Функциональная схема центрального процессора

Функциональная схема центрального процессора (управляющего и арифметического устройства УАУ) приведена на рис. 4.1. В состав УАУ входят три основных функциональ­ных устройства:

· центральное устройство управления,

· местное устройство управления,

· арифметическое устройство.

Центральное устройство управления (ЦУУ) предназначено для организации хода вычислительного процесса, преобразования адресной информации, коммутации устройств памяти, прерывания вычислений по внешним сигналам.

ЦУУ состоит из следующих функциональных узлов:

· счетчика команд и переключателя "квадратов" команд ПЗУ (СКП),

· схемы адреса ПЗУ,

· схемы модификации адреса,

· схемы хранения адреса,

· индексного регистра ИР,

· схемы управления ПЗУ,

· схемы управления ОЗУ,

· схемы управления ВЗУ,

· схемы приёма сигналов непрограммируемого прерывания вычислений
ПНПВ.

ЦУУ обеспечивает естественную выборку команд из ПЗУ.

В счетчике команд и переключателе "квадратов" команд ПЗУ (СКП) формируется адрес команды путем прибавления по ИО единицы младшего разряда к содержимому счетчика, либо посылкой в СКП числа с выхода схемы хранения адреса. Для согласования быстродействия ЦУУ и ПЗУ адрес команды из СКП на схему адреса ПЗУ передается по двум каналам.

В ЦВМ-Орбита 20 "память" команд и констант единая, поэтому обращение к ПЗУ за командой и константой происходит по одному и тому же каналу. Схема адреса ПЗУ осуществляет коммутацию адресов команды и константы.

Управляет коммутацией признак памяти, записанный в 9-ом разряде команды. Сформированный адрес поступает из схемы адреса ПЗУ. Адрес операнда в схему адреса ПЗУ подается также по двум каналам: адрес ячейки внутри "квадрата" ПЗУ (AM) поступает с выхода схемы модифи­кация адреса, адрес номера "квадрата" ПЗУ с выхода ИР.

Схема модификации адреса предназначена для приёма команды из ПЗУ, ОЗУ или УВВ и дальнейшей модификации адресной части команды, если признак модификация в команде равен единице. Изменение адресной части произво­дится на величину модификатора команд МК, хранящегося в индексном регистре. С выхода схемы модификации адреса адрес операнда поступает в ВЗУ.

Рис. 4.1 Функциональная схема центрального процессора

Схема хранения адреса предназначена для запоминания адреса при многократном обращения к ОЗУ или ПЗУ. Адрес операнда из схемы хранения адреса поступает ОЗУ.

Номер ОЗУ, к которому производится обращение за числом, хранятся в 15-ом разряде счетчика команд. Таким образом, в ЦВМ-Орбита 20 принята относительная адресация.

Индексный регистр ИР предназначен для хранения информации, необходимой для модификации и формирования адреса операнда. ИР содержит модификатор адресной части команды МК и переключатель "квадратов" чисел ПЧ. Кроме того, в нем производится запоминание признака условного перехода w. Изменение кода в ИР производится программным путем при выполнении операций посылки в ИР из Сб.ЗУ, схемы хранения адреса илиPH.

Схема управления ПЗУ предназначена для коммутации приёма команды на входах схемы модификации адреса и предварительного регистра команд или коммутации приёма константы на входе Сб.ЗУ с одного из четырех устройств ПЗУ. Управление схемой производится двумя старшими разрядами переключателя "квадратов" команды при выборке команды или двумя старшими разрядами переключателя "квадратов" чисел при выборке константы.

Схема управления ОЗУ предназначена для формирования сигналов управления работой ОЗУ, участвующего в выполне­нии операции. Номер ОЗУ записан в 15-ом разряде СКП. Изменение номера ОЗУ производится программно.

Схема управления ВЗУ предназначена для коммутации приема константы с одного из устройств ВЗУ на входе Сб.ЗУ.

Управление схемой осуществляется разрядами переключателя "квадратов" чисел.

