Устройство управления процессора: принципы работы и архитектура.

Введение

Компонент центрального процессора компьютера.

Блок управления (БУ) является компонентом центрального процессора (ЦПУ) компьютера, который управляет работой процессора. БУ обычно использует двоичный декодер для преобразования закодированных инструкций в сигналы синхронизации и управления, направляющие работу других устройств (памяти, арифметико-логического устройства и устройств ввода-вывода и т.д.). Большинство компьютерных ресурсов находится под управлением БУ. Он управляет потоком данных между ЦПУ и другими устройствами. Джон фон Нейман включил блок управления в архитектуру фон Неймана. В современных компьютерных конструкциях блок управления обычно является внутренней частью ЦПУ, при этом его общая роль и принцип работы остались неизменными с момента его появления.

Многоциклические блоки управления

Самые простые компьютеры используют микроархитектуру с многоцикловым режимом работы. Это были самые ранние разработки. Они до сих пор популярны в самых маленьких компьютерах, таких как встраиваемые системы, управляющие оборудованием. В компьютере блок управления часто последовательно выполняет цикл инструкций. Этот цикл состоит из выборки инструкции, выборки операндов, декодирования инструкции, выполнения инструкции и последующей записи результатов обратно в память. Когда следующая инструкция помещается в блок управления, она изменяет его поведение для корректного завершения текущей инструкции. Таким образом, биты инструкции напрямую управляют блоком управления, который, в свою очередь, управляет компьютером. Блок управления может включать в себя двоичный счетчик, указывающий логике блока управления, какой шаг необходимо выполнить. Блоки управления с многоцикловым режимом работы обычно используют как положительный, так и отрицательный фронты тактового сигнала прямоугольной формы. Они выполняют один шаг операции на каждом фронте тактового сигнала, так что операция, состоящая из четырех шагов, завершается за два тактовых цикла. Это удваивает скорость работы компьютера при использовании той же логической элементной базы. Многие компьютеры имеют два типа нештатных событий. Прерывание возникает, когда для корректной работы какому-либо типу ввода или вывода требуется внимание программного обеспечения. Исключение вызывается операцией компьютера. Важное отличие заключается в том, что время возникновения прерывания нельзя предсказать. Другое отличие состоит в том, что некоторые исключения (например, исключение "память недоступна") могут быть вызваны инструкцией, которую необходимо перезапустить. Блоки управления могут быть спроектированы для обработки прерываний одним из двух типичных способов. Если важен быстрый отклик, блок управления предназначен для прекращения текущей работы и обработки прерывания. В этом случае текущая работа будет возобновлена после завершения последней выполненной инструкции. Если компьютер должен быть очень дешевым, очень простым, очень надежным или выполнять больший объем работы, блок управления завершит текущую работу перед обработкой прерывания. Завершение текущей работы не требует дополнительных затрат, поскольку не требуется регистр для записи последней завершенной инструкции. Это просто и надежно, поскольку имеет минимальное количество состояний и приводит к наименьшим потерям выполненной работы. В очень простых компьютерах исключения могут обрабатываться как прерывания. Если требуется виртуальная память, исключение "память недоступна" должно повторить выполнение неудачной инструкции. Для компьютеров с многоцикловым режимом работы обычно требуется больше циклов. Иногда выполнение условного перехода занимает больше времени, поскольку счетчик программы необходимо перезагрузить. Иногда операции умножения или деления выполняются посредством процесса, аналогичного длинному двоичному умножению и делению. Очень маленькие компьютеры могут выполнять арифметические операции над одним или несколькими битами за раз. Некоторые другие компьютеры имеют очень сложные инструкции, требующие множества шагов.

