р,.ЬБ =100 оотр,Кгде ЛБ - приращение быстродействия;Т - время выполнения к-й команды безК 5применения описываемого устройства;Т, - то же, с применением описываемогоустройства;Р - относительная частота встречи К-йкоманды. Формула изобретения Устройство микропрограммного управления, содержащее первый и второй автоматы Уилкса-Стрицджера, причем первая группа разрядных входов первого автомата соединена с первой группой разрядных выходов второго автомата, вторые группы разрядных выходов первого и второго автоматов соединены с адресными входами соответственно второго и первого автоматов, регистр микрокоманд, каждый автомат Уилкса-Стринджера содержит регистр адреса, дешифратор, блок памяти микрокоманд и блок памяти переходов, причем выходы регистра адреса через дешифратор соединены с адресными входами блока памяти микрокоманд, адресные выходы которого соединены с адресными входами блока памяти переходов, а разрядные входы блока памяти мцкрокоманд и блока памяти переходов соединены соответственно с первой и второй -руинам;1 разрядных входов автомата, первая и вторая группы разрядных выходов автомата соединены с разрядными выходами соответственно блока памяти микрокомацд ц бло ка памяти переходов, разрядные входы регистра адреса соединены с адресными входами автомата, а управляющий вход автомата соединен с регистром адреса, отл ич а ющеес я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, экономичности и гиокости программирования, оно содержит третий и четвертый автоматы Уилкса-Стринджера, первый, второй, третий и четвертый блоки опроса, триггер, первый и второй элементы И, причем третья ц четвертая группы разрядных выходов четвертого автомата соединены соответственно с третьей группой разрядных входов и адресными входами третьего автомата, вторая и третья группы разрядных выходов третьего автомата соединены со вторыми группами разрядных входов соотвстственно второго и пер 11 ог 11 автоматов, четвертые группы разрядных выходов четвертого и третьего автоматов соединены соответственно с адресными входами третьего и первой группой адресных входов 1 етвертого автоматов, первые группы разрядных выколов четвертого и третьего автоматов 5 10 15 20 25 30 Зя 40 45 50 соединены с первыми группами разрядных входов соответственно третьего и второго автоматов, кодовые входы устройства соединены со второй группой адресных входов четвертого автомата, входы регистра микро- команд соединены с первой группой разрядных выходов первого автомата, выходы первого, второго, третьего, четвертого блоков опроса соединены с управляющими входами соответственно первого, второго, третьего, четвертого автоматов, первые подготовительные входы первого и второго блоков опроса соединены соответственно с выходами второго и первого блоков опроса, вторые подготовительные входы первого и второго блоков опроса соединены соответственно с первым и вторым выходямц регистра мик 1 эокомянд, третий выход которого соединен со входами запрета первого 1 второго блоков опроса, выход третьего блока опроса соединен с единичным входом триггера и первым подготовительным входом четвертого блока опроса, выход которого соединен с нулевым входом триггера и первым подготовительным входом третьего блока опроса, входы запрета третьего и четвертого блоков опроса соединены с четвертым выходом регистра мцкрокоманд, пятый выход которого соединен с первыми входамц первого ц второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с единичным и нулевым выходамп триггера, выходы первого и второго элементов И соединены со вторыми подготовительными входамц соответственно четвертого ц третьего блоков опроса, тактовые входы первого - :етвертого блоков опроса соединены с тактовым входом устройства, третий ц четвертый автоматы содержат первый и второй дополнительные блоки памяти переходов, адресныс выходы блока памяти переходов соединены через первый дополнительный блок памяти переходов с ядреснымц вхо;1 ами второго дополнительного блока памяти переходов, разрядные входы первого дополнительного блока ц регистра адреса третьего автомата соединены соответственно с третьей группой и адресными входами этого автомата, третья и четвертая группы разрядных выходов автомата соединены с разрядными выходами соответственно первого и второго дополнительных олоков памяти переходов, а вторая группа адресных входов четвертого автомата соединена с разрялнымц входямц регистра адреса этого автомата. Источники ин 11)Орм апнц, прцн 51 тые во ьч 1 И- мание при экспертизе:1. Булей Г. Мцкропрограммцровяццс. Мцр, 1973. с. 37.2. Ът. св. М 112604, М. Кл.- 6 06 Г, 9,16, 1974.3. Хяссоц С. Микропрограммное управление, Мцр, 193, ып. 1. с. 43, рис. 2, 3.Заказ 2003/9 Изд.1591 Тираж 864 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр, Сапунова, 2