Центральный управляющий процессор ЭВМ М-13

Л.Я. Миллер, А.П. Смирнов, В.В. Смирнов,
А.В. Коренев, В.П. Дороганов, Р.А. Сокол

Рассмотрен центральный управляющий процессор (ЦУП), входящий в состав многопроцессорной векторной ЭВМ М-1З в качестве процессора, осуществляющего управление центральной процессорной частью, процессором обработки функций и подсистемой ввода-вывода. Описаны функциональный состав в особенности построения ЦУП.

Центральный управляющий процессор (ЦУП) предназначен для аппаратной поддержки функционирования ядра операционной системы (ОС) Многопроцессорной векторной ЭВМ М-1З.

С точки зрения организации вычислений на ЦУП выполняются следующие функции ОС: 

• переключение процессов;
• обработка прерываний;
• организация вычислений в реальном масштабе времени на входящих в состав ЭВМ М-13 процессорах: центральном процессоре (ЦП), мультиплексном канале (МПК), процессоре обработки функций (ПОФ), устройстве управления КОДОВЫМИ шинами (УКШ).

Кроме того, ЦУП принимает и обрабатывает сигналы об ошибках от всех устройств ЭВМ и реагирует на сигналы, поступающие от центрального пульта управления, организуя диалог оператора с ЭВМ М-13.

ЦУП представляет собой мини-ЭВМ, система команд которой в основном совпадает с системой команд ДП. Существует, однако, ряд отличий. В частности, в ЦУП отсутствуют команды над числами с плавающей запятой. Путем включения специфичных для ЦУП команд типа <УПРАВЛ-1> расширены команды типа <УПРАВЛ>.

Команды типа “УПРАВЛ- 1” осуществляют управление интерфейсами, таймерами, блокировкой контрольного интерфейса состояния устройств (КИСУ), установку регистров сигнализации и диагноза, управление автоматом обмена между местной памятью ЦУП и памятью ЭВМ (ОПГ, ППГ), управление системой прерываний, возврат после выполнения программы.

Структурная схема ЦУП представлена на рисунке, где

• ОП — оперативная память ЦУП;
• ПП — постоянная память ЦУП;
• УУ — узел управления;
• КМ — коммутатор информации;
• АТ — узел адресных требовании;
• УОб — узел управления обменом информации;
• МК — мультиплексный канал;
• АЛУ — арифметико-логическое устройство;
• ОВП — узел обмена с внешней памятью;
• УКШ — устройство управления кодовыми шинами;
• ИПУ инженерный пульт управления;
• МПК — мультиплексный канал;
• ПОФ — процессор обработки функций;
• ЦУУ — центральное устройство управления;
• КИСУ — контрольный интерфейс состояния устройств.

Структурная схема ЦУП

Команды, исполняемые ЦУП, могут храниться как во внутренней памяти ЦУП, так и в главной или большой памяти ПП, с которыми ЦУП связан шинами чтения и записи (ШЧт и ШЗп). Формат главной памяти зависит от комплектации и содержит 128, 256 или 512 информационных разрядов. Внутренняя память ЦУП состоит из оперативной (ОП) и постоянной (ПП) памяти. Формат обращения к ОП или ПП — 8 байт (1 строка). Накопитель оперативной памяти реализован на микросхемах 132РУ4. Время обращения к оперативной памяти — 300 нс. 

Емкость оперативной памяти — 32 Кбайта. В качестве постоянной памяти в устройстве ЦУП используется стандартный блок ЭВМ М-13 из устройства постоянной памяти — блок ППГ 036. Время обращения к ПП ЦУП не менее 600 нс. Емкость ПП ЦУП 16 Кбайт.

Выполнение каждой команды состоит из последовательности шагов:

1. Команда поступает в узел УУ ИЛИ ИЗ главной/большой памяти ЦП через узел ОВП или из ОП/ПП ЦУП (минуя узел ОВП).
2. Команда дешифрируется и интерпретируется в узле УУ, в результате чего выполняются все предписанные ей действия.
3. Текущее состояние счетчика команд увеличивается на формат команды, и после записи результатов ее выполнения в ОП ЦУП или главную память происходит чтение следующей команды.
   Интерпретация команд ЦУП производится микропрограммным способом, который позволяет не только упростить схему узла управления, но и перевести часть программ операционной системы (ОС) на микропрограммный уровень посредством экстракодов. Кроме того, микропрограммное построение устройства ЦУП позволило написать микропрограммный внутренний тест устройства ЦУП, который не только достаточно полно проверяет работу устройства в рабочем режиме, но и диагностирует обнаруженные ошибки.
4. Все микропрограммы хранятся в прожигаемой памяти ЦУП, входящей в состав УУ и реализованной на микросхемах 556РТ5. Формат каждой микрокоманды — 6 байтов (5 информационных и один контрольный байт).

Микрокоманды устройства ЦУП относятся к одному из трех типов:

• ПУ — микрокоманды процессорного узла;
• РП — микрокоманды работы с памятью;
• УУ — микрокоманды узла управления.

Тип микрокоманды определяется по трем левым разрядам ее кода.

Микрокоманда любого типа состоит из двух частей: операционной, которая определяет действия, производимые над числовой информацией, и управляющей, которая задает последовательность выбора микрокоманд.