The simplest computers use a Multi Cycle Micro Architecture. These were the earliest designs. They are still popular in the very smallest computers, such as the embedded systems that operate machinery. In a computer, the control unit often steps through the instruction cycle successively. This consists of fetching the instruction, fetching the operands, decoding the instruction, executing the instruction, and then writing the results back to memory. When the next instruction is placed in the control unit, it changes the behavior of the control unit to complete the instruction correctly. So, the bits of the instruction directly control the control unit, which in turn controls the computer. The control unit may include a binary counter to tell the control unit's logic what step it should do. Multicycle control units typically use both the rising and falling edges of their square wave timing clock. They operate a step of their operation on each edge of the timing clock, so that a four step operation completes in two clock cycles. This doubles the speed of the computer, given the same logic family. Many computers have two different types of unexpected events. An interrupt occurs because some type of input or output needs software attention in order to operate correctly. An exception is caused by the computer's operation. One crucial difference is that the timing of an interrupt cannot be predicted. Another is that some exceptions (e. g. a memory not available exception) can be caused by an instruction that needs to be restarted. Control units can be designed to handle interrupts in one of two typical ways. If a quick response is most important, a control unit is designed to abandon work to handle the interrupt. In this case, the work in process will be restarted after the last completed instruction. If the computer is to be very inexpensive, very simple, very reliable, or to get more work done, the control unit will finish the work in process before handling the interrupt. Finishing the work is inexpensive, because it needs no register to record the last finished instruction. It is simple and reliable because it has the fewest states. It also wastes the least amount of work. Exceptions can be made to operate like interrupts in very simple computers. If virtual memory is required, then a memory not available exception must retry the failing instruction. It is common for multicycle computers to use more cycles. Sometimes it takes longer to take a conditional jump, because the program counter has to be reloaded. Sometimes they do multiplication or division instructions by a process, something like binary long multiplication and division. Very small computers might do arithmetic, one or a few bits at a time. Some other computers have very complex instructions that take many steps.

Контрольные устройства с трубопроводом

Многие компьютеры средней сложности используют конвейерную обработку инструкций. Этот подход популярен благодаря своей экономичности и скорости. В конвейерном компьютере инструкции последовательно проходят через различные этапы обработки. Этот проект состоит из нескольких стадий. Например, может быть выделена отдельная стадия для каждого шага цикла фон Неймана. Конвейерный компьютер обычно имеет "регистры конвейера" после каждой стадии. Они хранят результаты, вычисленные на данной стадии, чтобы логические элементы следующей стадии могли использовать их для выполнения следующего шага. Часто четные стадии работают по одному фронту тактового сигнала, а нечетные – по другому. Это позволяет увеличить скорость работы компьютера в два раза по сравнению с однофронтными схемами. В конвейерном компьютере блок управления обеспечивает начало, продолжение и остановку потока инструкций в соответствии с командами программы. Данные инструкций обычно передаются из регистра в регистр между стадиями, при этом для каждой стадии предусмотрена отдельная логика управления. Блок управления также гарантирует, что выполнение инструкции на одной стадии не повлияет на работу инструкций на других стадиях. Например, если двум стадиям требуется использовать одни и те же данные, логика управления обеспечивает их использование в правильной последовательности. При эффективной работе в конвейере на каждой стадии находится одна инструкция. Таким образом, компьютер одновременно работает над всеми этими инструкциями. Он может завершить примерно одну инструкцию за каждый такт тактового генератора. Когда программа принимает решение и переходит к другой последовательности инструкций, конвейеру иногда приходится отбрасывать находящиеся в обработке данные и перезапускаться. Это называется "остановкой" (stall). Если две инструкции могут вызвать конфликт, блок управления иногда должен приостановить обработку последующей инструкции до завершения более ранней. Это называется "пузырем конвейера" (pipeline bubble), поскольку часть конвейера простаивает. Пузыри конвейера могут возникать, когда две инструкции обращаются к одному и тому же регистру. Прерывания и неожиданные исключения также приводят к остановке конвейера. Если конвейерный компьютер прерывает работу для обработки прерывания, теряется больше данных, чем в многотактном компьютере. Предсказуемые исключения не требуют остановки. Например, если инструкция исключения используется для входа в операционную систему, она не вызывает остановки. При одинаковой скорости работы электронных схем конвейерный компьютер может выполнять больше инструкций в секунду, чем многотактный компьютер. Кроме того, хотя электронные схемы имеют фиксированную максимальную скорость, конвейерный компьютер можно сделать быстрее или медленнее, изменяя количество стадий в конвейере. Чем больше стадий, тем меньше работы выполняет каждая стадия, и, следовательно, меньше задержек возникает из-за логических элементов. Конвейерная модель компьютера часто имеет меньше логических элементов на инструкцию в секунду, чем многотактные и внеочередные компьютеры. Это связано с тем, что средняя стадия менее сложна, чем в многотактном компьютере. Внеочередной компьютер обычно имеет большое количество неиспользуемой логики в любой момент времени. Схожие расчеты обычно показывают, что конвейерный компьютер потребляет меньше энергии на инструкцию. Однако конвейерный компьютер обычно сложнее и дороже, чем сопоставимый многотактный компьютер. Как правило, он имеет больше логических элементов, регистров и более сложный блок управления. Аналогичным образом, он может потреблять больше общей энергии, при этом потребляя меньше энергии на инструкцию. Внеочередные процессоры обычно могут выполнять больше инструкций в секунду, поскольку они могут выполнять несколько инструкций одновременно.

