УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЕ В ЦВМ

- часть системы управления цифровой вычислительной машины, алгоритмы которой зафиксированы структурным способом. Принцип программного управления в современной ЦВМ реализуется с помощью алгоритмов двух видов: оперативных, т. е. вводимых в виде программ в оперативное запоминающее устройство, и постоянных, заложенных в структуру ЦВМ (см. Математическое обеспечение ЦВМ внутреннее). Оперативные алгоритмы — это программы решаемых задач и большинство алгоритмов операционной системы; они составляют верхний уровень системы управления. Промежуточные уровни управления и самый нижний уровень, непосредственно воздейстствующий на аппаратуру, составляют У. с. в ЦВМ.

Различают два осн. способа структурной фиксации алгоритмов. Первый — фиксация алгоритмов с помощью схем, выполненных из элементных структур ЦВМ. Такое У. с. в ЦВМ наз. реализованными аппаратными средствами. При втором способе алгоритмы фиксируются в виде последовательностей управляющих кодов, записанных в некотором долговременном запоминающем устройстве (ДЗУ). Такой способ фиксации использовали ранее только для алгоритмов программного уровня (записи подпрограмм).

В современных ЦВМ ДЗУ используют чаще всего для фиксации алгоритмов, записанных на нижнем уровне языка ЦВМ внутреннего. Алгоритмы, зафиксированные таким способом, наз. микропрограммами, а структурное управление, реализованное такими средствами, — микропрограммным управлением. Эти два структурных способа фиксации алгоритмов представляют различные виды реализации автоматов управляющих, которые и реализуют У. с. в ЦВМ. В структурном управлении современных ЦВМ эти два способа сочетаются, а распределение ф-ций между ними выбирают так, чтобы достичь высокого быстродействия ЦВМ и оптим. организации вычисл. процесса.

Независимо от способа реализации традиционные ф-ции У. с. в ЦВМ сводятся к автомат. определению и обеспечению необходимого порядка следования команд программы, подготовке адресов операндов и к управлению действиями по переработке информации в ЦВМ. В ЦВМ с мультипрограммированием структурным управлением еще реализуются некоторые функции операционной системы, в частности, управление прерываниями.

В соответствии с двумя традиционными ф-циями У. с. в ЦВМ можно разделить на две части: управление командами и управление операциями.

Управление командами (УК) - это часть У. с. в ЦВМ, обеспечивающая необходимый порядок следования команд, задаваемый программой, и преобразование адресных частей команд. Различают два способа организации выборки команд программы: естественный (в порядке очередности) и принудительный (с указанием в каждой команде адреса следующей команды). В современных ЦВМ преимущественно используют естественный порядок следования команд, аппаратно реализуемый в виде двоичного счетчика команд программы. В начале работы по данной программе в счетчик засылается адрес 1-й команды программы, а при исполнении каждой очередной команды содержимое счетчика возрастает на 1. Исполнение команд условного или безусловного перехода вызывает замену содержимого счетчика — в него засылается начальный адрес новой программной последовательности. Принудительный порядок следования команд применяют, если алгоритмы структурного управления реализуются, напр., как набор микропрограмм. Задание переходов между отдельными микропрограммами является специфической ф-цией, называемой схемой ветвления, и чем больше возможностей при переходах, тем удобнее строить систему микропрограмм. Напр., в ЦВМ «МИР-1» (см. «МИР») имеется возможность перехода по четырем направлениям, т. е. можно указать один из четырех возможных адресов перехода. Второй важной ф-цией УК является преобразование адресных частей команд, необходимость в котором возникает из-за различных видов адресации операндов в команде.

