Архитектурная организация процессора

Процессор занимает в архитектуре ЭВМ центральное место, осуществляя управление взаимодействием всех основных компонент, входящих в состав ЭВМ Он непосредственно осуществляет обработку информации, и программное управление данным процессом дешифрирует и выполняет команды программ, организует обращения к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует операции ввода / вывода и работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие как от устройств ЭВМ, так и из внешней среды (организация системы прерываний). Выполнение каждой команды состоит из выполнения более мелких операций — микрокоманд, выполняющих определенные элементарные действия. Набор микрокоманд определяется системой команд и логической структурой конкретной ЭВМ. Таким образом, каждая команда ЭВМ реализуется соответствующей микропрограммой, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). В некоторых ЭВМ (в первую очередь, специализированных) все или часть команд реализуются аппаратно, что позволяет повышать их производительность за счет потери определенной части гибкости системы команд машины. Как один, так и второй способ реализации команд ЭВМ имеет свои плюсы и минусы.

Язык микропрограммирования предназначен для описания цифровых устройств, функционирующих на уровне регистров. Он имеет простые и наглядные средства описания машинных слов, регистров, шин и других базовых элементов ЭВМ. С учетом сказанного, иерархию языков описания вычислительного процесса на ЭВМ можно представить, в общем случае, на четырех уровнях: (1) булева операция (функционирование комбинационных ЛС) => (2) микрокоманда (функционирование узлов ЭВМ) => (3) команда (функционирование ЭВМ) => (4) оператор ЯВУ (описание алгоритма решаемой задачи). Для определения временных соотношений между микрокомандами устанавливается единица времени (такт), в течение которой выполняется самая продолжительная микрокоманда. Поэтому выполнение одной команды ЭВМ синхроимпульсами, генерируемыми специальным устройством процессора — тактовым генератором, тактовая частота (измеряемая в МГц) в значительной степени определяет быстродействие ЭВМ. Естественно, для других классов ЭВМ данный показатель иным образом связывается с производительностью, определяемой такими дополнительными факторами, как.

• — ширина доступа в память,
• — время выборки,
• — разрядность,
• — архитектура процессора и его сопроцессоров,

Укрупненная схема центрального процессора (ЦП) некоторой формальной ЭВМ представлена на рисунке, где изображены только основные его блоки управляющие регистры (УР), устройство управления (УУ), ПЗУ, арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистровая память (РП), кэш-память и интерфейсный блок (ИБ). Наряду с перечисленными ЦП содержит ряд других блоков (прерывания, защиты ОП, контроля и диагностики и др.), структура и назначение которых здесь не рассматриваются. Блок УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством посылки управляющих сигналов обмен данными ЦП ОП, хранение и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование и диагностика и др. Поэтому УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП; однако на практике большинство управляющих схем распределены по всей ЭВМ. Они связаны большим числом управляющих линий, передающих сигналы для синхронизации операции во всех устройствах ЭВМ и принимающих сигналы об их состоянии. Блок УР предназначен для временного хранения управляющей информации и содержит регистры и счетчики, участвующие совместно с УУ в управлении вычислительным процессом регистр состояния ЦП, программы (ССП), счетчик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес выполняемой команды (в период выполнения текущей команды его содержимое обновляется на адрес следующей команды), регистр команд (РК) содержит выполняемую команду (его выходы связаны с управляющими схемами, генерирующими распределенные во времени сигналы, необходимые для выполнения команд) Блок РП содержит регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объема, позволяющие повысить быстродействие и логические возможности ЦП. Эти регистры используются в командах путем сокращенной регистровой адресации (указываются только номера регистров) и служат для хранения операндов, результатов операций, в качестве базовых и индексных регистров, указателей стэка и др. В некоторых ЦП базовые и индексные регистры входят в состав блока УТ, как правило, РП выполняется в виде быстродействующих полупроводниковых интегральных запоминающих устройств Блок АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из ОП и хранящимися в РП, и работает под управлением УУ. АЛУ выполняет арифметические операции над бинарными числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, производит обработку символьной информации над словами фиксированной и переменной длины. Логические операции производятся над отдельными битами, группами битов, байтами и их последовательностями. Тип выполняемой АЛУ операции определяется текущей командой функционирующей в данный момент программы, точнее, АЛУ служит для выполнения любой операции, задаваемой ему УУ. В общем случае обрабатываемая ЭВМ информация состоит из слов, содержащих фиксированное число n битов (например n =8. 16. 32, 64, 128 бит). В этом случае АЛУ должно иметь возможность производить операции над n-битными словами операнды поступают из ОП на регистры АЛУ, а УУ указывает операцию, которую необходимо над ними произвести, результат каждой арифметико-логической операции сохраняется в специальном регистре-сумматоре, являющимся основным регистром для арифметико-логических операций.

