Лекция 5. Процессоры

Процессор занимает в архитектуре ЭВМ центральное место, осуществляя управление взаимодействием всех основных компонент, входящих в состав ЭВМ. Он непосредственно осуществляет обработку информации и программное управление данными процессом: дешифрует и выполняет команды программ, организует обращение к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует операции ввода/вывода и работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие как от устройств ЭВМ, так и из внешней среды (организация системы прерываний). Выполнение каждой команды состоит из выполнения более мелких операций микрокоманд, выполняющих определенные элементарные действия. Набор микрокоманд определяется системой команд и логической структурой конкретной ЭВМ. Таким образом, каждая команда ЭВМ реализуется соответствующей микропрограммой, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Для определения временных соотношений между микрокомандами устанавливается единица времени (такт), в течение которой выполняется самая продолжительная микрокоманда. Поэтому выполнение одной команды ЭВМ требует, как правило, нескольких тактов, в течение каждого из которых выполняется одна или несколько микрокоманд микропрограммы, реализующей данную команду ЭВМ. Границы тактов задаются синхроимпульсами, генерируемыми специальным устройством процессора тактовым генератором; тактовая частота (измеряемая в МГц) в значительной степени определяет быстродействие ЭВМ.

Микропроцессор ПК представляет собой, по существу, миниатюрную вычислительную машину, размещенную в одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС). На одном кристалле сверхчистого кремния с помощью сложного, многоступенчатого и высокоточного технологического процесса создано несколько миллионов транзисторов и других схемных элементов, соединительные провода и точки подключения внешних выводов

В настоящее время микросхема, кроме собственно процессора может содержать и другие дополнительные устройства, в том числе:

Система управления шиной;

Кэш-память;

Средства поддержки виртуальной памяти;

Средства защиты памяти.

Процессор в определенной последовательности выбирает из памяти инструкции и выполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительном процессе. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессора (CPU Central Processing Unit), который исполняет основную программу

Укрупненная схема центрального процессора (ЦП) представлена на рис.4.1, где изображены только основные его блоки: управляющие регистры (УР), устройство управления (УУ), ПЗУ, арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистровая память (РП), кэш-память и интерфейсный блок (ИБ). Наряду с перечисленными ЦП содержит ряд других блоков (прерывания, защиты ОП, контроля и диагностики и др.), которые здесь не рассматриваются.

Рис. 4.1. Функциональная схема центрального процессора

Блок УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством посылки управляющих сигналов: обмен данными ЦП ОП, хранение и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование и диагностика и др. Поэтому УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП; однако на практике большинство управляющих схем распределены по всей ЭВМ. Они связаны большим числом управляющих линий, передающих сигналы для синхронизации операций во всех устройствах ЭВМ и принимающих сигналы о их состоянии. Важной составной частью УУ является панель или консоль, динамически отображающая работу УУ (а значит и ЭВМ) и позволяющая оператору визуально ее отслеживать и влиять (при необходимости) на последующий ход обработки. В ПК функции консоли с более ограниченными возможностями выполняют клавиатура и дисплей, отображающая, в основном, ход вычислительного процесса, а не работу собственно устройств компьютера.

Блок УР предназначен для временного хранения управляющей информации и содержит регистры и счетчики, участвующие совместно с УУ в управлении вычислительным процессом: регистр состояния ЦП, счетчики команд и тактов, регистр (вектор) запросов прерываний и др. Примером регистра состояния ЦП служит слово состояния программы (ССП); счетчик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес выполняемой команды (в период выполнения команды его содержимое обновляется на адрес следующей команды); регистр команд (РК) содержит выполняемую команду.

Блок РП содержит регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объема, позволяющие повысить быстродействие и логические возможности ЦП. Эти регистры служат для хранения операндов, результатов операций.

Блок АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из ОП и хранящимися в РП и работает под управлением УУ. АЛУ служит для выполнения любой операции, задаваемой ему УУ. В общем случае обрабатываемая в ЭВМ информация состоит из слов, содержащих фиксированное число n битов (например, n=8,16,32,64,128,бит). В этом случае АЛУ должно иметь возможность производить операции над n-битными словами: поступают из ОП на регистры АЛУ, а УУ указывает операцию, которую необходимо над ними произвести; результат каждой арифметико-логической операции сохраняется в специальном регистре-сумматоре.

Сумматор соединен с элементарными логическими схемами (вентилями) для выполнения необходимых операций над его содержимым и содержимым других регистров.

Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ). В частности, ИБ содержит два регистра, обеспечивающие связь с ОП регистр адреса памяти (РАП) и регистр данных памяти (РДП). Первый регистр используется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен данными, а второй содержит собственно данные обмена.

Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.

