JEDNOSTKA STERUJĄCA (OBLICZENIA): KOMPONENTY, FUNKCJE - TECHNOLOGIA - 2025

Jednostka sterująca to obwód cyfrowy, który zarządza operacjami i obsługuje wszystkie sygnały sterujące w procesorze komputera. Pozwala jednostce logicznej, pamięci oraz wejściowym i wyjściowym urządzeniom peryferyjnym wiedzieć, jak replikować polecenia otrzymane z programu. W ten sposób kieruje cały przepływ wejściowy i wyjściowy, wyszukuje kod operacji programu i kieruje innymi jednostkami, wysyłając sygnały czasowe i sterujące.

Jednostka sterująca działa poprzez przyjmowanie danych wejściowych, które przekształca na sygnały sterujące i które są następnie przesyłane do centralnego procesora. Procesor nakazuje różnym urządzeniom, jakie operacje mają wykonać.

Źródło: pixabay.com

Ta jednostka jest komponentem procesora, który działa jak mózg, generując instrukcje dla prawie wszystkich operacji i zapewniając ich prawidłowe wykonanie.

Przykładami urządzeń wykorzystujących jednostki sterujące są jednostka centralna (CPU) i jednostka przetwarzania grafiki (GPU).

składniki

Aby wykonać akcję, jednostka sterująca CPU musi wytworzyć niezbędny sygnał sterujący w odpowiedniej kolejności. Istnieją dwa podejścia, które są używane do generowania tych sygnałów sterujących we właściwej kolejności.

Zintegrowana jednostka

Jednostka sterująca składa się z bramek logicznych, przerzutników, obwodów cyfrowych, koderów i dekoderów, które są okablowane w ustalony sposób.

Można go traktować jako aparat stanu, który zmienia się od stanu do stanu w każdym cyklu zegara, w zależności od zawartości rejestru instrukcji i zewnętrznych wejść.

Wyjściem tego aparatu stanu są sygnały sterujące. Kolejność operacji wykonywanych przez tę maszynę jest określona przez okablowanie elementów logicznych. Z tego powodu nazywany jest „zintegrowanym”.

Projekt oparty jest na określonej architekturze. Gdy wymagane są zmiany w zestawie instrukcji, należy wprowadzić zmiany w okablowaniu i obwodzie.

Jest to podstawa architektury obliczeń ze zredukowanym zestawem instrukcji (RISC), która ma tylko niewielką liczbę instrukcji.

Sygnały sterujące

Sygnały sterujące są niezbędne do kierowania wykonywaniem operacji. Rozpowszechniane są za pomocą specjalnie zaprojektowanych układów logicznych, w których sposób generowania sygnałów nie może być modyfikowany bez fizycznej zmiany struktury obwodu.

Sygnały sterujące do wykonania operacji muszą być nadawane nie w pojedynczym punkcie w czasie, ale przez cały okres odpowiadający cyklowi wykonywania instrukcji.

Kod instrukcji instrukcji zawiera podstawowe informacje do rozgłaszania sygnału sterującego.

Dekoder instrukcji

Kod operacji jest dekodowany w dekoderze instrukcji. Składa się z zestawu dekoderów, które dekodują różne pola kodu operacji instrukcji.

Dekoder instrukcji umożliwia jednostce sterującej wejście w pierwszy stan związany z wykonywaniem nowej operacji, który trwa tak długo, jak długo sygnały taktowania i inne sygnały wejściowe pozostają niezmienione.

Zmiana któregokolwiek z powyższych sygnałów powoduje zmianę stanu jednostki sterującej.

W rezultacie niektóre linie wychodzące z dekodera instrukcji pobierają wartości w sygnale. Te linie są dołączone do generatora sygnału sterującego dla różnych jednostek komputera.

Poprzez powtórzenie organizacji tych faz w jednostce sterującej ustrukturyzowane jest odpowiednie uporządkowanie stanów wewnętrznych.