Схема приёма сигналов непрограммируемого прерывания вычислений ПНПВ предназначена для приёма из УВВ сигнала НПВ и выработки сигналов приема непрограммируемой команды ПНК и исполнения непрограммируемой команды ИНК, Сигнал ПНК прерывает нормальный ход программы и разрешает приём команды из УВВ на входы схемы модификации адреса и предварительного регистра команд. Сигнал ИНК поступает в УВВ и является признаком исполнения непрограммируемой команды.

Местное устройство управления предназначено для выработ­ки управляющих сигналов, реализующих алгоритм выполнения операций из списка системы команд.

Местное устройство управления состоит из следующих устройств:

· предварительный регистр команд;

· исполнительный регистр команд;

· дешифратор кода операций ДКОП,

· схема преобразования кода,

· распределительное устройство РУ.

Для согласования быстродействия устройства управления и ПЗУ команда в УАУ передается по двум каналам. По одному из каналов в местное устройство управления поступают разряды команды, содержащие код операции.

Формирование сигналов управления производится на основа­нии анализа кода операции, а для команд, реализующих операции над безадресным операндом, также на основании анализа разрядов адресной части команды.

Предварительный регистр команд ПРК предназначен для приема кода операции команды, выбранной из определенного устройства (ПЗУ, ОЗУ или УВВ)и запоминания этой информации до момента дешифрации.

Исполнительный регистр команд предназначен для хранения кода операций в параллельной форме на время ее выполнения в арифметическом устройстве и в центральном устройстве управления.

Дешифратор кодов операций ДКОП предназначен для выработки управляющих сигналов в соответствия с алгоритмом выполнения операции ДКОП, построен по принципу комбинационной логики, т.е. производит логическое преобразование информации в ИРК. ДКОП может быть разбит на 3 части:

- управление выполнением операций в ЦУУ,

- управление выполнением операций в арифметическом устройстве,

- управление вводом из УВВ, выводом в УВВ и выводом в ЦВМ рез.

Схема преобразования кода предназначена для трансформа­ции адресной части команды во вспомогательные управляющие сигналы (множимое) при выполнении операций над безадресным операндом. К таким операциям относятся сдвиги и битовые операции.

Распределительное устройство вырабатывает тактовые импульсы И0...И15 и предназначено для синхронизации работы функциональных узлов схемы.

Арифметическое устройство предназначено для обработки числовой информации в соответствии с алгоритмом выполнения операций. Кроме операций пересылок, не подвергающих информа­цию преобразованию, в арифметическом устройстве реализуются операции, над двумя операндами и операции над одним без­адресным операндом, преобразующие исходный числовой материал.

Так как в одноадресной ЦВУ в команде можно указать адрес только одного операнда, то для выполнения двух операндных операций в арифметическом устройстве необходимо иметь буферную память (РН, РА). Кроме того, в арифметическое устройство входят операционные устройства преобразования информации (ЧЗ, схема множимого S, D и т.д.) и необходимые устройства коммутации (Сб. ЗУ, Сб. "число в УВВ", Сб. " число в ОЗУ " и т.д.).

Алгоритмы выполнения операций выбраны таким образом, что в арифметическом устройстве преобразование подвергается информация, заданная в дополнительном коде.

Арифметическое устройство разделяется на:

- собственно арифметическое устройство, реализующее все арифметические, логические и битовые операции, кроме опера­ций умножения, деления, сдвигов;

- множительно-делительное устройство, реализующее операции умножения, деления и сдвига.

Собственно арифметическое устройство состоит из сле­дующих функциональных узлов:

- сборки чисел запоминающих устройств сб.ЗУ,

- сборки чисел в УВВ,

- сборки чисел в ОЗУ,

- схемы w (признак условного перехода),

- схемы j (признак переполнения разрядной сетки),

- сборки Ч1,

- сборки Ч2,

- сумматора арифметического устройства Ч3,

- регистра-накопителя РН.

Сборка чисел запоминающих устройств Сб. ЗУ предназна­чена для приема и коммутации исходной числовой информации из различных устройств ПЗУ, ОЗУ и ВЗУ.

