рукций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера. Иногда называют МП или просто процессором. На компьютерном сленге его называют либо "проц", либо "камень".
1.3. Архитектура фон Неймана
Большинство современных процессоров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом в 1946.
Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана (иначе принстонской) является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти по разным адресам.
.
Важнейшие этапы процесса работы МП приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.
Этапы цикла выполнения:
МП выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса ША и по шине управления ШУ отдаёт памяти команду чтения.
Выставленное число является для памяти адресом. Память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных ШД и по шине ШУ сообщает о готовности.
МП получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её (по подпрограмме, хранимой в ПЗУ).
Если последняя команда не является командой перехода, то МП увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна еди-
13
нице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).
Во время процесса МП считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы МП. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.
Команды МП являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов в секунду называется тактовой частотой.
1.4. Гарвардская архитектура
Существует альтернативный тип архитектуры МП системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд. Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.
14
В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу МП системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.
Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.
В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)? В первую очередь, в быстродействии. Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.
15
1.5. Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через МП, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах. Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):
SISD — один поток команд, один поток данных;
SIMD — один поток команд, много потоков данных;
MISD — много потоков команд, один поток данных;
MIMD — много потоков команд, много потоков данных.
1.6. Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (Pipelining) была введена в ЦП с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер МП с архитектурой IA-32 содержит 6 модулей, корые выполняют стадии обработки:
Модуль шинного интерфейса , ввод/вывод данных.
Модуль предварительной выборки, считывание инструкции и помещение ее в очередь.
Модуль декодирования, выборка инструкции из очереди и ее декодирование.
Модуль выполнения, исполняет последовательность инструкций, полученных от модуля декодирования. операций,
Модуль сегментации, преобразует логические адреса в линейные адреса и выполняет проверки, связанные с защитой памяти.
Модуль страничной организации преобразует линейные адреса в физические адреса памяти, выполняет проверки адресов, связанные с защитой страниц памяти, а также ведет список страниц, к которым недавно осуществлялся
16
Предположим, что каждый этап выполнения команды в процессоре длится ровно 1 машинный такт. На рисунке показана матрица шестиступенчатого выполнения команд в процессоре, не поддерживающем режим конвейерной обработки. Подобный режим выполнения команд был реализован в процессорах фирмы Intel до появления на свет модели Intel486.
Как только завершается этап Э6 выполнения команды К-1, начинается выполнение этапа Э1 команды К-2. При этом для выполнения двух команд К-1 и К-2 требуется 12 машинных тактов. Другими словами, если цикл выполнения команды состоит из к этапов, то для выполнения последовательности из n команд потребуется n x к машинных тактов. Очевидно, что подобный ЦП работает крайне неэффективно, поскольку за 1 машинный такт выполняется только одна шестая часть команды.
В то же время, если в процессоре поддерживается режим конвейерной обработки, то уже на втором машинном такте процессор может приступить к этапу Э1 выполнения новой команды. При этом предыдущая команда будет находиться на этапе Э2 своего выполнения. Таким образом, конвейерная обработка позволяет совместить выполнение двух машинных команд во времени. Как только процессор переходит к этапу Э2 выполнения команды K1, начинается выполнение этапа Э1 команды К-2. Вследствие этогодля выполнения 2 машинных команд требуется уже не 12, а всего лишь 7 машинных тактов. При полной загрузке конвейера, в текуший момент времени работают все 6 его ступеней.
17