Микропр-ма выборки 1 слова команды из основной памяти (ГСА), ее микрокод и выполнение в проц-ре на основе микропр-мых БИС

43. Микропр-ма выборки 1 слова команды из основной памяти (ГСА), ее микрокод и выполнение в проц-ре на основе микропр-мых БИС

Основной формат первого слова команды имеет вид:

r₁ - № регистра 1 операнда и/или приёмника результата; r₂ - № регистра 2 операнда.

Микропр-ма предст-на в виде граф-схемы алгоритма (ГСА)

1 МК, имеющая условный адрес FETHC (выборка) в МПП, обеспечивает чтение первого слова команды по адресу ОП, к-й зафиксирован в РА (предпол-ся, что РА к моменту передачи управл-я микропр-ме содержит адрес команды). Запись в РК осущ-ся по “+” фронту тактового сигнала в конце микроцикла (такта), управляемого данной микрокомандой.

2 МК FETHС + 1 инкрементирует сч-к команд, организ-й в одном из РОН операц-го блока (например, в Рг15), и обеспеч-т запись инкрементиров-го знач-я счётчика в РА. Фик­сация нового содерж-го в РА осущ-ся по “+” фронту тактового сигнала, т. е. в конце текущего микроцикла.

Тип микрокоманды в микропр-ме опред-ся инструкцией СФАМК, двоичный код к-й записан в поле I адресной части МК.

Первая микрокоманда имеет тип CONT, вторая микрокоманда -JMAP. При выпол-и второй микрокоманды в СФАМК на адресные входы МПП поступает адрес А_нач первой микрокоманды микропр-мы, соотв-щей КОп в РК.

Для увелич-я быстрод-я проц-ра операцию чтения в РК, определенную в первой МК рассм-мой микропр-мы, м. совместить с последними МК микропр-м, реали­зующих нек-е операции в проц-ре, н-р, сложение. Тогда вторую МК целесоб-но разместить по нулевому адресу. Переход на эту МК д.обеспеч-ся по окончании любой МК операции с помощью МК типа JZ.