Many medium complexity computers pipeline instructions. This design is popular because of its economy and speed. In a pipelined computer, instructions flow through the computer. This design has several stages. For example, it might have one stage for each step of the Von Neumann cycle. A pipelined computer usually has "pipeline registers" after each stage. These store the bits calculated by a stage so that the logic gates of the next stage can use the bits to do the next step. It is common for even numbered stages to operate on one edge of the square wave clock, while odd numbered stages operate on the other edge. This speeds the computer by a factor of two compared to single edge designs. In a pipelined computer, the control unit arranges for the flow to start, continue, and stop as a program commands. The instruction data is usually passed in pipeline registers from one stage to the next, with a somewhat separated piece of control logic for each stage. The control unit also assures that the instruction in each stage does not harm the operation of instructions in other stages. For example, if two stages must use the same piece of data, the control logic assures that the uses are done in the correct sequence. When operating efficiently, a pipelined computer will have an instruction in each stage. It is then working on all of those instructions at the same time. It can finish about one instruction for each cycle of its clock. When a program makes a decision, and switches to a different sequence of instructions, the pipeline sometimes must discard the data in process and restart. This is called a "stall." When two instructions could interfere, sometimes the control unit must stop processing a later instruction until an earlier instruction completes. This is called a "pipeline bubble" because a part of the pipeline is not processing instructions. Pipeline bubbles can occur when two instructions operate on the same register. Interrupts and unexpected exceptions also stall the pipeline. If a pipelined computer abandons work for an interrupt, more work is lost than in a multicycle computer. Predictable exceptions do not need to stall. For example, if an exception instruction is used to enter the operating system, it does not cause a stall. For the same speed of electronic logic, a pipelined computer can execute more instructions per second than a multicycle computer. Also, even though the electronic logic has a fixed maximum speed, a pipelined computer can be made faster or slower by varying the number of stages in the pipeline. With more stages, each stage does less work, and so the stage has fewer delays from the logic gates. A pipelined model of a computer often has less logic gates per instruction per second than multicycle and out of order computers. This is because the average stage is less complex than a multicycle computer. An out of order computer usually has large amounts of idle logic at any given instant. Similar calculations usually show that a pipelined computer uses less energy per instruction. However, a pipelined computer is usually more complex and more costly than a comparable multicycle computer. It typically has more logic gates, registers and a more complex control unit. In a like way, it might use more total energy, while using less energy per instruction. Out of order CPUs can usually do more instructions per second because they can do several instructions at once.

Предотвращение застоя

Контрольные устройства используют множество методов для поддержания заполненности конвейера и предотвращения остановок. Например, даже простые устройства управления могут предполагать, что обратный переход к инструкции с меньшим номером, расположенной ранее, является циклом и будет повторяться. Таким образом, устройство управления с такой конструкцией всегда будет заполнять конвейер по пути обратного перехода. Если компилятор может определить наиболее часто выполняемое направление ветвления, он может генерировать инструкции таким образом, чтобы наиболее часто выполняемое ветвление было предпочтительным направлением. Аналогичным образом, устройство управления может получать подсказки от компилятора: некоторые компьютеры имеют инструкции, которые могут кодировать подсказки компилятора о направлении ветвления. Некоторые устройства управления выполняют предсказание ветвлений: устройство управления ведет электронный список последних ветвлений, закодированный адресом инструкции ветвления, который определяет, когда инструкцию можно выдать. "Высота" массива – это количество исполнительных устройств, а "длина" и "ширина" – количество источников операндов. Когда все сигналы сходятся, сигналы от операндов и исполнительного устройства пересекаются. Логика в точке пересечения определяет, что инструкция может быть выполнена, поэтому инструкция "выдается" свободному исполнительному устройству. Альтернативный подход к выдаче инструкций реализует алгоритм Томасуло, который переупорядочивает аппаратную очередь инструкций. В определенном смысле, оба подхода используют очередь. Таблица состояний – это альтернативный способ кодирования и переупорядочивания очереди инструкций, и некоторые разработчики называют ее таблицей очереди. С добавлением дополнительной логики, таблица состояний может компактно объединить переупорядочение выполнения, переименование регистров, а также точную обработку исключений и прерываний. Более того, она может делать это без энергоемкой и сложной ассоциативной памяти, используемой алгоритмом Томасуло.

