Тема 3.4. Структура базового микропроцессора
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).
Рис. 16. Логическая структура ЦП
Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 16.):
средства обработки;
средства управления системой и программами;
локальная память;
средства управления вводом/выводом и памятью;
системные средства.
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).
К системным средствам 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.
Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:
Центральное устройство управления;
Арифметико-логическое устройство;
Устройство управления памятью;
Сверхоперативное запоминающее устройство;
Устройство предварительной выборки команд и данных;
И
нтерфейс
магистрали.
Рис.17 Структурная схема микропроцессора
Центральное устройство управления (ЦУУ) 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 устройство (АЛУ) 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.
Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.
Устройство предвыборки 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.
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.
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.