Общий объем памяти микрокоманд устройства ЦУП — ЭК 6-байтных слов, причем встроенный тест, интерпретация команд и экстракоды программ ОС занимают по 1К слов. В устройстве ЦУП предусмотрена возможность использования в качестве памяти микропрограмм микросхем 556РТ7, что позволяет увеличить область памяти для перевода примитивов ядра ОС на микропрограммный уровень до 10К слов.

Связь ЦУП с другими устройствами ЭВМ М-13 осуществляется через узел МК и узел ИНТЕРФЕЙСЫ.

Исполняя программы ОС, ЦУП связывается по интерфейсам с соответствующими устройствами (ЦУУ, ПОФ, УКШ, МПК, ИПУ), внешними для него, и реагирует на внешние для него события. Признаками таких событий служат сигналы запросов. Реакция ЦУП на некоторый запрос состоит в том, что программа, выполняемая в данный квант времени, прерывается и вместо нее начинает работать другая программа, которая производит следующие действия по обработке запроса: прием информации, сопровождающей запрос; анализ этой информации; выдача управляющих команд по интерфейсам, которые требуются для обработки данного запроса: возврат в прерванную программу.

Для того чтобы иметь возможность продолжить выполнение прерванной программы, необходимо сохранять состояние ее внутренних регистров. Эти регистры ( R , M , AM ) составляют “фотографию” процесса. Объем “фотографии” — 2К байтов. Комплект внутренних регистров реализован на части ячеек ОП ЦУП. Исходя из объема ОП ЦУП (32К байта), в ЦУПе предусмотрены 16 уровней прерываний. Состав регистров одного уровня представлен в табл. 1. 16 групп регистров (областей ОП ЦУП) поддерживают вычисления на уровнях и позволяют переходить с уровня на уровень без съемки “фотографий” прерванных процессов.

Сигналы запросов на прерывания заведены каждый на свой индикатор программ. Каждый из сигналов взводит свой индикатор, который гасится при возврате из прерывания.

Таблица 1 

В ЦУПе 8 интерфейсных в 8 программных индикаторов. Количество программных уровней соответствует числу виртуальных машин ядра ОС. Каждому индикатору соответствует свой единственный уровень памяти и наоборот. Каждый уровень представляет собой процесс, работающий на своих области памяти и регистрах. Между процессами установлен абсолютный приоритет: наиболее приоритетным считается процесс с меньшим номером уровня. Распределение устройств по приоритетным уровням показано в табл. 2. 

Таблица 2 

Интерфейсные команды поступают от ДУП к другим устройствам и обратно. Информация, сопровождающая интерфейсные команды, располагается на тех же шинах в следующих за командами тактах. Разрядность шин и длительность такта обмена между ЦУП и другими устройствами представлена в табл. 3. 

Таблица 3 

Кроме интерфейсных функций команды типа УПРАВЛ-1 осуществляют:

1. Операции над таймерами, позволяющие погасить, запомнить их состояние или установить новое. Возможны и комбинации этих действий. Каждый из двух таймеров может работать в одном из трех диапазонов: Т (1) -от 1,2 мкс до 1,23 мс; Т (2) -от 154 мкс до 157 мс; Т (3) — от 1,23 мс до 1,25 с. Шаг установки периода равен нижнему пределу соответствующего диапазона.

2. Операции установки индикаторов и масок, позволяющие управлять системой прерываний устройства ЦУП.

3. Операции блокировки КИСУ, позволяющие маскировать сигналы прерываний по КИСУ. Контрольный интерфейс состояний устройств предназначен для сбора со всех устройств ЭВМ результатов работы схем контроля, а также набора, индикации и гашения некоторых функциональных регистров устройств.

Для ЦП введена одна особая команда “Снятие/восстановление фотографии”. При ее выполнении ДУП посылает в ПП последовательность из 24 команд, в результате выполнения которых в ДП снимается (запоминается в местной памяти ДП) фотография текущего процесса или восстанавливается (переписывается из местной памяти во внутренние регистры ДП) снятая фотография для продолжения прерванного процесса. Пока выполняется эта команда интерфейс ЦП занят и не может выполнять другую команду. Но остальные интерфейсы свободны, и ЦУП, запустив эту команду и получив от ЦП подтверждение приема команды, может начать выполнение любой другой команды.

Устройство ЦУП занимает один шкаф ЭВМ М-13. Аппаратура шкафа реализуется в основном на интегральных микросхемах серии 133 и 530.

Оперативная память построена па интегральных микросхемах сёрии 132РУ4. Память микропрограмм — на микросхемах 556РТ5.

Литература

1. Карцев М. А.  Архитектура цифровых вычислительных машин. М.: Наука,1978-295 с. 
2. Миллер Л. Я. Архитектура многопроцессорной векторной ЭВМ, предназначенной для обработки в реальном масштабе времени больших потоков сигнальной информации //Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. — 1988. — Вып. 12. — С. 3-5.
3. Майер С. Г.  Архитектура современных ЭВМ. — М.: Мир, 1985. — 386 с. 

Статьи об ЭВМ М-13 
Сборник “Вопросы радиоэлектроники”, серия “Электронная вычислительная техника”, выпуск 16, 1991 г.
Перепечатывается с разрешения авторов.
Статья помещена в музей 21.06.2007 г.