С учетом сказанного представим общую схему выполнения программ процессором. Выполнение программы, находящейся в ОП, начинается с того, что в счетчик команд (СК) засылается адрес первой ее команды; содержимое СК пересылается в РАП и в ОП посылается сигнал управления считыванием. Через некоторое время (соответствующее времени доступа к ОП) адресуемое слово (в данном случае первая команда программы) извлекается из ОП и загружается в РДП; затем содержимое РДП пересылается в СК. На этой стадии команда готова для декодирования ее УУ и выполнения. Если команда содержит операцию, которая должна быть выполнена АЛУ, то необходимо получить следующие операнды. Если операнд находится в ОП (а он может быть также в УР), его необходимо выбрать из памяти. Для этого в РАП пересылается адрес операнда и начинается цикл чтения. Операнд, выбранный из памяти в РДП, может быть передан в АЛУ. Выбрав таким образом один или несколько операндов, АЛУ может выполнить требуемую операцию, сохранив ее результат в одном из РОН. Если результат операции необходимо запомнить в ОП, он должен быть послан в РДП. Адрес ячейки, в которую необходимо поместить результат, пересылается в РАП и начинается цикл записи. Между тем содержимое СК увеличивается, указывая следующую команду, которая должна выполняться. Таким образом, как только завершится выполнение текущей команды, может сразу начаться выборка на выполнение следующей команды программы. Помимо передачи данных между ОП и ЦП необходимо обеспечить обмен данными с ВУ, что делают машинные команды, управляющие вводом/выводом. Естественный порядок выполнения программы может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которое осуществляется ЦП, выполняющим соответствующую программу обработки прерывания (ПОП). Так как прерывание и его обработка могут изменить внутреннее состояние ЦП, то оно сохраняется в ОП перед началом работы ПОП. Сохранение состояния достигается пересылкой содержимого РК, УР и некоторой управляющей информации в ОП. После завершения ПОП состояние ЦП восстанавливается, позволяя продолжить выполнение прерванной программы.

В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение каких либо специфических функций (математические сопроцессоры, графические сопроцессоры, сопроцессоры ввода-вывода), разгружающие центральный процессор, от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами.

Мировой промышленностью выпускаются разнообразные типы центральных микропроцессоров. В табл. 4.1 показаны некоторые из процессоров, выпускаемых и выпускавшихся в недавнем прошлом компанией Intel — лидером в этой области.

Таблица 4.1. Примеры центральных микропроцессоров

Обозначение	Число транзисторов на кристалле	Разрядность шины данных	Тактовая частота, МГц	Адресуемая память
18008	3500	8	0,8	16 Кбайт
i8080	6000	8	2	64 Кбайт
iBoae	29000	16	4; 8; 10	1 Мбайт
I80286	134000	16	8; 12; 16	16 Мбайт
i80386DX	275 000	32	20; 25; 33;40	4 Гбайт
180486DX	1 200000	32	25; 33; 50; 66	4 Гбайт
Pentium	3100 000	32	60 . . .200	4 Гбайт
Pentium Pro	5500 000	32	160 ...200	4 Гбайт

Основными параметрами микропроцессоров являются: набор выполняемых команд (определяется архитектурой микропроцессора), разрядность, тактовая частота.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операции (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1000000 Гц). Работа микропроцессора синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие. Следует помнить, что тактовая частота служит лишь относительным показателем производительности процессора, поскольку схемные различия процессоров приводят к тому, что в некоторых из них за один такт выполняется работа, на которую другие расходуют несколько тактов.

Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие "разрядность" включает:

Разрядность внутренних регистров микропроцессора;

Разрядность шины данных;

Разрядность шины адреса

Определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между микропроцессором и другими устройствами. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство микропроцессора, т.е. максимальное количество полей (байтов) памяти, к которым можно осуществлять доступ.

Архитектурой микропроцессора (МП) часто называют организацию (в данном случае МП) с точки зрения пользователя. Описание архитектуры МП в таком понимании включает описание пользовательских возможностей программирования (в частности состава регистров МП), системы команд, способов адресации, (логической) организации памяти, средств ввода-вывода и типов обрабатываемых данных. С этой точки зрения архитектуры МП считается одинаковыми, если последние способны выполнять одни и те же программы. В контексте аппаратных средств под термином "архитектура МП " понимают принцип действия МП, конфигурацию (состав) и взаимное соединение его основных узлов.

Рассмотрим следующие элементы архитектуры МП:

Систему команд и способы адресации;

Возможность совмещения выполнения команд во времени;

Наличие дополнительных устройств и узлов в составе МП;

Режимы работы МП.

Система команд представляет совокупность команд, которые способен выполнить МП. Она включает полный список кодов операций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимые способы их адресации. Способы адресации определяют технику вычислений адресов ячеек памяти (в которых хранятся операнды) и выполнение операций над адресными регистрами. Способы адресации разработаны и используются с целью обеспечения компактных адресных ссылок для случаев, когда машинный адрес имеет слишком большую длину и его неудобно включать в таком виде в команду, либо когда невозможно, либо нет необходимости использовать явный адрес.

В соответствии с составом системы команд различают:

МП с CISC-архитектурой (CISC complex instruction set computer компьютер со сложной системой команд);

МП с RISC-архитектурой (RISC reduced instruction set computer компьютер с сокращенной системой команд).

МП первого типа являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, пересылки и ввода-вывода данных.

МП второго типа появились сравнительно недавно. Их система команд упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за единственный такт (по единственному тактовому импульсу). Такой подход позволяет упростить структуру МП и тем самым повысить его быстродействие. Традиционные операции при этом реализуются последовательностями машинных команд.

По функциональному назначению, определяемому системой команд, МП делятся на универсальные и специализированные.

Некоторые наиболее развитые МП обеспечивают совмещение выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейерную обработку. Эта архитектурная особенностей оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ.

Внешне микропроцессор выглядит (рис. 5.2) как прямоугольная пластмассовая пластина размерами -550,5 см с многочисленными выводами (до 240). На современные высокоскоростные микропроцессоры устанавливается вентилятор (размером со спичечную коробку), необходимый для охлаждения.

Рис. 5.2. Центральный микропроцессор