45. Память ВМ: основные функции и характеристики Память – важнейшая составляющая ВМ, предназначенная для хранения информации. Различные по своим характеристикам типы памяти образуют систему памяти ВМ, которая традиционно подразделяется на внешнюю (ВП) и внутреннюю. ВП предназначена для длительного хранения больших объемов информации, а внутренняя память – для хранения оперативно изменяющейся информации (тексты выполняемых программ и данные, участвующие в получении результатов). ВП состоит из запоминающих устройств на магнитных лентах и дисках, подключаемых к ядру ВМ (ЦП и ОП) через систему ввода-вывода. В данной теме рассматриваются вопросы, связанные с организацией внутренней памяти, как неотъемлемой части любой ВМ. В состав внутренней памяти входят регистры, кэш-память и основная память (ОП). В общем случае основными операциями в запоминающем устройстве (ЗУ) являются: Занесение (фиксация) информации – запись (Write – WR); -Выборка (выдача, воспроизведение) информации – чтение (Read – RD). Обе операции называются обращением к ЗУ. Основными характеристиками ОП являются: Емкость;Единица пересылки;Метод доступа;Быстродействие;Место расположения;Физический тип; Физические особенности;Стоимость. Емкость – количество бит или байт, которое может храниться в ЗУ одновременно. На практике для измерения емкости применяются более крупные единицы информации, добавляемые к словам «бит» или «байт» – кило (К), мега (М), гига (Г), тера (Т), пета (П), экза (Э). Единица пересылки – определяется шириной шины данных – количеством битов, передаваемых по линиям шины одновременно (параллельно). Обычно единица пересылки равна длине слова, но не обязательно. Метод доступа – произвольный доступ – каждая ячейка памяти имеет свой уникальный физический адрес, по которому обращение к любой ячейке производится в любом порядке и занимает одно и то же время. Быстродействие. Для ЗУ с произвольным доступом обычно используются три параметра для оценки быстродействия: Время доступа tд – интервал времени от момента поступления адреса ячейка памяти до момента, когда данные заносятся (при записи) в память или становятся доступными (при считывании). Длительность цикла памяти (период обращения) – минимальный интервал времени между двумя последовательными обращениями.; Скорость передачи – скорость, с которой данные могут передаваться в память или из нее: Место расположения. Процессорные ЗУ (регистры, кэш-память 1-го уровня) располагаются на одном кристалле с процессором. ОЗУ, ПЗУ и кэш-память 2-го и следующих уровней располагаются на системной плате (кэш-память 2-го уровня может располагаться на кристалле процессора). Физический тип – полупроводниковая память. Физические особенности - энергозависимая память – информация может быть искажена или потеряна при отключении источника питания. Стоимость. Оценивается отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в битах, т.е. стоимостью хранения одного бита информации. Скорость обработки в АЛУ процессора постоянно растет. Быстродействие ОП также растет, но постоянно отстает от быстродействия аппаратных средств ЦП. Это происходит потому, что одновременно происходит опережающий рост емкости ОП, а это делает более трудным уменьшение цикла ОП. Возникает проблема согласования пропускных способностей ЦП и ОП. Преодолеть противоречие между требованием увеличения емкости и быстродействия ОП и согласования их пропускных способностей помогают специальные структурные решения: 1. Организация иерархической системы памяти;2. Блочная организация ОП; 3. Буферизация ОП.	46. Иерархическая структура системы памяти Желательно, чтобы память ВМ при ее минимальных размерах обладала как можно большей емкостью, обеспечивала быструю запись/чтение, была надежной, была экономически выгодной. Одновременно удовлетворить всем требованиям в одном типе ЗУ невозможно. Сами требования противоречивы. На самом высоком уровне иерархии находится ЗУ небольшой емкости и малого времени доступа. Все уровни иерархии имеют одинаковое значение. Все данные, которые хранятся на уровне α, могут быть найдены на более низком уровне. Между уровнями иерархии пересылка может происходить только между двумя соседними уровнями. Идеальная память должна обеспечивать процессор данными так, чтобы не вызывать простоя, но иметь большую емкость.	47. Иерархическая структура системы памяти При разработке системы памяти стремятся к тому, чтобы память ВМ при ее минимальных физических размерах обладала как можно большей информационной емкостью, обеспечивала максимально быструю запись и считывание, высокую надежность и при этом была бы экономически выгодной с точки зрения ее технической реализации. Одновременно удовлетворить всем этим требованиям в одном типе ЗУ невозможно, т.