Переводные блоки управления

Некоторые компьютеры преобразуют каждую отдельную инструкцию в последовательность более простых инструкций. Преимущество заключается в том, что внеочередной процессор может быть проще по основной логике, при этом обрабатывая сложные многошаговые инструкции. Процессоры Intel x86, начиная с Pentium Pro, преобразуют сложные CISC-инструкции x86 в более похожие на RISC внутренние микрооперации. В них "фронтенд" блока управления осуществляет преобразование инструкций. Операнды не преобразуются. "Бэкенд" блока управления представляет собой внеочередной процессор, который выдает микрооперации и операнды в исполнительные устройства и пути передачи данных.

Контрольные устройства для маломощных компьютеров

Многие современные компьютеры оснащены средствами управления, минимизирующими энергопотребление. В компьютерах, работающих от батарей, таких как мобильные телефоны, это обеспечивает более длительное время работы. В компьютерах, подключенных к сети, это оправдано снижением затрат на электроэнергию, охлаждение или уровень шума. Большинство современных компьютеров используют КМОП-логику. КМОП расходует энергию двумя основными способами: путем изменения состояния, то есть "активной мощности", и за счет нежелательной утечки. Активную мощность компьютера можно снизить, отключая управляющие сигналы. Утечку тока можно уменьшить, снижая электрическое напряжение, создавая транзисторы с более широкими обедненными областями или полностью отключая логику. Снизить активную мощность проще, поскольку на хранящиеся в логике данные это не влияет. Обычно для этого снижают тактовую частоту процессора. Большинство компьютерных систем используют этот метод. Часто процессор переходит в режим простоя во время изменения тактовой частоты, чтобы избежать побочных эффектов. Большинство компьютеров также имеют инструкцию "остановки". Она была разработана для остановки кода, не обрабатывающего прерывания, чтобы код, обрабатывающий прерывания, имел надежную синхронизацию. Однако разработчики вскоре заметили, что инструкция "остановки" также является подходящим моментом для полного отключения тактовой частоты процессора, снижая его активную мощность до нуля. Контроллеру прерываний может по-прежнему требоваться тактовая частота, но обычно она потребляет гораздо меньше энергии, чем процессор. Эти методы относительно просты в реализации и стали настолько распространенными, что для получения коммерческой выгоды были разработаны другие. Многие современные маломощные КМОП-процессоры останавливают и запускают специализированные вычислительные блоки и шинные интерфейсы в зависимости от выполняемой инструкции. Некоторые компьютеры даже организуют микроархитектуру процессора с использованием мультиплексоров с передачей, чтобы каждая инструкция использовала только необходимые части логики. Распространенный метод заключается в распределении нагрузки между несколькими процессорами и отключении неиспользуемых процессоров по мере уменьшения нагрузки. Логика переключения задач операционной системы сохраняет данные процессоров в памяти. В некоторых случаях один из процессоров может быть проще и меньше, буквально с меньшим количеством логических элементов. Следовательно, он имеет низкую утечку и отключается последним и включается первым. Кроме того, он является единственным процессором, которому требуются специальные функции энергосбережения. Аналогичный метод используется в большинстве персональных компьютеров, которые обычно имеют вспомогательный встроенный процессор, управляющий системой питания. Однако в персональных компьютерах программное обеспечение обычно находится в BIOS, а не в операционной системе. Теоретически, компьютеры с более низкой тактовой частотой также могут снизить утечку, уменьшив напряжение питания. Это влияет на надежность компьютера различными способами, поэтому разработка обходится дорого и встречается нечасто, за исключением относительно дорогих компьютеров, таких как персональные компьютеры или мобильные телефоны. Некоторые конструкции могут использовать транзисторы с очень низкой утечкой, но это обычно увеличивает стоимость. Можно увеличить барьеры обеднения транзисторов, чтобы уменьшить утечку, но это увеличивает размер транзистора, что делает его медленнее и дороже. Некоторые производители используют эту технику в отдельных частях интегральной схемы, создавая логику с низкой утечкой из больших транзисторов, которые некоторые технологические процессы предоставляют для аналоговых схем. Некоторые технологические процессы размещают транзисторы над поверхностью кремния, в "FinFET", но эти процессы включают больше этапов и, следовательно, дороже. Специальные материалы легирования транзисторов (например, гафний) также могут уменьшить утечку, но это добавляет этапы к производству, что делает его более дорогим. Некоторые полупроводники имеют более широкую запрещенную зону, чем кремний. Однако в настоящее время (2020 год) эти материалы и процессы дороже кремния. Управление утечкой более сложно, поскольку перед отключением логики данные в ней необходимо переместить в хранилище с низкой утечкой. Некоторые процессоры используют специальный тип триггера (для хранения бита), который объединяет быстрое хранилище с высокой утечкой с медленным, большим (дорогим) хранилищем с низкой утечкой. Эти две ячейки имеют отдельные источники питания. Когда процессор переходит в режим энергосбережения (например, из-за остановки, ожидающей прерывания), данные передаются в ячейки с низкой утечкой, а остальные отключаются. Когда процессор выходит из режима низкой утечки (например, из-за прерывания), процесс обращается. В более старых конструкциях состояние процессора копировалось в память или даже на диск, иногда с использованием специализированного программного обеспечения. Очень простые встраиваемые системы иногда просто перезапускаются.