Сб.ЗУ принимает операнд, адрес которого указан в адресной части команды. Управление Сб.ЗУ осуществляется центральный устройством управления.

Сборка чисел в УВВ предназначена для выдачи информации в УВВ в соответствии с алгоритмом выполнения операций вывода.

Сборка чисел в ОЗУ предназначена для выдачи информации в ОЗУ из регистров ЦУУ, СКП и ИР, регистров арифметического устройства РН и РА, регистров устройства ввода- вывода, схемы j и ЦВМ рез. в соответствии с алгоритмом выполнения операций запоминания.

Схема w предназначена для формирования признака условного перехода в соответствии с законом, принятым в системе команд, или в соответствии с результатом выполнения битовых операций и операции БРП. Хранение признака w осуществляется в ИР.

Схема j предназначена для формирования и хранения признака переполнения разрядной сетки при выполнении ариф­метических операций. Это - комбинационная схема, реализую­щая алгоритм выработки признака j в зависимости от типа арифметической операции.

Запоминание признака jпроизводится в 12-ом разряде ячейки ОЗУ при выполнении операции.

Сборка Ч1 предназначена для формирования первого операнда при выполнении операций. Первый операнд поступает на Сб.Ч1 из устройств памяти через Сб.ЗУ или из УВВ.

Сборка Ч2 предназначена для формирования второго операнда при выполнении операций. Второй операнд поступает из внутренней памяти арифметического устройства (РН, РА).

Сумматор арифметического устройства (Ч3) предназначен для преобразования исходной числовой информация, поступаю­щей со сборок Ч1и Ч2в соответствии с алгоритмами опе­раций пересылок арифметических, логических и битовых. Результат операций, полученный на Ч3, запоминается в регист­рах РН и РА.

Регистр-накопитель РН представляет собой буферную память арифметического устройства и служит для хранения промежуточных результатов вычислений, как источник второго операнда.

Множительно-делительное устройство предназначено для выполнения операций умножения и сдвига и позволяет на этом оборудовании выполнять операцию деления без существенных затрат оборудования. Умножение осуществляется в параллельно-последовательном режиме, и время выполнения умножения равно времени выполнения обычных арифметических операций, что приводит к существенному увеличению производительности ЦВМ-Орбита 20. Операция сдвига производится как умноже­ние на фиксированное число, равное степени основания два.

Множительно-делительное устройство состоит из следующих узлов:

- регистра РА,

- схемы множимого,

- схемы передачи множимого на сумматоры,

- регистра сумматоров,

- сумматора множительно-делительного устройства,

- вычитателя множительно-делительного устройства D,

- схемы выработки разрядов частного.

Регистр РА предназначен для хранения множителя при выполнении операции умножения, исходной информации, при выполне­нии операций сдвига и формирования частного, при выполнении операции деления.

Для повышения точности операции умножения и во избе­жание потери разрядов при операциях сдвига младшие разряды результата выполнения этих операций помещаются в регистр РА.

Схема множимого предназначена для образования кодов, кратных одному (М), двум (2М) и трем множимым (3М).

Схема передачи множимого на сумматоры предназначена для коммутации информации со схемы множимого в зависимости от результата анализа пар разрядов множителя.

Регистр сумматоров предназначен для образования частных сумм и обеспечения их относительных сдвигов при выполнении операций умножения и сдвигов, а также для хранения частных остатков при выполнении операции деления.

Сумматор и вычитатель множительно-делительного устройства предназначены для образования частных остатков при выпол­нении операции деления.

Схема выработки разрядов частного является дополнитель­ным местным устройством управления при выполнении операции деления. Она обеспечивает формирование разрядов частного, и передачи остатка с сумматора иди вычитателя на регистр сумматоров.

При выполнении всех операций выборка команды и числа производится центральным устройством управления по одному контуру, а выполнение команды производится местным устройст­вом управления в центральном устройстве управления в случае управленческих команд или в арифметическом устройстве в случае выполнения операций над числами.