Рассмотрим, какие преобразования необходимы при непосредственной, прямой, косвенной, относительной и индексируемой адресациях. Первые два вида адресации не требуют дополнительных преобразований: при первом виде адресации в команде задается сам операнд, при втором — его прямой физ. адрес. При косвенной адресации в команде содержится адрес 2-го (или более высокого) ранга. Функция УК определяет прямой адрес операнда, т. е. оно возбуждает одно (или несколько) дополнительных обращений к ЗУ. Относительная (базовая) и индексируемая адресации требуют выполнения операции сложения для определения исполнительного адреса операнда. В состав УК вводят дополнительное оборудование: регистр базы, индекс-регистры и сумматор адресов. Это оборудование иногда выделяют в устр-во индексной арифметики.

Действия по индексации можно выполнять и в арифметическом устройстве (АУ), но тогда теряется возможность совмещать эти действия с операцией в .

Управление операциями (УО) - вторая часть У. с. в ЦВМ, реализующая операции самого структурного управления и задающая операции в других устр-вах ЦВМ при исполнении команд программы. УО можно строить в соответствии с принципами синхронного или асинхронного управления. Принцип синхронного управления предполагает одинаковую длительность всех операций, соответствующую самой длинной операции. Все операции разбивают на одинаковое число тактов, и столько же тактовых сигналов вырабатывает счетчик тактов. Схема УО получается экономной по затратам аппаратуры, но происходит уменьшение быстродействия за счет пустых тактов в операциях с коротким циклом исполнения.

Особенность асинхронного принципа управления состоит в том, что для исполнения каждой операции затрачивается столько тактов, сколько необходимо, причем исполнение каждой очередной операции начинается по сигналу окончания предыдущей операции. Недостатком асинхронного принципа управления являются значительные затраты аппаратуры, т. к. для исполнения каждой операции строят отдельную схему. Еще в ЦВМ 1-го поколения эти два принципа объединяли и строили УО по смешанному принципу. Операции разбивали на две группы: короткие, но часто выполняемые (напр., сложение) и многотактные, хоть и редко встречающиеся в программе (деление). Первую группу операций исполняет центр, управление, построенное по синхронному принципу; вторую — местное управление, представляющее асинхронную схему. Таким образом, из осн. цикла ЦВМ вынесены длинные операции, и частично выполнение их совмещается с работой остального У. с. в ЦВМ. Примерами таких УО являются схемы управления «БЭСМ-1» и «М-220». УО современных ЦВМ строят в основном по асинхронному принципу, т. к. быстродействие является определяющим фактором эффективности ЦВМ.

Развитие структур ЦВМ в связи с требованиями значительно повысить эффективность этих машин и автоматизацию процесса подготовки и решения задач на них расширило роль и функции их структурного управления. Значительный рост потока управляющей информации, обработка которой и является ф-цией У. с. в ЦВМ, вызван такими причинами: во-первых, применением алгоритм, языков высокого уровня в качестве входных языков ЦВМ и связанным с этим расширением видов и форматов обрабатываемых данных (символьные, целые и т. п.); во-вторых, введением различных форм параллелизма в режимы обработки информации как внутри одной программы, так и для нескольких программ (напр., совмещение операций в различных устр-вах возможно вследствие введения буферов, согласующих скорости этих устр-в); в-третьих, развитием средств операционной системы, в частности ф-ций, связанных с распределением ресурсов в мультипрограммном режиме решения задач. Эти причины привели к появлению в составе У. с. в ЦВМ новых блоков: микропрограммной реализации сложных многотактных операций, осуществлявшихся в ЦВМ предыдущих поколений в виде подпрограмм, предварительного просмотра программы (т. н. опережающее устр-во), динамической адресации виртуальной памяти.

Еще более расширены ф-ции У. с. в ЦВМ с развитыми системами интерпретации. Выполнение интерпретации входного языка высокого уровня структурными средствами требует включения в состав управления новых структурных единиц: блока анализа программы, блока автомат, адресации величин, блока магазинной памяти с собственным управлением и т. п. Кроме того, У. с. в ЦВМ выполняет и традиционные операции управления: команды условного и безусловного переходов, организацию циклических процессов и индексацию. Изменения в структуре управления ЦВМ приводят к тому, что структурное управление превращается в отдельный процессор переработки управляющей информации, имеющий свои внутр. команды, буферную память и арифм. устр-ва для выполнения индексации.