Kiedy nowa instrukcja dociera do jednostki sterującej, wbudowane jednostki są w stanie początkowym, aby pobrać nową instrukcję.

Jednostka mikroprogramowana

Istotną różnicą w tym podejściu w odniesieniu do jednostki zintegrowanej jest istnienie magazynu sterującego, który służy do przechowywania mikroprogramów zawierających zakodowane sygnały sterujące niezbędne do wykonania operacji.

Kod operacji instrukcji nie zostanie zdekodowany w celu natychmiastowego utworzenia sygnału sterującego, ale zostanie wskazany adres mikroprogramu, który jest przechowywany w pamięci kontrolnej.

Oznacza to, że sygnały sterujące dołączone do instrukcji są przechowywane w specjalnych komórkach pamięci jako wymienne oprogramowanie układowe.

Mikroprogramowana jednostka sterująca jest wolniejsza niż jednostka wbudowana ze względu na czas potrzebny do przywrócenia operacji znalezionych w jednostce pamięci.

cechy

Jednostka sterująca jest odpowiedzialna za informowanie urządzeń wejściowych i wyjściowych, pamięci głównej i jednostki logiczno-arytmetycznej komputera, jak powtórzyć operacje, które są wysyłane do procesora.

Pobiera operacje programu do pamięci i przenosi je do rejestru procesora. W zależności od tego, co zawiera ten rejestr, jednostka sterująca generuje sygnał, który monitoruje wykonanie tych operacji.

W zależności od rodzaju operacji, którą wprowadzasz do jednostki sterującej, możesz zmienić liczbę i kolejność generowanych kroków sekwencyjnych, aby wybrać i skonfigurować części procesora, które będą używane do osiągnięcia celu operacji, czy to przesunięcia, czy modyfikacji lub przechowuj dane.

Ten proces operacji dekodowania jest wykonywany ponownie, gdy licznik jest zwiększany do następnego zapisanego adresu programu. Od tego adresu nowa operacja jest wprowadzana do jednostki sterującej i tak dalej aż do końca programu.

Ilustracja

Funkcje, które wykonuje jednostka sterująca, będą zależne od typu procesora ze względu na istniejące różnice w strukturze między różnymi markami. Poniższy diagram ilustruje sposób przetwarzania instrukcji w programie.

Źródło: Kapooht - Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25789639

- Obsługuje wiele zadań, takich jak wyszukiwanie i pobieranie instrukcji, dekodowanie, zarządzanie wykonywaniem i przechowywanie wyników.

- Otrzymuje zewnętrzne instrukcje lub polecenia, które przekształca w sekwencję sygnałów sterujących.

- Zinterpretuj instrukcje.

- Kontroluje sekwencyjne wykonywanie instrukcji.

- Koordynuje sekwencję ruchów danych przychodzących, wychodzących i między wieloma podjednostkami procesora.

- Reguluje i kontroluje synchronizację jednostek wykonawczych, takich jak jednostka arytmetyczno-logiczna oraz magazyny danych i rejestry zawarte w procesorze.

- Wysyła i odbiera sygnały sterujące do innych urządzeń komputerowych.

- Kieruje i kontroluje przepływ danych przez różne obszary komputera.

Bibliografia

1. Techopedia (2019). Jednostka sterująca (CU). Zaczerpnięte z: sufitpedia.com.
2. Nadzieja na komputer (2017). Jednostka sterująca. Zaczerpnięte z: computerhope.com.
3. Geeks for Geeks (2019). Organizacja komputera: Hardwired v / s Micro-programmed Control Unit. Zaczerpnięte z: geeksforgeeks.org.
4. Geeks for Geeks (2019). Wprowadzenie jednostki sterującej i jej projektu. Zaczerpnięte z: geeksforgeeks.org.
5. Wikipedia, wolna encyklopedia (2019). Jednostka sterująca. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org.