Устройство для обработки данных Советский патент 1982 года по МПК G06F9/48 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

1

Изобретение.относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки данных с несколькими уровнями выполнения программ.

Известно устройство для обработки данных содержащее блок управления, арифметико-логический блок, блок памяти, блок командных регистров и блок содержащий один комплект программных .регистров, содержимое которых запоминается в блоке памяти всякий раз, когда производится прерывание выполняемой программы или обращение к подпрограмме. При возврате из подпрограммы или после прерывания производится восстановление программных регистров путем переписи информации из блока памяти 1.

Недостаток данных устройств - боль шие затраты времени на осуществление процедур прерывания, перехода к подпрограммам и возврата, требующие многократного обращения к блоку памяти для запоминания и восстановления пррг раммных регистров, что существенно снижает производительность устройств, особенно при условии большого числа прерывания программ.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обработки данных, содержащее блок управления, арифметико-логический блок, блок памяти, регистр команд, операционный регистр, блок, включающий в себя N комплектов программных регистров, блок регистра состояния с дешифратором состояния на выходе, блок преры10вания программ, дешифратор кода операций и вентильные схемы на выходе дешифратора кода операций, причем выходы дешифратора кода операций соединены через вентильные схемы с пер15вым входом блока прерывания программ, на второй вход блока прерывания .программ поступают сигна.пы прерывания, выход блока прерывания соединен со входом блока регистра состояния, вы20ход которого соединен с дешифратором состояния, каждый выход дешифратора состояния соединен с соответствующим комплектом программных регистров. Комплекты программных регистров - это

25 регистры для информации, которая используется для выпо.пнения данной инструкции программы и нужна также длЛ выполнения следующих инструкций этбм программы.Каждый из комплектов служит

30 для выполнения отдельной программы . N комплектов программных регистров обеспечивают выполнение N программ. Такая организация устройства для обработки позволяет осуществлять пре рывание программ без запоминания содержимого программных регистров, путем перехода к работе с другим компт лектом программных регистров 1. Недостатком известного устройства является большой объем оборудования для реализации блока программньах регистров, поскольку число комплектов дбяжно быть равно максимально возмож ному числу уровней прерывания. Кроме того, в устройстве отсутствуют средства, обеспечивающие использование комплектов программных регистров не только при гпрерываниях программ, но и при работе с подпрограммами, что не позволяет осуществлять преход к подпрограммам без запоминания содер1КИМОГО программных регистров в блоке памяти и возврат из по ;программ без их восстановления. Цель изобретения - снижение объем оборудования блока программных регис ров при реализации многоуровневого выполнения программ. Указанная цель достигается тем, что в устройство для обработки данных, содержащее регистр команд, буферный регистр, блок приоритета, арифметико-логический блок, блок памяти, дешифратор состояний, блок управления и блок программных регистро управляющие входы блока программных регистров подключены к соответствующим выходам блока управления, разреш ющие входы блока программных регистров подключены к- соответствующим выходам дешифратора, состояний, информационный вход блока программных регистров соединен с выходом блока пам ти, выходом арифметико-логического . блока, входом регистра команд и входом буферного регистра, выход блока программных регистров подключен ко входу блока памяти и первому информа ционному входу арифметико-логического блока, второй информационный вход которого соединен с выходом буферного регистра и управляющим выходом ре гистра команд, выход кода операции которого соединен со входом дешифратора команд, вход блока приоритета подключен ко входу прерываний устрой ства, введены блок анализа условий прерывания, реверсивный счетчик и ре гистр стека,причем выход регистра ст ка подключен ко второму информационному входу арифметико-логического блока, выход блока приоритета подклю чен ко входу приоритета прерываний блока.: анализа условий прерывания, входы кода операции перехода к подпрограмме и кода операции возврата которого подключены к выходам кода операции перехода к подпрограмме и кода операции возврата дешифратора команд, выход кода операции которого подключен ко входу блока управления, выход синхронизации которого подключен, -ко входу синхронизации блока анализа условий прерывания, выходы прямого и обратного счета которого подключен к соответствующим входам прямого и обратного счета реверсивного счетчика, вход сброса которого соединен с выходом сброса блока управления, выход управления стеком блока анализа условий прерывания подключен ко входу регистра стека и входу буферного регистра, выход признака заполнения блока программных регистров дешифратора состояний подключен ко входу признака заполнения блока программных регистров блока анализа условий прерывания. Блок анализа условий прерывания содержит три элемента ИЛИ., пять элементов И и два триггера, причем первый вход первого элемента ИЛИ подключен ко входу приоритета Прерываний блока, а второй вход - ко входу кода операции перехода к подпрограмме, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, третьему входу второго :элемента И -и первому входу третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, ко второму входу которого подключен прямой выход второго триггера, инверсный выход которого подключен к третьему входу четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом пятого элемента И, первый вход которого соединен со входом кода операции возврата и вторым входом четвертого элемента И, а второй вход - с инверсным выходом первого триггера и вторым входом первого элемента И,выход которог о.. подключен к выходу прямого счета блока,выход второго элемента И соединен с установочным входом второго триггера, прямой выход первого триггера подключен к первому входу второго элемента И, второму входу третьего элемента ii и первому входу четвертого элемента И, вход синхронизации первого тригrepa подключен ко входу синхронизации блока и второму входу второго элемента И, информационный вход первого триггера подключен ко входу признака запрлнения блока программных регистров блока, выход второго элемента ИЛИ подключен к выходу управления стеком блока, а выход третьего элемента ИЛИ подключен к выходу обратно- го счета блока На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для обработки данных для случая четырех комплектов программных регистров; на фиг. 2 - схема блока анализа условий прерывания; на фиг. 3 - структурная схема блока управления ; на фиг. 4 - график зависимости Я от t .

