УДК 519.68 ББК 3 97

Козин И.В., Хмельницкий С.В. Синтез специализированных процессоров Учеб.пособие/ЛИАП. Л.» 1987. 105 с.: ил.

I. Структура и функции процессоров

I.I. Процессоры, их назначение и особенности

Всякий алгоритм решения какой-либо задачи есть последовательность выполняемыx друг за другом операций из некоторого фиксированного конечного набора операций. Каждая операция из этого набора реализуется в ЭВМ аппаратно и инициируется (возбуждается командой). Команда - это машинное слово (многоразрядное двоичное число), состоящее из кода операции и адресной части. Адресная часть команды может содержать до трех адресов (номеров) ячеек основной памяти (ОП), в которых находятся операнды (величины, над которыми выполняется операция) и (или) результат операции. Алгоритму в ЭВМ ставится в соответствие последовательность команд, называемая программой. Вся программа или обрабатываемая в данный момент времени ее часть помещается в ОП. Реализация алгоритма на ЭВМ сводится к поочередной выборке команд из ОП и выполнению их оборудованием (аппаратными средствами) ЭВМ. Совокупность оборудования, посредством которого программа порождает вычислительный процесс, называется процессором. ЭВМ и их процессоры, предназначенные для реализации единственного алгоритма, называются специализированными [I, с.З1].

Основным показателем работы специализированного процессора служит максимальное время, затрачиваемое в нём на реализацию алгоритма. Это время не должно превышать заданную величину.

Операции, реализуете в ЭВМ аппаратно, можно разделить на основные, посылочные, операции перехода, ввода-вывода, системные.

Основные операции состоят в преобразовании информации представляющей числа, логические значения, строки символов. В группу основных операций включаются операции двоичной арифметики, арифметики с плавающей запятой, десятичной арифметики, логические операции, сдвиги и операции над строками символов, Конкретно состав основных, операций определяется классом задач, для решения которых предназначена ЭВМ.

Посылочные операции обеспечивают передачу слов из ОП в процессор, загрузку слов в процессор, передачу слов из процессора в ОП, запись слов и запись содержимого одних ячеек ОП в другие, пересылку слов.

Операции перехода служат для управления порядком следованиям команд. Обычно команды выполняются в естественном порядке – в порядке следования их в программе. В ОП они помещаются так, что следующая команда имеет адрес ячейки на единицу больший, чем данная команда. Операции переходов обеспечивают возможность переходам выполнению команды, размеченной в любом месте программы. Переходы могут выполняться безусловно или в зависимости от условий, определяемых текущими значениями признаков, формируемых процессором путем анализа результата выполнения предыдущих операций (отрицательные и нулевые результаты, переполнение, потеря значимости и т.п.).

Операции ввода-вывода служат для передачи информации между внешними устройствами и ОП. Операции ввода-вывода обеспечивают чтение информации с устройств ввода, запись информации на устройства вывода и обмен информацией между ОП и внешними запоминающими устройствами.

Системные операции предназначаются для управления режимами работы ЭВМ. С помощью этих операций производится инициирование и прекращение выполнения программ, организуется мультипрограммная и мультимашинная обработка информации, работа ЭВМ в реальном масштабе времени, переключение средств защиты памяти.

Операции выделяются посредством кодов. Код операции (КО) указывается в команде. Для кодирования операций используются двоичные коды минимальной длины.

Процессор выполняет все операции за исключением операций ввода-вывода информации. Вычислительный процесс реализуется процессором следующим образом.

1. Выбирается очередная команда из ОП.

2. Проверяется возможность выполнения выбранной команды, в случае невозможности ее выполнить работа по данной программе прекращается.

3. Выбираются операнды из ОП по адресам, указанным в команде.

4. Выполняется операция, соответствующая КО выбранной команды.

5. Осуществляется запись результата в ОП.

6. Вырабатывается адрес следующей команды.

7. Осуществляется переход к выполнению п.1.

Цикл этих действий повторяется до тех пор, пока работу процессора не остановит очередная команда или оператор с пульта управления. Для запуска процессора в работу должна иметься возможность занесения в него с пульта адреса начальной команды (пускового адреса). Команды ввода-вывода, как и любые другие команды, поступают в процессор, но функции процессора в отношении этих команд чаще всего ограничиваются инициированием операций ввода-вывода, а сами операции реализуются устройствами ввода-вывода.