Many modern computers have controls that minimize power usage. In battery powered computers, such as those in cell phones, the advantage is longer battery life. In computers with utility power, the justification is to reduce the cost of power, cooling or noise. Most modern computers use CMOS logic. CMOS wastes power in two common ways: By changing state, i. e. "active power," and by unintended leakage. The active power of a computer can be reduced by turning off control signals. Leakage current can be reduced by reducing the electrical pressure, the voltage, making the transistors with larger depletion regions or turning off the logic completely. Active power is easier to reduce because data stored in the logic is not affected. The usual method reduces the CPU's clock rate. Most computer systems use this method. It is common for a CPU to idle during the transition to avoid side effects from the changing clock. Most computers also have a "halt" instruction. This was invented to stop non interrupt code so that interrupt code has reliable timing. However, designers soon noticed that a halt instruction was also a good time to turn off a CPU's clock completely, reducing the CPU's active power to zero. The interrupt controller might continue to need a clock, but that usually uses much less power than the CPU. These methods are relatively easy to design, and became so common that others were invented for commercial advantage. Many modern low power CMOS CPUs stop and start specialized execution units and bus interfaces depending on the needed instruction. Some computers even arrange the CPU's microarchitecture to use transfer triggered multiplexers so that each instruction only utilises the exact pieces of logic needed. One common method is to spread the load to many CPUs, and turn off unused CPUs as the load reduces. The operating system's task switching logic saves the CPUs' data to memory. In some cases, one of the CPUs can be simpler and smaller, literally with fewer logic gates. So, it has low leakage, and it is the last to be turned off, and the first to be turned on. Also it then is the only CPU that requires special low power features. A similar method is used in most PCs, which usually have an auxiliary embedded CPU that manages the power system. However, in PCs, the software is usually in the BIOS, not the operating system. Theoretically, computers at lower clock speeds could also reduce leakage by reducing the voltage of the power supply. This affects the reliability of the computer in many ways, so the engineering is expensive, and it is uncommon except in relatively expensive computers such as PCs or cellphones. Some designs can use very low leakage transistors, but these usually add cost. The depletion barriers of the transistors can be made larger to have less leakage, but this makes the transistor larger and thus both slower and more expensive. Some vendors use this technique in selected portions of an IC by constructing low leakage logic from large transistors that some processes provide for analog circuits. Some processes place the transistors above the surface of the silicon, in "fin fets", but these processes have more steps, so are more expensive. Special transistor doping materials (e. g. hafnium) can also reduce leakage, but this adds steps to the processing, making it more expensive. Some semiconductors have a larger band gap than silicon. However, these materials and processes are currently (2020) more expensive than silicon. Managing leakage is more difficult, because before the logic can be turned off, the data in it must be moved to some type of low leakage storage. Some CPUs make use of a special type of flip flop (to store a bit) that couples a fast, high leakage storage cell to a slow, large (expensive) low leakage cell. These two cells have separated power supplies. When the CPU enters a power saving mode (e. g. because of a halt that waits for an interrupt), data is transferred to the low leakage cells, and the others are turned off. When the CPU leaves a low leakage mode (e. g. because of an interrupt), the process is reversed. Older designs would copy the CPU state to memory, or even disk, sometimes with specialized software. Very simple embedded systems sometimes just restart.