Устройство (фиг. 1) содержит блок 1 управления, дешифратор 2 кода операции, регистр 3 команд, линии 4 для выбора регистров, блок 5 программных регистров, состоящий из четырех комплектов: 1 - с 6 по 9, П - с 10 по 1 Ш - с 14 по 17, 1У - с 18 по 21, реверсивный счетчик 22, блок 23 памяти : блок 24 анализа условий прерывания, блок 25 приоритета, регистр 26 стека буферный регистр 27, арифметико-логический блок 28, дешифратор 29 состояний .

В общем случае в состав предлагаемого устройства для обработки данных входят N комплектов программных регистров по п регистров в кёикдом. В соответствии с этим дешифратор 29 . состояния должен иметь N выходов, реверсивный счетчик 22 должен обеспечить пересчет N состояний, а блок управления 1 должен иметь п управляющих шин 4 (вариант устройства для обработки данных с четырьмя комплектами программных регистров по четыре регистра в каждом).

В состав блока анализа условий прерывания (фиг.2) входят триггер 30 признака работы с четвертым комплектом программных регистров 18-21, триггер 31 признака занятости стека, элементы ИЛИ 32 - 34, элементы И 3539, вход 40 приоритета прерываний, вход 41 кода операции перехода к подпрограмме, вход 42 признака работы с четвертым ; комплектом программных регистров,вход 43 кода операции возврата, вход 44 сброса,вход 45 синхронизации, выходы 46 и 48 модифика:ции счетчика и выход 4/ признака работы со стеком.

Микропрограммный асинхронный блок управления состоит из коммутатора 49 адреса, памяти 50 и регистра 51 микрокоманды, дешифратора 52 управляющих сигналов и узла 53 синхронизации. На первый вход коммутатора 49 микрокоманды по линии 54 поступает код команды из дешифратора кода команды. Этот вход используется для занесения начального адреса мик-, ропрограммы, соответствующего коду команды. На второй вход коммутатора 49 поступает адрес следующей микрокоманды из регистра 51. Адрес микрокоманды из коммутатора 49 поступает в память 50, откуда считанная .микрокоманда поступает в. регистр 51. Часть микрокоманды, содержащая адрес следующей микрокоманды, поступает на второй вход коммутатора 49, остальная часть поступает в дешифратор 52 управляющих сигналов, который вырабатывает, в частности, сигналы обращения к программным регистрам, установки реверсивного счетчика в произвольное состояние, незанятости, стека