Обращения к ОП обычно составляют значительную часть общих затрат времени при обработке информации на ЭВМ. По этой причине в процессе вычислений результат операции целесообразно оставлять в процессоре, если этот результат будет использован в качестве операнда в следующей операции. Для обеспечения хранения промежуточных результатов в процессор необходимо ввести память, позволяющую хранить, по крайней мере, одно слово информации. Еще большего эффекта можно достигнуть, если процессор снабдить памятью, достаточной для хранения нескольких слов. Память, являющаяся частью процессора и используемая для хранения промежуточных результатов и вспомогательных величин, называется внутренней памятью (ВП) процессора.

Если ВП процессора содержит фиксированную ячейку (регистр) для хранения результата операции, в адресную часть команды может быть введено поле признака засылки (ПЗ), указывающего на то, остается ли результат данной операции в процессоре или записывается в ОП. При наличии в ВП более чем одной ячейки, часть адресов некоторых команд, или все их адреса, могут быть адресами ячеек ВП.

Адреса в команде обычно задают номера ячеек ОП или ВМ, в которых находятся операнды или в которые нужно поместить результат операции (прямая адресация), но могут содержать и сами операнды констант (непосредственная адресация). Иногда в адресной части команды указывается не адрес операнда или результата операции, а адрес ячейки ОП или ВП, в которой находится адрес операнда (косвенная адресация). Если адрес может быть прямым, непосредственным или косвенным, адресная часть команды должна иметь поле признака адресации, указывающего на тип используемой в команде адресации. Отдельные команды могут быть связаны с операндами, имеющими фиксированное местоположение в ячейках памяти процессора или ОП. В таком случае адреса в команде не указываются, а только подразумеваются (неявная адресация). Если в качестве операндов используются элементы массивов, адрес операнда является суммой базового адреса (адреса первого элемента массива) и индекса. В команде с таким операндом может быть указан только базовый адрес массива в ОП и адрес ячейки ВП, в которой хранится значение индекса. Подобный способ изменения адреса, указанного в команде, называется индексацией. При организации мультипрограммного режима работы ЭВМ необходимо иметь возможность размещать данные и программы в любой свободной области памяти. Для обеспечения этого используется относительная адресация, основанная на размещении базовых адресов массивов в ВП и представлении всех адресов, кроме непосредственных, в виде двух полей, первое из которых определяет адрес ячейки ВП, где размещается базовый адрес массива, второе содержит порядковый номер элемента в массиве. Адрес операнда является суммой базового адреса массива и номера элемента в массиве. При относительной адресации используется и модификация адресов. В этом случае адресная часть команды содержит также адрес ячейки ВП, где хранится значение индекса. Если этот адрес равен нулю, относительный адрес не модифицируется если отличен от нуля, к относительному адресу прибавляется значение индекса. Страничная организация ОП естественным образом приводит к использованию относительной адресации.

Во внутренней памяти процессора используют как прямую адресацию, так и магазинную. Память с магазинной адресацией, часто называемая как стековая память (или стек) работает последовательно; если новое слово засылается в ее верхнюю ячейку (ячейку с максимальным номером), то уже записанная информация сдвигается на одну ступень в более низкие (с меньшими номерами) ячейки памяти, Если происходит считывание слова из стека, то, прежде всего, выбирается последнее поступившее слово, а вся остальная записанная информация сдвигается на одну ступень выше. Указанный сдвиг информации в памяти часто бывает только символическим, так как в действительности обычно не происходит ее физического перемещения. Иногда по принципу стека организуется часть ОП.

Количество адресов, используемых в команде, называется адресностью команды и определяет адресность ЭВМ. В зависимости от адресности команды подразделяется на нульадресные, одноадресные и т.д. Количество двоичных разрядов в команде, количество полей, используемых для кодирования элементов команды (операций, адресов и признаков), и расположение полей определяют формат команды.

Совокупность команд, соответствующая набору всех операций и способов адресации информации, реализуемых оборудованием ЭВМ, называется системой команд ЭВМ. Выбор той или иной системы команд ЭВМ. Выбор той или иной системы команд ЭВМ зависит от назначения последней. Система команд специализированной ЭВМ находится путем анализа соответствующего алгоритма.