к эти требования противоречивы. Действительно, чем меньше tд, тем выше стоимость хранения бита; чем больше емкость, тем ниже стоимость хранения бита, но больше время доступа. Следовательно, задача, которая решается при разработке системы памяти – это создание памяти требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Традиционно эта задача решается путем создания многоуровневой системы памяти, построенной по иерархическому принципу. На самом высоком уровне иерархии находятся ЗУ небольшой емкости, высокого быстродействия, соизмеримого с быстродействием ЦП, и высокой стоимостью хранения бита. Все уровни иерархии взаимосвязаны – данные, которые в данный момент хранятся на i-м уровне могут быть найдены на более низком уровне. Независимо от числа уровней пересылка информации может происходить только между двумя соседними уровнями. Идеальная память должна обеспечивать процессор командами и данными так, чтобы не вызывать простои процессора, но при этом иметь большую емкость. Эта задача решается с помощью иерархической структуры системы памяти . По мере движения вниз по иерархии 1. уменьшается стоимость хранения информации; 2. увеличивается емкость; 3. растет время доступа; 4. уменьшается частота обращения к памяти со стороны процессора. Если память организована именно так (пункты 1 – 3), а характер размещения данных и команд удовлетворяет пункту 4, то иерархическая организация ведет к уменьшению общей стоимости при заданном уровне производительности. Это обеспечивается т.н. принципом локальности по обращению. Анализ большинства программ показывает: 1.вероятность того, что адрес очередной команды программы следует непосредственно за только что прочитанной или находится вблизи него, очень велика. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы; 2. Обрабатываемые данные , как правило, структурированы и такие структуры с большой вероятностью хранятся в последовательных ячейках памяти. Данная особенность программ называется пространственной локальностью данных; 3. Программы содержат множество циклов и процедур, в которых многократно повторяются одни и те же команды в течение некоторого интервала времени, т.е. имеет место временная локальность. Все эти три вида локальности объединяются в общее понятие локальности по обращению. Исходя из этого принципа, можно представить программу в виде последовательности обрабатываемых фрагментов, состоящих из групп команд и данных. Если эти фрагменты своевременно подкачивать на более высокие уровни иерархии, можно значительно сократить задержки при обращении, т.к. подкачанные данные далее будут использоваться многократно и среднее время доступа будет в этом случае определяться более быстрым ЗУ. На каждом уровне иерархии информация разбивается на блоки – наименьшие информационные единицы, которыми обмениваются два соседних уровня. Организация подкачки информации. Обнаружение запрашиваемой более высоким уровнем информации в соседнем нижнем уровне называется попаданием (hit), а отсутствие – промахом (miss). При промахе производится поиск в ЗУ следующего, более низкого, уровня, где также возможны промахи и попадания. После обнаружения необходимой информации выполняется последовательная пересылка блока, содержащего нужную информацию. Память, в организации которой используется механизм расширения ограниченной емкости ОП с помощью обращения к внешней памяти, называется виртуальной памятью.
48. Блочная организация ОП; ОП с расслоением обращений по адресам. Современная ОП имеет настолько большую емкость, что реализовать ее на базе одной интегральной микросхемы (ИМС) невозможно. По этой причине, а также при необходимости увеличения разрядности слова памяти, ИМС объединяют определенным образом. Совокупность ИМС, позволяющую получить заданную разрядность ячейки памяти, разрядности машинного слова, называют модулем памяти. Один или несколько модулей образуют банк памяти. Для получения требуемой емкости ОП необходимо объединить определенным образом несколько банков меньшей емкости. Такое объединение называется блоком ОП. Таким образом, ОП ВМ практически всегда имеет блочную структуру, состоящую из нескольких банков. При использовании блочной памяти, состоящей из В банков, адрес ячейки памяти А преобразуется в пару № банка – адрес ячейки памяти внутри банка. Известны три схемы распределения разрядов адреса А: 1. Блочная - № банка определяют старшие разряды адреса А(8:7), а младшие (а(А(6:0) - № ячейки внутри банка (рис.5); 2. Циклическая – № банка определяют младшие разряды адреса А(1:0), а старшие А(8:2) - № ячейки внутри банка (рис.6); 3. Блочно-циклическая – комбинация 1-го и 2-го вариантов. Адреса между банками распределены по блочной схеме. Банк состоит из нескольких модулей, адресуемых по циклической схеме. Таким образом, адрес ячейки памяти А разбивается на три части – старшие биты А(8:7) - № банка, следующая группа разрядов адресует ячейку в модуле – А(6:1), а младшие разряды - № модуля в банке – А(0)(рис.7). На приведенных рисунках в качестве примера рассмотрены структуры ОП емкостью 512 слов (29), построенной из 4-х банков по 128 слов в каждом. Адресное пространство ОП разбито на группы последовательных адресов. Каждая группа обеспечивается отдельным банком памяти. В функциональном отношении блочная ОП может рассматриваться как единое ЗУ, емкость которого равна суммарной емкости всех банков, а быстродействие – быстродействию отдельного банка. Блочная организация ОП позволяет сократить время доступа к информации. Это достигается за счет одновременного доступа ко многим банкам. В качестве примера рассматривается блочная ОП с чередованием адресов по циклической схеме (рис.6).