Сумматор соединен с вентильными схемами для выполнения необходимых операций над его содержимым и содержимым других регистров. Некоторые ЭВМ имеют несколько сумматоров, при количестве, большем 4, они выделяются в специальную группу регистров общего назначения (РОН). Конструктивно АЛУ выполняется на одном или нескольких БИС/СБИС, при этом ЦП может иметь одно АЛУ универсального назначения или несколько специализированных для отдельных видов операции. В последнем случае увеличивается структурная сложность ЦП, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем вычисления отдельных операций. Такой подход широко используется в современных ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ для повышения их производительности Несмотря на различные классы ЭВМ, их АЛУ используют общие принципы выполнения арифметико-логических операции. Различия касаются схемотехнических решений организации АЛУ и принципов реализации операции, обеспечивающих ускорение их выполнения.

Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ), в качестве которых могут выступать другие процессоры и ЭВМ. В частности, ИБ содержит два регистра, обеспечивающие связь с ОП — регистр адреса памяти (РАП) и регистр данных памяти (РДП). Первый регистр используется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен данными, а второй содержит собственно данные обмена. Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.

С учетом сказанного представим общую схему выполнения программ процессором. Выполнение программы, находящейся в ОП, начинается с того, что в СК засылается адрес первой ее команды, содержимое СК пересылается в РАП и в ОП посылается сигнал управления считыванием. Через некоторое время (соответствующее времени доступа к ОП) адресуемое слово (в данном случае первая команда программы) извлекается из ОП и загружается в РДП, затем содержимое РДП пересылается в СК. На этой стадии команда готова для декодирования ее УУ и выполнения. Если команда содержит операцию, которая должна быть выполнена АЛУ, то необходимо получить требуемые операнды. Если операнд находится в ОП (а он может быть также в УР), его необходимо выбрать из памяти. Для этого в РАП пересылается адрес операнда и начинается цикл чтения Операнд, выбранный из памяти в РДП, может быть передан в АЛУ. Выбрав таким образом один или несколько операндов, АЛУ может выполнить требуемую операцию, сохранив ее результат в одном из РОН. Если результат операции необходимо запомнить в ОП, он должен быть послан в РДП Адрес ячейки, в которую необходимо поместить результат, пересылается в РАП и начинается цикл записи. Между тем содержимое СК увеличивается, указывая следующую команду, которая должна выполняться. Таким образом, как только завершится выполнение текущей команды, может сразу же начаться выборка на выполнение следующей команды программы.

Помимо передачи данных между ОП и ЦП необходимо обеспечить обмен данными с ВУ, что делают машинные команды, управляющие вводом / выводом. Естественный порядок выполнения программ может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которое осуществляется ЦП, выполняющим соответствующую программу обработки прерывания (ПОП). Так как прерывание и его обработка могут изменить внутреннее состояние ЦП, то оно сохраняется в ОП перед началом работы ПОП. Сохранение состояния достигается пересылкой содержимого РК, УР и некоторой управляющей информации в ОП. После завершения ПОП состояние ЦП восстанавливается, позволяя продолжить выполнение прерванной программы.