Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет)”

Е.Л.ИВАНОВ Е.В.БРАЖНИКОВА

Организация эвм и систем часть 2

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА 2007

Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» по специальности «Электронные вычислительные машины, системы и сети».

Материалы, касающиеся классификации ЭВМ и систем, принципов организации процессоров с CISC и RISC архитектурой команд, а также алгоритмов исполнения команд, были рассмотрены в учебном пособии «Организация ЭВМ и систем. Часть 1».

Предлагаемое учебное пособие является продолжением.

В нем рассмотрены вопросы, связанные с организацией конвейеров и построением устройств управления.

Дается классификация конвейеров по способу их организации, по выполняемым функциям. Рассматриваются вопросы их производительности, влияние латентности на производительность многофункциональных конвейеров. Особое внимание уделяется конвейерам команд и возникающим при их работе конфликтам, таким как структурные конфликты, конфликты по данным и по управлению. Данный раздел сопровождается временными диаграммами и примерами. Приводятся способы разрешения указанных конфликтов.

В разделе по организации управления процессором рассмотрена классификация устройств управления. Особое внимание уделено организации микропрограммных автоматов с жесткой и программируемой логикой. Теоретический материал сопровождается примерами построения различного типа микропрограммных автоматов.

Используя многолетний опыт преподавания таких дисциплин как «Теория и проектирование ЭВМ», «Организация ЭВМ и систем», авторы постарались изложить материалы предельно кратко, сопровождая каждый раздел необходимым иллюстрационным материалом.

1. Конвейерная обработка информации

1. Анализ загрузки устройств эвм при последовательной обработке команд

Анализ работы основных устройств и блоков ЭВМ при последовательной обработке команд и данных показывает, что в каждый интервал времени работает только одно из устройств. Остальные находятся в режиме ожидания. Предположим, что процессор выполняет команду арифметической операции, которая имеет следующий формат:

КОП

R1

R2

А3

В поле КОП указан код операции, допустим, «сложение»;

R1 и R2 – прямые адреса операндов в РОН;

А3 – прямой адрес результата в ОЗУ.

На цикле выполнения команды можно видеть (рис.1) занятость того или иного устройства или блока.

Рис.1

Программный счетчик (СЧАК) за цикл исполнения команды (Тц. ком.) опрашивается только один раз при выборке команды, обращения к ОЗУ процессор осуществляет при выборке команды и для записи результата; к РОН обращение производится за исходными операндами, а основное устройство по обработке данных (АЛУ) включается в работу только в конце цикла исполнения команды. Таким образом, ресурсы ЭВМ используются слабо из-за того, что устройства работают последовательно друг за другом.

Целью конвейерной обработки является максимально возможная параллельная загрузка этих устройств. Очевидно, что конвейеризация вычислений существенно повысит производительность ЭВМ.

Практически во всех современных ЭВМ имеют место конвейеры команд. Конвейерная обработка данных широко применяется в вычислительных система класса ОКМД при обработке векторов.

Прежде, чем рассматривать организацию конвейеров команд и данных рассмотрим общие вопросы построения конвейеров и их свойства.