Здесь применяется методика расслоения памяти по адресам (address interleaving), в которой изменяется система распределения адресов между банками памяти. Такое распределение адресов базируется на свойстве локальности по обращению: если в данный момент выполняется обращение к ячейке с номером К, то последующие обращения с большой вероятностью будут адресованы к ячейкам с номерами К+1, К+2 и т.д. В каждом такте на шине адреса (ША) может присутствовать только адрес одной ячейки, то одновременное обращение к нескольким банкам невозможно. Но при наличии в каждом банке индивидуальных регистров адреса (РА) и данных (РД) можно организовать обращение к очередному банку со сдвигом на один такт (см. рис.6) После занесения адреса А в РА дальнейшие микрооперации по доступу к ячейке в каждом банке выполняются независимо. При большом количестве банков среднее время доступа к ОП сокращается почти в N раз, где N - количество банков. Это утверждение справедливо только в том случае, если последовательные обращения к ОП адресованы к ячейкам, расположенным в разных банках. При последовательных обращениях к одному и тому же банку каждое следующее обращение возможно только после завершения предыдущего (конфликт по доступу). Частое возникновение таких ситуаций делает такой метод неэффективным. Блочно-циклическая схема расслоения представлена на рис.7 . Рассмотренные способы расслоения дают хорошие результаты в рамках одной задачи, для которой характерно свойство локальности. Блочная ОП, в которой допускается совместное обращение к разным банкам называется памятью с расслоением обращений.	49. Буферирование ОП /общие вопросы/. Элементная база основной памяти (ОП) большинства современных ВМ – микросхемы динамических ОЗУ, которые на порядок уступают по быстродействию центральному процессору. Поэтому процессор (ЦП) вынужден простаивать несколько тактовых периодов, пока информация из ИМС памяти установится на ШД ВМ. Организация ОП на быстродействующих статических ИМС экономически не целесообразна. Экономически приемлемое решение – использование двухуровневой памяти, меньшей по емкости, чем ОП, но соизмеримой по быстродействию с ЦП и устанавливаемой между ОП и ЦП. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны ЦП, т.е. производится отображение участков ОП на буферную память. Если переадресовать все обращения ЦП в пределах скопированного участка к буферной памяти, можно добиться существенного повышения производительности ВМ. Буферную память принято называть кэш-памятью (КП). Работу буферированной ОП кратко можно пояснить так: При попытке прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэше. Если такая копия существует, обращение к ОП не происходит и извлеченное из кэш-памяти слово передается в процессор (попадание – hit). При неуспешном обращении (промах – miss) требуемое слово передается в ЦП из ОП, но одновременно из ОП передается блок данных, содержащий это слово. ОП состоит из 2n адресуемых слов. Каждое слово имеет свой уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем ОП рассматривается как М блоков фиксированной длины по К слов в каждом блоке. Кэш-память состоит из С блоков такого же размера (их принято называть строками), причем С намного меньше М. По этой причине отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. Каждой строке КП соответствует признак – тег, в котором содержится информация о блоке ОП, который в данный момент хранится в данной строке КП. В качестве тега обычно используется часть адреса ОП. На эффективность применения КП в иерархической структуре памяти влияет в основном -Емкость КП; -Размер строки; -Способ отображения ОП на КП; -Алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти; -Алгоритм согласования содержимого ОП и КП; -Число уровней КП.	50. Организация кэш-памяти с прямым отображением ОП→кэш; достоинства и недостатки организации. Удачным может быть признан лишь такой способ отображения, который одновременно отвечает трем требованиям: -быстрая проверка КП на наличие в ней копии блока ОП; -быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки КП; -реализует 1-е и 2-е требования экономичными средствами. ЦП всегда обращается к ОП (КП для него невидима), формируя для этого 18-разрядный адрес. Для обращения к КП необходим механизм преобразования АОП в АКП. Расположение слов в блоке ОП и строке КП одинаково, для доступа к отдельному слову в блоке ОП или в строке КП можно использовать младшие 4 разряда 18-разрядног адреса. Остается решить задачу преобразования Абл.