Интеграция с компьютером

Все современные процессоры имеют логику управления для подключения процессора к остальной части компьютера. В современных компьютерах это обычно контроллер шины. Когда инструкция читает или записывает в память, блок управления либо напрямую управляет шиной, либо управляет через контроллер шины. Многие современные компьютеры используют один и тот же интерфейс шины для памяти, ввода и вывода. Это называется "ввода-вывода с отображением в память". Для программиста регистры устройств ввода-вывода представляются как числовые значения по определенным адресам памяти. ПК на базе x86 используют более старый метод – отдельную шину ввода-вывода, к которой осуществляется доступ с помощью инструкций ввода-вывода. Современный процессор, как правило, также включает в себя контроллер прерываний. Он обрабатывает сигналы прерываний, поступающие с системной шины. Блок управления – это часть компьютера, которая реагирует на прерывания. Часто присутствует контроллер кэша для кэширования памяти. Контроллер кэша и связанная с ним кэш-память часто являются самой большой физической частью современного высокопроизводительного процессора. Когда память, шина или кэш совместно используются с другими процессорами, логика управления должна взаимодействовать с ними, чтобы гарантировать, что ни один процессор не будет использовать устаревшие данные. Многие старые компьютеры интегрировали определенные типы ввода-вывода непосредственно в блок управления. Например, многие старые компьютеры имели переднюю панель с переключателями и индикаторами, которые напрямую управлялись блоком управления. Это позволяло программисту напрямую вводить программу и отлаживать ее. В более поздних серийных компьютерах наиболее распространенным применением передней панели был ввод небольшой загрузочной программы для чтения операционной системы с диска. Это было неудобно. Поэтому передние панели были заменены загрузочными программами, хранящимися в постоянной памяти. Большинство моделей PDP 8 имели шину данных, предназначенную для того, чтобы устройства ввода-вывода могли использовать логику чтения и записи памяти блока управления. Это снижало сложность и стоимость высокоскоростных контроллеров ввода-вывода, например, для дисков. Xerox Alto имел многозадачный микропрограммируемый блок управления, который выполнял почти весь ввод-вывод. Эта конструкция обеспечивала большинство функций современного ПК, используя лишь небольшую часть электронной логики. Двухпоточный компьютер управлялся двумя микропотоками с наименьшим приоритетом. Они выполняли вычисления, когда ввод-вывод не требовался. Микропотоки с более высоким приоритетом обеспечивали (в порядке убывания приоритета) видео, сеть, дисковый накопитель, периодический таймер, мышь и клавиатуру. Микропрограмма выполняла сложную логику устройства ввода-вывода, а также логику интеграции устройства с компьютером. Для фактического аппаратного ввода-вывода микропрограмма читала и записывала сдвиговые регистры для большинства операций ввода-вывода, иногда с использованием резисторных сетей и транзисторов для изменения уровней выходного напряжения (например, для видео). Для обработки внешних событий микроконтроллер использовал микропрерывания для переключения потоков в конце цикла потока, например, в конце инструкции или после доступа к сдвиговому регистру. Микропрограмму можно было переписывать и переустанавливать, что было очень полезно для исследовательского компьютера.

