8 Процессоры. Центральный процессор процессоры. Центральный процессор

В области вычислительной техники различают процессоры:

• центральные;

• специализированные;

• ввода/вывода;

• передачи данных;

• коммуникационные.

Центральный процессор (ЦП) — это основное устройство ЭВМ, осуществляющее обработку данных и выполняющее функции управления системой (инициирование ввода/вывода, управление доступом к основной памяти, обработку сигналов, поступающих от различных внешних устройств и от внутренних устройств ЭВМ и др.).

Логическая структура цп

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств:

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины.

Локальная память состоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти.

Средства управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

Системные средства. К ним относятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.

Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:

• регистры общего назначения;

• средства выполнения стандартного набора операций;

• средства управления вычислительным процессом.

Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.

Структурная схема процессора

Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:

• Центральное устройство управления; включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.

Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.

Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.

• Арифметико-логическое устройств; выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

- сумматоры,

- буферные и рабочие регистры,

- специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),

- собственный блок управления (иногда).

Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.

• Устройство управления памятью; (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.

Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.

• Сверхоперативное запоминающее устройство; (СОЗУ) — (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.

• Устройство предварительной выборки команд и данных; включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).

Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.

Во внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.

• Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.

В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:

• несколько целочисленных устройств;

• устройство плавающей точки (блок FPU);

• устройство выполнения переходов;

• устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.