1. Процессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения. Обобщенная структура микропроцессора. Общий алгоритм функционирования.

Процессор — программно-управляемое устройство, выполненное на одной интегральной схеме и предназначенное для цифровой обработки информации и управления этим процессом.

Классификация:

Обобщенная структура микропроцессора

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);

внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других)

2. Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию, основные уравнения работы алу (пример синтеза выражения). Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.

АЛУ непосредственно выполняет микрооперации над исходными операндами. Формально АЛУ — это комбинационная схема (КС), предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно-логических операций над вх данными. Напомним, что комбинационной называется схема, состояние выходных сигналов которой однозначно определяется набором входных сигналов; такая схема не содержит элементов памяти.

В общем случае к АЛУ предъявляются следующие требования:

● выполнение арифметических и логических операций; разнообразие данных операций обеспечивает набор команд, которые сможет выполнять микропроцессор;

● обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций, от этого во многом зависит быстродействие вычислительной системы;

● обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями.

3. Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию. Вариант АЛУ на основе мультиплексирования операций. Схема ускоренного переноса. Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.

4. Архитектура системы команд. Система команд и способы адресации операндов. Классификация архитектур по сложности кодирования инструкций (RISC, CISC). Уровни абстракции представления микропроцессора.

Система команд процессора — это все команды, выполнение которых аппаратно поддерживается процессором.

Архитектура системы команд (Instruction Set Architecture, ISA) включает в себя систему команд и средства для их выполнения, такие как форматы данных, системы регистров, способы адресации, модели памяти.

RISC (Reduced Insrtuction Set Computer) — архитектура с сокращённым набором команд. В так архитектурах поддерживается выполнение относительно небольшой набор простых инструкций (обычно до 100), при том все они имеют одинаковый размер. RISC также является load/store архитектурой, это значит, что для того, чтобы выполнить какую-либо операцию над данными, их необходимо предварительно разместить в регистровом файле. Все операции происходят только с данными в регистровом файле, а для доступа к основной памяти используются специальные инструкции типа load и store.

RISC-V является RISC-архитектурой (мы рассматриваем исключительно её 32-битный вариант). Регистровый файл включает 32 регистра общего назначения, кроме регистра по адресу 0, там находится константное значение 0 (записать в него ничего не получится). Все регистры 32 -битные. АЛУ выполняет операции только над данными размещёнными в регистровом файле. Основная память имеет побайтовую адресацию, при этом считывать из памяти можно байты, полуслова (16 бит) и слова (32 бита).

5. Компиляция программ с языков высокого уровня в машинные коды (представления условных операторов, циклов и вызова подпрограмм на примере языка ассемблера RISC-V). Трансляция, ассемблирование, компоновка.

RISC-V является RISC-архитектурой (мы рассматриваем исключительно её 32-битный вариант). Регистровый файл включает 32 регистра общего назначения, кроме регистра по адресу 0, там находится константное значение 0 (записать в него ничего не получится). Все регистры 32 -битные. АЛУ выполняет операции только над данными размещёнными в регистровом файле. Основная память имеет побайтовую адресацию, при этом считывать из памяти можно байты, полуслова (16 бит) и слова (32 бита)

6. Процессоры с однотактным, многотактным и конвейеризированным устройствами управления. Особенности построения. Достоинства и недостатки каждой из реализаций.

Микроархитектура — это физическая модель процессора, описывающее из каких конкретно функциональных модулей состоит процессор и как они все в нем взаимодействуют. Существуют три способа построения микроархитектуры:

● Однотактная — выполняет всю команду за один такт. Ее принцип работы легко объяснить, а устройство управления довольно простое. Из-за того, что все действия выполняются за один такт, эта микроархитектура не требует никакого неархитектурного состояния (то есть никаких дополнительных регистров, требуемых для работы процессора, но недоступных для использования программистом). Однако, длительность такта ограничена самой медленной командой, использующей самый длинный критический путь

Основным преимуществом однотактной микроархитектуры является простота понимания ее работы. К минусам можно отнести: (1) относительно высокие аппаратные затраты из-за использования дополнительных сумматоров и раздельной основной памяти (гарвардская архитектура, отдельно память команд, отдельно память данных), (2) низкая тактовая частота из-за длинного критического пути, (3) так как разные инструкции проходят разный путь, скорость работы ограничена скоростью самой медленной инструкции.

● Многотактная — выполняет команду за несколько более коротких тактов. Простым командам нужно меньше тактов, чем сложным. Вдобавок, многотактная микроархитектура уменьшает количество необходимой аппаратуры путем повторного использования таких «дорогих» блоков, как сумматоры и блоки памяти. Многотактная микроархитектура предполагает использование буферных (неархитектурных, то есть недоступных программисту) регистров, с целью уменьшения критического пути и поднятия таковой частоты. При этом каждая инструкцию будет выполняться несколько более коротких тактов, используя разное количество тактов для реализации разных инструкций.

● Конвейерная — результат применения принципа конвейерной обработки к однотактной микроархитектуре. Латентность инструкций в конвейерном процессоре выше, чем у однотактного процессора, то есть одна отдельно взятая инструкция выполняется дольше, чем, например, в однотактном процессоре. Однако, пропускная способность конвейера гораздо выше, чем в однотактной микроархитектуре, так как на каждом такте заканчивает выполняться очередная инструкция. Критический путь у такой реализации короче однотактовой, но длиннее многотактовой, однако, по производительности это решение наиболее успешное.

7. Устройство микропрограммного управления. Структура, способы формирования управляющих сигналов, адресация микрокоманд.

8. Подход к проектированию однотактного процессора на примере архитектуры RISC-V. Сравнение с другими подходами к реализации микроархитектуры.

Микроархитектура — это физическая модель процессора, описывающее из каких конкретно функциональных модулей состоит процессор и как они все в нем взаимодействуют. Существуют три способа построения микроархитектуры: Однотактная — выполняет всю команду за один такт. Ее принцип работы легко объяснить, а устройство управления довольно простое. Из-за того, что все действия выполняются за один такт, эта микроархитектура не требует никакого неархитектурного состояния (то есть никаких дополнительных регистров, требуемых для работы процессора, но недоступных для использования программистом). Однако, длительность такта ограничена самой медленной командой, использующей самый длинный критический путь

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ :