Реклама:

В принципе, мы могли бы описать работу управляющей памяти с помощью двоичной системы счисления, по 36 бит в слове. Но гораздо удобнее ввести систему обозначений, с помощью которой можно передать суть рассматриваемых вопросов, и при этом не вдаваться в ненужные подробности. Важно понимать, что язык, который мы выбираем, призван проиллюстрировать основные принципы работы программы, а вовсе не предназначен для использования в новых проектах. Если бы нашей целью было практическое применение языка, мы бы ввели совсем другую запись, чтобы максимально повысить гибкость программы. При этом была бы очень важна проблема выбора адресов, поскольку адреса в памяти неупорядочены. То, насколько эффективно будут выбраны адреса, определяется способностями разработчика. Поэтому мы введем простой символический язык, который полностью описывает каждую операцию, но без полного определения всех необходимых адресов.

Наша система обозначений показывает все действия, которые происходят на одной линии за один цикл. Теоретически для описания этих операций мы могли бы использовать язык высокого уровня, однако такой язык не позволяет разработчику получить полный контроль над циклами. Благодаря такому контролю можно проанализировать каждый цикл, разобраться во всех операциях и проверить их. Если целью разработки является повышение скорости и производительности, важен каждый цикл. При практической реализации для экономии циклов может использоваться множество различных приемов. В подобной экономии есть большая выгода: если команду из четырех циклов сократить на 2 цикла, она будет выполняться в два раза быстрее, причем это повышение скорости будет достигаться при каждом обращении к этой команде.

Один из возможных подходов - просто выдать список сигналов, которые должны активизироваться в каждом цикле. Предположим, что в одном цикле мы хотим увеличить значение SP на единицу. Еще мы хотим инициировать операцию чтения, причем так, чтобы следующая команда находилась в ячейке 122 управляющей памяти. Тогда мы могли бы написать

ReadRegister=SP. ALU=INC. WSP, Read, NEXT_ADDRESS=122

Здесь WSP значит "записать регистр SP". Эта запись полная, но она сложна для понимания. Вместо этого мы объединим указанные операции и передадим в записи результат действий:

SP = SP + 1; rd

Назовем наш микроассемблер высокого уровня MAL (Micro Assembly Language - микроассемблер). По-французски "mal" означает "болезнь" - это то, что с вами случится, если вы будете писать слишком большие программы на этом языке. Язык MAL придуман исключительно для того, чтобы продемонстрировать основные характеристики микроархитектуры. Во время каждого цикла могут записываться любые регистры, но обычно записывается только один. Значение только одного регистра может передаваться на шину Вив АЛУ. На шине А может быть +1, 0, -1 и регистр Н. Следовательно, для обозначения определенной операции мы можем использовать простой оператор присваивания, как в языке Java. Например, чтобы копировать регистр SP в регистр MDR, мы можем написать

MDR = SP

Чтобы показать, что мы используем какую-либо функцию АЛУ, мы можем написать, например, так:

MDR = Н + SP

Эта строка означает, что значение регистра Н складывается со значением регистра SP и результат записывается в регистр MDR. Операция сложения коммутативна (это значит, что порядок операндов не имеет значения), поэтому данное выше выражение можно записать в виде

MDR = SP + Н

При этом порождается та же 36-разрядная микрокоманда, хотя, строго говоря, Н является левым операндом АЛУ.

Мы должны использовать только допустимые операции; они перечислены ниже (любую из перечисленных операций можно расширить, добавив символы " 8, что означает сдвиг результата влево на 1 байт, например, часто используется операция Н = MBR " 8):

DEST = Н

DEST = SOURCE

DEST = R_

DEST = SUORCE

DEST = H + SOURCE

DEST = H + SOURCE + 1

DEST = H + 1

DEST = SOURCE + 1

DEST = SOURCE - H

DEST = SOURCE - 1

DEST = -H

DEST = H И SOURCE

DEST = H ИЛИ SOURCE

DEST = 0

DEST = 1

DEST = -1

Здесь SOURCE - значение любого из регистров: MDR, PC, MBR, MBRU, SP, LV, СРР, TOS и ОРС; a MBRU означает MBR Unsigned, то есть значение регистра MBR без знака. Все эти регистры могут выступать в качестве источников значений для АЛУ (они поступают в АЛУ через шину В). Сходным образом DEST может обозначать любой из следующих регистров: MAR, MDR, PC, SP, LV, СРР, TOS, ОРС и H; каждый из этих регистров может быть целевым для выходного сигнала АЛУ, который передается к регистрам по шине С. Многие, казалось бы разумные, утверждения недопустимы. Например, следующее выражение выглядит вполне корректно, но эту операцию нельзя выполнить в тракте данных, изображенном на рис. 4.5, за один цикл:

MDR = SP + MDR

Такое ограничение существует, поскольку для операции сложения (в отличие от увеличения или уменьшения на 1) один из операндов должен быть значением регистра Н. Точно так же могло бы пригодиться, например, такое выражение:

Н = Н - MDR

Однако оно недопустимо, поскольку единственным возможным источником вычитаемого является регистр Н. В ассемблере не должно быть выражений, которые кажутся пригодными, но в действительности недопустимы.

В нашей системе записи допускается использование нескольких операторов присваивания. Например, чтобы прибавить 1 к регистру SP и сохранить полученное значение в регистрах SP и MDR, нужно записать следующее:

SP = MDR = SP + 1

Для обозначения процессов считывания из памяти и записи в память слов по 4 байта мы будем вставлять в микрокоманду операторы rd и wr. Для вызова байта через однобайтный порт используется оператор fetch. Операции присваивания и операции взаимодействия с памятью могут происходить в одном и том же цикле. То, что происходит в одном цикле, записывается в одну строку.

