Алгоритм работы современного процессора

16. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОРА

   19.

  Структурная схема процессора без соединений между основными узлами приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Основные узлы процессора

   20.

  Функции АЛУ:

• а) выполнение арифметических операций, например, сложения и вычитания;

• б) выполнение логических операций, например, операций И, ИЛИ, НЕ.

АЛУ выполняет операцию над словом данных, которое было "загружено" в специальный внутренний регистр процессора - аккумулятор. Наш гипотетический компьютер имеет один аккумулятор разрядностью 16 бит (длина машинного слова).  

   21.

  В качестве примера рассмотрим выполнение операции ОТРИЦАНИЕ. На рис.5.3 показано, как АЛУ выполнит эту операцию над данными в аккумуляторе.

Рис. 5.3. Операция ОТРИЦАНИЕ.

   22.

  Другие операции, как, например, СЛОЖЕНИЕ, ВЫЧИТАНИЕ, И и ИЛИ требуют два операнда.

Допустим, что число 6₁₀ загружено в аккумулятор (оно в действительности будет загружаться в двоичной форме, т.е. 0000 0000 0000 0110), и мы хотим прибавить к нему число 5₁₀ (0000 0000 0000 0101), которое находится в ОЗУ в ячейке с адресом 2. Данное из ОЗУ должно быть считано в специальный Регистр Данных (РгД).

Выполнение операции иллюстрируется рис. 5.4.

Рис. 5.4. Взаимодействие блоков процессора (команда СЛОЖЕНИЕ).

   23.

  Будем счтитать, что адрес текущей команды или данного в нашем процессоре хранится в специальном регистре адреса памяти (РгАП). Теперь структуру процессора иллюстрирует рис. 5.5.

Рис. 5.5. Регистр адреса памяти в процессоре.

ВЫПОЛНЕНИЕ КОМАНДЫ

   24.

  Основную функцию по координации аппаратных средств при выполнении последовательности команд и каждой команды программы осуществляет устройство управления.  

   25.

  Команды, представленные в форме, в которой они непосредственно используются устройством управления, называются машинными командами, а о программах, написанных машинными командами, говорят, что они написаны в машинном коде.  

   26.

  Машинная команда имеет несколько составных частей. Что касается нашего гипотетического процессора, то первая часть каждой его команды содержит код операции, которую нужно выполнить. Остальная часть команды адресует операнд.

Например, команда СЛОЖЕНИЕ начинается с кода операции - 0010₂, далее идет адрес операнда - 0000 0000 0010₂ (рис. 5.6). Один из операндов всегда находится в аккумуляторе (второе слагаемое). Результат всегда помещается в аккумулятор.

Рис. 5.6. Формат команды СЛОЖЕНИЕ.

   27.

  Обратим внимание на то, что каждая ячейка в ОЗУ может содержать данные или команды, и эти данные и команды с точки зрения двоичного кода неразличимы. Программист, работающий в машинном коде, несет ответственность за то, где в ОЗУ находятся данные, и где команды, чтобы данные не были использованы как команды и наоборот.  

   28.

  Взаимодействие блоков процессора при выполнении команды СЛОЖЕНИЕ схематично показано на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Взаимодействие блоков процессора при выполнении команды СЛОЖЕНИЕ.

   29.

  Для временного хранения машинной команды используется специальный регистр, содержимое которого интерпретируется как команда - Регистр Команды (РгК).  

   30.

  Итак, команда, записанная в РгК, имеет две части: функциональную и адресную.  

   31.

  Последовательность выполнения команды:

• а) устройство управления декодирует функциональную часть команды, интерпретируя ее как операцию сложения;

• б) адрес операнда из адресной части РгК пересылается в РгАП;

• в) устройство управления инициирует чтение операнда из ячейки, адрес которой находится в РгАП, и загрузку операнда в РгД. Таким образом, 5 из второй ячейки оказывается в регистре данных;

• г) АЛУ выполняет операцию (сложение) над содержимым РгД и аккумулятора. А результат по сигналу устройства управления будет занесен в аккумулятор. Таким образом, к концу команды сложения содержимое аккумулятора равно 11.

Этим завершается выполнение команды.

ВЫБОРКА СЛЕДУЮЩЕЙ КОМАНДЫ

   32.

  Когда устройство управления завершит выполнение команды, оно должно выбрать следующую команду из памяти в РгК. Адрес следующей команды содержится в специальном регистре, называемом Счетчиком Команд (СчК). Всякий раз при выборке команды устройство управления одновременно увеличивает содержимое СчК на единицу, чтобы после выполнения команды можно было произвести выборку следующей. Таким образом, устройство управления работает с командами в порядке, в котором они помещены в ОЗУ. Подобная ситуация иллюстрируется на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Структура цепей выборки команды

   33.