ОП в Астр. КП. Прямое отображение. На строку КП с адресом i отображается каждый 128-й блок ОП, если отсчет начинать с блока, номер которого равен i (i=0 – 127). ОП условно представлена в виде двухмерного массива блоков, в котором количество рядов равно числу строк в КП, А в каждом ряду последовательно перечислены блоки, переадресуемые на одну и туже строку КП. Логика КП интерпретирует 14 бит адреса ОП как 7-разрядный тег (a) и 7-разрядное поле строки (b). Поле строки указывает на одну из строк КП, куда может быть отображен блок с заданным адресом. Поле тега определяет, какой именно блок, закрепленный за данной строкой КП, будет отображен. При занесении блока ОП в память данных КП, в память тегов КП заносится тег этого блока. Это позволяет отличить его от других блоков, которые могут быть записаны в туже строку КП. Достоинства: простой и недорогой в реализации способ отображения. Недостатки: жесткое закрепление за одной строкой кэша определенных блоков ОП. Если программа поочередно обращается к словам из двух разных блоков ОП, отображаемых на одну и ту же строку КП, то постоянно будет обновляться содержимое данных данной строки и вероятность попадания будет низкой.
51. Организация кэш-памяти с ассоциативным отображением ОП→кэш; достоинства и недостатки организации. Удачным может быть признан лишь такой способ отображения, который одновременно отвечает трем требованиям: -быстрая проверка КП на наличие в ней копии блока ОП; -быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки КП; -реализует 1-е и 2-е требования экономичными средствами. ЦП всегда обращается к ОП (КП для него невидима), формируя для этого 18-разрядный адрес. Для обращения к КП необходим механизм преобразования АОП в АКП. Расположение слов в блоке ОП и строке КП одинаково, для доступа к отдельному слову в блоке ОП или в строке КП можно использовать младшие 4 разряда 18-разрядног адреса. Остается решить задачу преобразования Абл.ОП в Астр. КП. ассоциативное отображение. В отличие от прямого отображения разрешается запись любого блока ОП в любую строку КП. Логика управления КП выделяет в адресе ОП два поля – поле тега (a) и поле слова (c). Поле тега совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока ОП в КП логика управления КП выполняет одновременно сравнение тегов всех строк с полем тега адреса ОП (ассоциативный поиск). При этом память тегов КП должна быть ассоциативной. Достоинства: быстрый поиск для определения наличия запрашиваемого блока в КП, при совпадении тегов сразу устанавливается связь с данными, которые находятся в памяти данных КП. Недостатки: при относительно большой емкости экономически не целесообразно.	52. Организация кэш-памяти с частично-ассоциативным отображением ОП→кэш; достоинства и недостатки организации. Удачным может быть признан лишь такой способ отображения, который одновременно отвечает трем требованиям: -быстрая проверка КП на наличие в ней копии блока ОП; -быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки КП; -реализует 1-е и 2-е требования экономичными средствами. ЦП всегда обращается к ОП (КП для него невидима), формируя для этого 18-разрядный адрес. Для обращения к КП необходим механизм преобразования АОП в АКП. Расположение слов в блоке ОП и строке КП одинаково, для доступа к отдельному слову в блоке ОП или в строке КП можно использовать младшие 4 разряда 18-разрядног адреса. Остается решить задачу преобразования Абл.ОП в Астр. КП. Множественно-ассоциативное отображение. Сочетает достоинства прямого и ассоциативного способов отображения и, в известной мере, свободен от их недостатков. Память данных КП разбивается на 32 множества, каждое из которых содержит 4 строки. Память тегов содержит 32 ячейки, в каждой из которых может храниться 4 значения тегов (по одному на каждую стоку множества). Зависимость между множествами и блоками ОП такая же, как и при прямом отображении: на строки, входящие в множество i могут быть отображены только вполне определенные блоки ОП. 14-разрядный адрес блока ОП представляется в виде двух полей: 9-разрядного поля тега и 5-рарядного поля номера множества. Номер множества однозначно определяет одно из множеств КП. Так, блоки 0, 32, 64 и т.д. ОП отображаются на множество с номером 0; блоки 1, 33, 65 и т.д. отображаются на множество 1 и т.д. Любой из блоков указанной последовательности может быть загружен в любую из четырех строк соответствующего множества. Роль тега при этом выполняют 9 старших разрядов адреса блока ОП, в которых содержится порядковый номер блока в последовательности блоков, отображаемых на одно и то же множество КП. При обращении к КП 5-разрядный номер множества указывает на конкретную ячейку памяти тегов (это соответствует прямому отображению). Затем производится одновременное сравнение каждого из четырех тегов, хранящихся в этой ячейке, с полем тега поступившего адреса ОП (поиск нужного тега из четырех возможных осуществляется ассоциативно).

37.

38.

40.

46.