Материал: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков

Назначение, классификация и организация ЦУУ

Центральное устройство управления (ЦУУ) – это комплекс средств автоматического управления процессом передачи и обработки информации. ЦУУ вырабатывает управляющие сигналы (УС), необхо- димые для выполнения всех операций, предусмотренных системой ко- манд, а также координирует работу всех узлов и блоков ЭВМ. В связи с этим можно считать ЦУУ преобразователем первичной командной информации, представленной программой решения задачи, во вторич- ную командную информацию, представляемую управляющими сигна- лами.

В общем случае ЦУУ формирует управляющие сигналы для реали- зации следующих функций:

• 
  выборки из памяти кода очередной команды;
  
• 
  расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
  
• 
  выборки операндов и выполнения машинной операции;
  
• 
  обеспечения прерываний при выполнении команд;
  
• 
  формирования адреса следующей команды;
  
• 
  учета состояний других устройств машины;
  
• 
  инициализации работы контроллеров (каналов) ввода/вывода;
  
• 
  организации контроля работоспособности ЭВМ.
  

По общей организации управление может быть центральным, распределенным и смешанным. В первом случае в блоке управления

ЦУУ вырабатываются все УС для всех команд, выполняемых процессо- ром ЭВМ. Во втором случае операционные и другие устройства процес- сора имеют собственные блоки местного управления. В последнем слу- чае ЦУУ вырабатывает сигналы для запуска в работу блоков местного управления.

По способу синхронизации работы различают ЦУУ:

• 
  синхронного типа, в которых время цикла может быть постоянным или переменным;
  
• 
  асинхронного типа, в которых продолжительность цикла определя- ется фактическими затратами времени на выполнение каждой операции, в этом случае необходимо вырабатывать сигналы об окончании операции;
  
• 
  смешанного типа, где частично реализуются оба предыдущих принципа организации циклов.
  

По принципу формирования и развертывания временной по- следовательности УС различают ЦУУ:

• 
  аппаратного (схемного) типа;
  
• 
  микропрограммного типа.
  

Центральное устройство управления микропрограммного типа

Микропрограммный принцип управления обеспечивает реализа- цию одной сложной машинной команды путем выполнения определен- ной микропрограммы, интерпретирующей алгоритм выполнения данной операции. Совокупность микропрограмм, необходимая для реализации сложных команд ЭВМ, хранится в специальной памяти микропрограмм. Каждая микропрограмма состоит из определенной последовательности микрокоманд, которые после выборки из памяти преобразуются в набор управляющих сигналов (технология Micro-ops fusion от Intel).

Анализ аппаратурной (схемной) и микропрограммной реализации устройства управления указывает на зависимость стоимости управления от сложности выполняемых команд. Для простых команд выгодно ис- пользовать схемное управление, а для сложных команд – микропро- граммное. Однако последнее приводит к увеличению затрат времени на выработку управляющих воздействий. Основным же преимуществом микропрограммного управления является его гибкость, которая позво- ляет повышать эффективность серийно выпускаемых и эксплуатируе- мых машин за счет введения новых средств математического обеспече- ния, использующих дополнительный набор команд и новые функции процессора. Модернизация алгоритмов или реализация дополнительных команд легко осуществляется путем изменения содержимого микропро- граммной памяти.

3. Регистровые структуры центрального процессора

1. Регистровые структуры процессоров IA-32

В процессорах IA-32 можно выделить следующие

группы регистров:

1. Основные функциональные регистры:

• 
  регистры общего назначения (GPR);
  
• 
  указатель команд;
  
• 
  регистр флагов;
  
• 
  регистры сегментов.
  

Регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой (FPU):

• 
  регистры данных;
  
• 
  регистр тегов;
  
• 
  регистр состояния;
  
• 
  регистр указателей команд и данных FPU;
  
• 
  регистр управления FPU.
  

Векторные регистры расширений SSE.

Системные регистры:

• 
  регистры управления микропроцессора;
  
• 
  регистры системных адресов.
  

Регистры отладки и тестирования.

Регистры первых трех групп используются при выполнении при- кладных программ, четвертой группы – системных операций, пятой – при отладке и тестировании.

Регистры общего назначения

Восемь 32-разрядных регистров (EAX, ECX, EDX, EBS, EBP, ESP, ESI, EDI) предназначены для хранения данных и адресов. Они поддер- живают работу с данными разрядностью 1, 8, 16 и 32 бита, битовыми полями длиной от 1 до 32 бит и адресами размером 16 и 32 бита. Млад- шие 16 разрядов этих регистров (рис.3.2) доступны отдельно при ис- пользовании соответствующего имени, например регистр ЕАХ (имя АХ для 16 разрядов).

При операциях с байтами можно отдельно обращаться к младшему байту (разряды 0–7) и старшему байту (8–15) по именам AL и AH. До- ступ к отдельным байтам обеспечивает дополнительную гибкость при операциях с данными.

АН

АL

31 16 15 A X 0

ЕАХ
Рис. 3.2. Структура регистра общего назначения ЕАХ

Регистры сегментов и дескрипторы сегментов

Шесть 16-разрядных сегментных регистров (CS, SS, DS, ES, FS, GS) содержат значения селекторов сегментов, указывающих на текущие ад- ресуемые сегменты памяти. С каждым из них связан программно- недоступный регистр дескриптора сегмента (рис. 3.3).

В защищенном режиме каждый сегмент может иметь размер от 1 байта до 4 Гбайт, в режиме реальных адресов максимальный размер сегмента составляет 64 Кбайта.

Селектор в CS обеспечивает обращение к текущему сегменту ко- манд, селектор в SS – к текущему сегменту стека, селекторы в DS, ES,

FS, GS – к текущим сегментам данных. Каждый регистр дескриптора содержит базовый адрес сегмента, 32-разрядный размер сегмента и дру- гие необходимые атрибуты.

Селектор

Селектор

Селектор

Селектор

Селектор

Селектор

Базовый адрес	Размер сегмента	Другие атрибуты