В ЦВМ с развитой интерпретацией высокий уровень входного языка постепенно понижается структурой управления ЦВМ до уровня элементарных операций, т. е. структурное управление строится по ступенчатому принципу. Для реализации таких схем используют принцип микропрограммного управления, заключающийся в построении У. с. в ЦВМ как набора последовательностей элементарных операций (микроопераций), в совокупности реализующих алгоритмы управления ЦВМ; под микрооперацией попимают элементарное машинное действие, обозначенное во внутреннем языке и не содержащее в себе других машинных действий, обозначенных в этом языке.

Предложенный еще в 1951 (в Англии) принцип микропрограммного управления вначале использовали для построения структурного управления только малых ЦВМ с небольшим набором операций. Совершенствование технологии изготовления ДЗУ и уменьшение времени считывания из ДЗУ до 100 нсек привели к широкому использованию этого принципа в ЦВМ 2-го и 3-го поколений. Схема этого принципа, ставшая теперь классической (т. н. схема Уилкса), состоит из двух диодных матриц (в одной из них закодированы микрооперации, в другой — переходы от одной микрокоманды к другой) и регистра микрокоманды. Отличия современных схем микропрограммного У. с. в ЦВМ не принципиальны, а только отражают уровень развития техники: диодные матрицы заменены ферритовыми (или иными матрицами ДЗУ), иногда в схему вводят регистр для фиксации кода, считываемого из ДЗУ.

Дальнейшим развитием принципа микропрограммного управления являются схемы ступенчатого микропрограммного управления. В их принципе совпали два направления развития схем управления — ступенчатая запись алгоритмов при программировании и микропрограммный принцип управления операциями в ЦВМ. При ступенчатой организации У. с. в ЦВМ операции ступени реализуются через операции ступени и более низких ступеней.

Операциями самой низкой ступени являются микрооперации. Такой метод построения У. с. в ЦВМ позволяет при реализации в наборе команд сложных операций сократить время выполнения их по сравнению с методом реализации их в виде подпрограмм, а также существенно дает экономию аппаратуры У. с. в ЦВМ. При совместной реализации нескольких операций ступени удается объединить одинаковые участки микропрограмм. При этом удобно использовать методы синтеза и минимизации, разработанные в теории цифровых автоматов (см. Автоматов теория).

Многоступенчатая организация микропрограммного управления позволяет относительно просто реализовать в ЦВМ и принцип асинхронности управления операциями, и возможности одновременной параллельной работы ряда автоматов, а это важно для обеспечения высокого быстродействия. В таком многоступенчатом У.с. можно сочетать микропрограммно реализованные уровни с аппаратно реализованными. Нижний уровень У. с. в ЦВМ обычно строится в элементном базисе машины (частота выдачи микроопераций совпадает с осн. рабочей частотой машины). В верхних уровнях структурного управления используют быстродействующие ДЗУ, т. е. в виде микропрограмм фиксируется самый верхний и промежуточные уровни внутреннего языка.

Создание эффективных систем микропрограммных структурных управлений позволило уже в ЦВМ 3-го поколения реализовать осн. системы программирования и часть операционной системы в виде библиотек микропрограмм. Еще лучших результатов можно ожидать при реализации микропрограммного управления на схемах с высокой степенью интеграции — в ЦВМ 4-го поколения.

Лит.: Папернов А. А. Логические основы цифровых машин и программирования. М., 1968 [библиогр. с. 583—585]; Глушко в В. М. [и др.]. Вычислительные машины с развитыми системами интерпретации. К., 1970 [библиогр. с. 254—257].

А. М. Самофалова.