  Последовательность выборки команды:

• а) копируется адрес следующей команды из СчК в РгАП (адрес 8 в примере на рис.5.8);

• б) прибавляется 1 к содержимому СчК СчК:=СчК+1 ( 9 );

• в) содержимое ячейки (команда), которая адресуется РгАП, пересылается в РгД;

• г) содержимое РгД копируется в РгК.

Этим выборка завершается.

   34.

  Цикл процессора - процесс обработки каждой команды, состоящий из двух этапов: выборка и исполнение.  

   35.

  В примере выполнения операции СЛОЖЕНИЕ считалось, что одно из слагаемых уже в аккумуляторе. Как оно попадает туда? Для этой цели существует команда ЗАГРУЗКА в аккумулятор. Если данное из памяти необходимо иметь в аккумуляторе, его надо скопировать в РгД, а затем в аккумулятор. Этот процесс называется загрузкой данных в аккумулятор. Команда ЗАГРУЗКА состоит из кода операции загрузки и адреса операнда (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Формат команды ЗАГРУЗКА

   36.

  Запоминание содержимого аккумулятора - команда СОХРАНИТЬ. Содержимое аккумулятора пересылается по адресу, определенному в адресной части команды.    

КОМАНДЫ ПЕРЕХОДОВ

   37.

  Ранее было сказано, что устройство управления имеет дело с командами в порядке, в котором они помещены в ОЗУ, значение СчК увеличивается на 1 после выполнения очередной выборки. Тем не менее эта последовательность может быть изменена посредством специальных команд, называемых командами перехода (или ветвления). Есть два типа команд перехода:

• а) команда безусловного перехода;

• б) команда условного перехода.

   38.

  Команда безусловного перехода. Когда устройство управления выполняет команду безусловного перехода, оно заменяет адрес в СчК адресом операнда, указанным в команде перехода. Когда производится следующая выборка, команда будет выбираться по новому адресу (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Безусловный переход

   39.

  Команда условного перехода изменяет СчК, если встречается определенное состояние. Это проиллюстрировано рис. 5.11.

Рис. 5.11. Условный переход

ВВОД И ВЫВОД

   40.

  Подробное изложение того, как центральный процессор вводит данные с периферийных устройств или выводит их сложно для простого объяснения. Следующие понятия могут дать некоторое представление:

• а) обычная команда ввода/вывода - передача символа на устройство. Периферийные устройства имеют номера (или адреса), которые указываются в адресной части команды;

• б) в медленных устройствах, например, на экран дисплея, данные передаются блоками как потоки символов. Эти передачи инициируются машинными командами, но завершаются автоматически аппаратными средствами.

СПОСОБЫ АДРЕСАЦИИ

   41.

  В приведенных ранее примерах адреса, помещенные в адресной части команды, передавались в РгАП без изменений. Данный способ адресации носит название - непосредственная (или абсолютная) адресация.

Данное в адресной части команды - исполнительный адрес операнда. Непосредственная адресация - простая, быстрая и эффективная, но адресуемое пространство ограничено. В выше указанном примере 12 битов позволяют определить 2¹² - 4096₁₀ ячеек памяти для адресации. Эту проблему можно преодолеть:

• а) использованием более длинных слов;

• б) использованием более чем одного слова для адреса, например, следующую ячейку (расширенный адрес);

• в) использованием альтернативных методов.

   42.

  Косвенная адресация. Если используется косвенная адресация, то содержимое адресной части команды не является адресом операнда. Этот адрес содержит адрес ячейки, в которой находится адрес операнда.  

   43.

  Индексная адресация. Для этого способа характерно то, что необходимый адрес получается сложением содержимого адресной части команды с числом, загруженным в специальный регистр, называемый индексным регистром (РгИ), или регистром модификации (рис.5.12).

Рис. 5.12. Блоки процессора, связанные с индексной адресацией

Загрузка в индексный регистр может производиться целым рядом методов в соответствии с используемым компьютером. В нашем гипотетическом компьютере мы будем считать, что индексный регистр может быть загружен из аккумулятора посредством специальной команды.  

   44.

  Прямая адресация. В этом способе данные помещаются в аккумулятор непосредственно с помощью команды, т.е. без обращения к памяти. Поэтому вводится команда загрузки в аккумулятор числа (код операции должен отличаться от кода команды загрузки из ОЗУ в аккумулятор, описанной ранее).  

   45.

  Суммируя вышеизложенное, представим элементы и связи процессора компьютера - структурную схему - в следующем виде (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Структурная схема процессора