All modern CPUs have control logic to attach the CPU to the rest of the computer. In modern computers, this is usually a bus controller. When an instruction reads or writes memory, the control unit either controls the bus directly, or controls a bus controller. Many modern computers use the same bus interface for memory, input and output. This is called "memory mapped I/O". To a programmer, the registers of the I/O devices appear as numbers at specific memory addresses. x86 PCs use an older method, a separate I/O bus accessed by I/O instructions. A modern CPU also tends to include an interrupt controller. It handles interrupt signals from the system bus. The control unit is the part of the computer that responds to the interrupts. There is often a cache controller to cache memory. The cache controller and the associated cache memory is often the largest physical part of a modern, higher performance CPU. When the memory, bus or cache is shared with other CPUs, the control logic must communicate with them to assure that no computer ever gets out of date old data. Many historic computers built some type of input and output directly into the control unit. For example, many historic computers had a front panel with switches and lights directly controlled by the control unit. These let a programmer directly enter a program and debug it. In later production computers, the most common use of a front panel was to enter a small bootstrap program to read the operating system from disk. This was annoying. So, front panels were replaced by bootstrap programs in read only memory. Most PDP 8 models had a data bus designed to let I/O devices borrow the control unit's memory read and write logic. This reduced the complexity and expense of high speed I/O controllers, e. g. for disk. The Xerox Alto had a multitasking microprogrammable control unit that performed almost all I/O. This design provided most of the features of a modern PC with only a tiny fraction of the electronic logic. The dual thread computer was run by the two lowest priority microthreads. These performed calculations whenever I/O was not required. High priority microthreads provided (in decreasing priority) video, network, disk, a periodic timer, mouse, and keyboard. The microprogram did the complex logic of the I/O device, as well as the logic to integrate the device with the computer. For the actual hardware I/O, the microprogram read and wrote shift registers for most I/O, sometimes with resistor networks and transistors to shift output voltage levels (e. g. for video). To handle outside events, the microcontroller had microinterrupts to switch threads at the end of a thread's cycle, e. g. at the end of an instruction, or after a shift register was accessed. The microprogram could be rewritten and reinstalled, which was very useful for a research computer.

Функции блока управления

Таким образом, программа инструкций, хранящаяся в памяти, заставляет устройство управления (CU) конфигурировать потоки данных центрального процессора (CPU) для корректной обработки данных между инструкциями. Это позволяет компьютеру выполнять полноценную программу, не требуя вмешательства человека для изменения аппаратной конфигурации между инструкциями (что необходимо было при использовании только перфокарт для вычислений до изобретения компьютеров с хранимой программой и CU).

Устройство управления

Проводные блоки управления реализуются с использованием комбинационных логических схем, содержащих конечное число логических элементов, способных генерировать определенные результаты на основе инструкций, вызвавших эти реакции. Проводные блоки управления, как правило, быстрее, чем микропрограммные реализации. Эта конструкция использует фиксированную архитектуру, требующую изменения соединений при изменении или модификации набора инструкций. Она может быть удобна для простых и быстрых компьютеров. Контроллер, использующий такой подход, может работать на высокой скорости, однако обладает ограниченной гибкостью. Сложный набор инструкций может оказаться непосильным для разработчика, использующего логическое проектирование "на коленке". С развитием вычислительной техники проводной подход стал менее распространенным. Ранее в блоках управления ЦП использовалась логика, разработанная без четкого плана, и их проектирование было сложным.

Контрольная микропрограмма

Идея микропрограммирования была предложена Морисом Уилксом в 1951 году как промежуточный уровень для исполнения инструкций компьютерных программ. Микропрограммы организованы в виде последовательности микроинструкций и хранятся в специальной памяти управления. Алгоритм для блока управления микропрограммами, в отличие от аппаратного блока управления, обычно задается описанием в виде блок-схемы. Главное преимущество блока управления с микропрограммированием – простота его структуры. Выходы контроллера формируются микроинструкциями. Микропрограмму можно отлаживать и заменять подобно программному обеспечению.

Комбинированные методы проектирования

Популярным вариантом использования микрокода является отладка микрокода с помощью программного эмулятора. В этом случае микрокод представляет собой таблицу битов – логическую таблицу истинности, преобразующую адрес микрокода в сигналы управления. Эту таблицу истинности можно передать компьютерной программе, которая генерирует оптимизированную электронную схему. Полученный блок управления почти так же прост в проектировании, как и при микропрограммировании, но при этом обладает высокой скоростью и малым количеством логических элементов, характерными для аппаратно реализованного блока управления. Практическая реализация напоминает машину Мили или контроллер Ричардса.