Синхронизирует работу всех узлов блока управления узел 53 синхронизации. При инициализации устройства обработки данных блок 1 управления сбрасывает реверсивный счетчик 22 в нулевое состояние, на выходе дешифратора 29 состояния вырабатывается сигнал работы с первым комплектом программных регистров 6-9 и все вре. мя до поступления сигнала прерывания или команды перехода к подпрограмме текущая программа использует регистр 6-9 первого комплекта. Кроме того, блок 1 управления сигналом, поступающим на блок 24 анализа условий прерывания по входу 44,сбрасывает триггер 31 занятости стека, сигнал, поступающий на блок 24 анализа условий прерывания по входу 42 Из дешифратора 2 кода операций, по синхросигналу 45 устанавливает триггер 30 признака работы с четвертым комплектом Программных регистров 18-21 в нулевое состояние, если блок 25 приоритета вырабатывает сигнал прерывания программ, то он поступает на вход 40 блока 24 анализа условий пре илвания и через элемент ИЛИ 32 подается на первый вход элемента И 35. Поскольку тригге 30 находится в сброшенном состоянии, то на второй вход элемента И 35 подается (Разрешающий сигнал, в результате чего на выходе 46 формируется сигнал модификации счетчика состояния на плюс один. Аналогично блок 24 анализа условий прерывания работает при поступлении с дешифратора 2 кода операций на вход 41 сигнала, соответствукйцего коду команды перехода к подпрограмме. Далее программа работает с использованием прогрс1ммных регистров второго комплекта.

Если приходит сигнал прерывания или перехода, блок 24 анализа условий прерывания аналогично вырабатывает новый сигнал модификации реверсивного счетчика 22 на плюс один, определяя дальнейшую работу програмг-пл с третьим комплектом программных регистров 14 -17.