Чтобы избежать путаницы, напомним еще раз, что Mic-1 может обращаться к памяти двумя способами. При чтении и записи 4-байтных слов данных используются регистры MAR и MDR. Эти процессы показываются в микрокомандах операторами rd и wr соответственно. При чтении однобайтных кодов операций из потока команд используются регистры PC и MBR. В микрокоманде это показывается оператором fetch. Оба типа операций взаимодействия с памятью могут происходить одновременно.

Однако один и тот же регистр не может получать значение из памяти и тракта данных в одном и том же цикле. Рассмотрим фрагмент программы:

MAR = SP; rd MDR = H

В результате выполнения первой микрокоманды значение из памяти приписывается регистру MDR в конце второй микрокоманды. Однако вторая микрокоманда в то же самое время приписывает другое значение регистру MDR. Эти две операции присваивания конфликтуют, поскольку результаты не определены.

Помните, что в каждой микрокоманде должен быть явно указан адрес следующей микрокоманды. Однако часто бывает так, что микрокоманда вызывается только одной микрокомандой, причем именно той, которая находится в предыдущей строке. Чтобы упростить работу программиста, микроассемблер обычно приписывает адрес каждой микрокоманде (порядок следования адресов может и не соответствовать последовательности микрокоманд в управляющей памяти) и заполняет поле NEXT_ADDRESS, так что последовательность выполнения микрокоманд соответствует очередности строк микропрограммы.

Однако программисту иногда нужно совершать переход, условный или безусловный. Запись безусловных переходов проста:

goto label

Такая запись может включаться в любую микрокоманду. В ней явным образом указывается имя следующей микрокоманды. Например, очень часто последовательность микрокоманд заканчивается возвращением к первой команде основного цикла, поэтому последняя команда в каждой такой последовательности содержит запись

goto Mai ni

Отметим, что в тракте данных происходят обычные операции даже во время выполнения микрокоманд, которые содержат оператор goto. В любой микрокоманде есть поле NEXT_ADDRESS. Оператор goto сообщает ассемблеру, что в это поле вместо адреса микрокоманды, записанной в следующей строке, нужно поместить особое значение. В принципе, каждая строка должна содержать запись goto, но если нужный адрес - это адрес микрокоманды, записанной в следующей строке, goto для удобства можно опускать.

Для условных переходов нам требуется другая запись. Помните, что JAMN и JAMZ используют биты N и Z соответственно. Например, иногда нужно проверить, не равно ли нулю значение регистра. Для этого можно было бы пропустить это значение через АЛУ, сохранив его после этого в том же регистре. Тогда мы бы написали

TOS = TOS

Запись выглядит забавно, но выполняет необходимые действия (устанавливает триггер Z и записывает значение в регистре TOS). В целях удобочитаемости микропрограммы мы расширили язык MAL, добавив два новых воображаемых регистра, N и Z, которым можно присваивать значения. Например:

Z = TOS

Эта строка пропускает значение регистра TOS через АЛУ, устанавливая триггер Z (и N), но при этом не сохраняет значение ни в одном из регистров. Использование регистра Z или N в качестве целевого показывает микроассемблеру, что нужно установить в 0 все биты поля С (см. рис. 4.4). Тракт данных проходит обычный цикл, выполняются все обычные допустимые операции, но ни один из регистров не записывается. Не важно, какой регистр является целевым, N или Z. Микрокоманды, которые при этом порождает микроассемблер, одинаковы. (Программисты, выбравшие не тот регистр, в наказание будут неделю работать на самом первом компьютере IBM PC с частотой 4,77 МГц.)

Чтобы микроассемблер установил бит J AMZ, нужно написать следующее:

if(Z) goto LI; else goto L2

Поскольку аппаратное обеспечение требует, чтобы 8 младших битов этих адресов совпадали, микроассемблер должен присвоить им такие адреса. С другой стороны, метка L2 может находиться в любом из младших 256 слов управляющей памяти, поэтому микроассемблер без труда найдет подходящую пару.

Часто эти два утверждения сочетаются. Например:

Z = TOS; irCZ) goto LI; else goto L2

В результате такой записи MAL породит микрокоманду, в которой значение регистра TOS пропускается через АЛУ, но при этом нигде не сохраняется, так что это значение устанавливает бит Z. Сразу после загрузки из АЛУ бит Z соединяется со старшим битом регистра MPC через схему ИЛИ, вследствие чего адрес следующей микрокоманды будет вызван либо по L2, либо по L1. Значение регистра MPC стабилизируется, и он сможет использовать его для вызова следующей микрокоманды.

Наконец, нам нужна специальная запись, чтобы задействовать бит JMPC:

goto (MBR OR value)

Эта запись сообщает микроассемблеру, что нужно использовать значение value для поля NEXT_ADDRESS и установить бит JMPC, так чтобы регистр MBR соединялся через схему ИЛИ с регистром MPC вместе со значением NEXT_ADDRESS. Если значение value равно 0, достаточно написать

goto (MBR)

Отметим, что только 8 младших битов регистра MBR соединяются с регистром MPC (см. рис. 4.5), поэтому вопрос о знаковом расширении тут не возникает. Также отметим, что используется то значение MBR, которое доступно в конце текущего цикла. В момент вызова в текущей микрокоманде выбирать следующую микрокоманду уже поздно.

Пример реализации микроархитектуры || Оглавление || Реализация IJVM с использованием микроархитектуры Mic-1