Если наполняется команда возврата после прерывания или возврата из подпрограммы, то из дешифратора 2 кода операции поступает сигнал на вход 43 блока 24 анализа условий прерывания, где он через элемент И 39, на второй вход которого подается разрешающий сигнал с триггера 30, подается на вход элемента ИЛИ 34, вырабатывающего сигнал модификации реверсивного счетчика 22 на минус один г Реверсивный счетчик 22. возвращается в предшествующее состояние (в данном случае в начальное), и устройство переходит к продолжению программы, состояние которой было заполнено в первом комплекте регистров. Таким образом., работает блок анализа условий прерывания 24, если текущая программа работает с одним из первых трех комплектов блока 5 программных регистров. Переход от третьего комплекта к четвертому характеризуется установкой триггера 30 в блоке 24 анализа .условий прерывания в единичное соотояние по совпадению двух сигналов: сигнала, поступающего на вход 42 из дешифратора 29 состояния, и синхросигнала 45. Если при работе с четвер тым комплектом :18 - 21, происходит прерывание или переход, то элемент И 37 вырабатывает признак работы со стеком, выдаваемый через элемент ИЛИ 33 с выхода 47, элемент И 36 вырабатывает сигнал установки триггера 31 занятости стека, а выработка сигналов модификации блокируется триггеро 30. Анализируя признак работы со сте ком, блок управления организует перепись содержимого всех или части ре гистров четвертого комплекта в стек модифицирует значение регистра 26 стека и передает управление новой программе, которая использует регист ры четвертого комплекта. При дальнейших прерываниях (переходах) содер жимое регистров четвертого комплекта также запоминается в стеке блока 23памяти с одновременной модификаци ей регистра 26 стека. Такая организация позволяет выполнять программы практически на любом числе уровней, ограничиваемом лишь объемом стека. При выполнении команд возврата анализируется признак работы со стеком и при наличии его организуется перепись содержимого регистров ранее прерванной прогрг«ммы из верхушйи сте ка в регистры четвертого комплекта и и продолжение выполнения этой программы. Е конце выполнения команды возврата с участием стека анали ируется равенство содержимого регистра 26 стека начальному адресу стека, и случае равенства блок 1 управления подает на .вход 44 блока 24 анализа условий прерывания сигнал, сбрасываю пЬйй триггер 31 занятости стека. Если теперь поступает сигнал прерывания или команды перехода, то, как было описано выше, блок 24 анализа условий /.прерывания .формирует признак работы со стеком и блокирует выработку сигналов модификации реверсив ного счетчика 22. Если же дешифратор 2 кода операции вырабатывает си нал, соответствующей коман1;ё возвра та, он поступает на вход 43 блока 24анализа условий прерывания, где через элемент И 38, открытый разреШсшидими сигнсшами с триггеров 30 и 31, поступает на элемент -ИЛИ 34, который формирует сигнал модификации реверсивного счетчика 22 на минус один. При этом признак работы со стеком не вырабатывается, так как триггер 31 занятости сброшен. Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным позволяет в условиях многоуровневого режима выполнения программ существенно сократить объем оборудования блока программных регистров за счет некоторого увеличения времени перехода от программы к программе (при выполнении:. процедур прерывания и возврата), причем технико-экономическая эффективность возрастает с увелргчением общего числа программных уровней. Формула изобретения 1. Устройство для обработки данных, содержащее регистр команд, буферный регистр, блок приоритета, арифметикологический блок, блок памяти, дешифратор состояний, блок управления и блок программных регистров, управляющие входы блока .программных регистров подключены к соответствующим выходам блока управления, разрешающие входы блока программных регистров подключены к соответствукицим выходам дешифратора состояний, информационный вход блока программных регистров соединен с выходом блока памяти, выходом арифметико-логического блока, входом регистра команд и входом буферного регистра, выход блока программных регистров подключен ко входу блока Пс1мяти и первому информационному входу арифметико-логического блока, второй информационный . вход которого соединен с выходом буферного регистра и управляют выходом регистра команд, выход кода операции которого соединен со входом дешифратора команд, вход блока приоритета подключен ко входу прерываний устройства, отличающеес я тем, что, с целью сокращения оборудования при реализации много- уровневого режима выполнения программ, в него введены блок анализа условий прерывания, реверсивный счетчик и регистр стека, причем выход регистра стека подключен ко второму информационному входу арифметико-логического блока, выход блока приоритета подключен ко входу приоритета прерываний блока анализа условий прерывания , входы кода операции перехода к подпрограмме и кода операции возврата которого подключены к выходам кода операции перехода к подпрогремме и кода операции возврата дешифратора команд, выход кода операции которого подключен ко входу блока управления, выход синхронизации которого подключен ко входу синхронизации блока анализа условий прерывания, выходы прямого и обратного счета которого подключены к соответствующим входам прямого и обратного счета реверсивного счетчика, вход сброса которого соединен с выходом сброса блока управления. выход управления стеком блока анализ условий прерывания подключен ко вхо ду регистра стека и входу буферного регистра, выход признака заполнения блока программных регистров дешифратора состояний подключен ко входу признаказаполнения блока программны регистров блока анализа условий прерывания. 2. Устройство по п. I,отличающееся тем, что блок анализа условий прерывания содержит три элемента ШШ, пять элементов И, и дв триггера , причем первый вход первого элемента ИЛИ подключен ко входу приоритета прерываний блока, а второй вход - ко входу кода операции перехода к подпрограмме, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, третьему входу второго элементаИ и первому входу третьего элемента И, выход которого под ключей к первому входу второго элемента ИЛИ, ко второму входу которого подключен прямой выход второго триггера, инверсный выход которого подключен к третьему входу четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, втоЕЮй вход которого соединен с выходом пятого элемента И, первый вход которого соединен со входом кода операции возврата и вторым входом четвертого элемента И, а второй вход - инверсным выходом первого триггера и вторьм входсм первого элемента И, выход которого подключен к выходу прямого счета блока, выход второго элемента И соединен с установочным входом второго триггера, прямой,выход первого триггера подключен к первому входу второго элемента И, второму входу третьего элемента И и первому входу четвертого элемента И, вход синхронизации первого триггера подключен ко входу синхронизации блока и второму входу второго элемента И, информационный вход первого триггера подключен ко входу признака заполнения блока программных регистров блока, выход второго элемента ИЛИ подключен к выходу управления стеком блока, а выход третьего элемента ИЛИ подключен к выходу обратного счета блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М., Энергия , 1979, с. 300. 2.Патент США 3373408,кл. 340 172, 1972 (прототип).