Лекция 5 процессоры. Центральный процессор
В области вычислительной техники различают процессоры:
центральные;
специализированные;
ввода/вывода;
передачи данных;
коммуникационные.
Центральный процессор (ЦП) – это основное устройство ЭВМ, осуществляющее обработку данных и выполняющее функции управления системой (инициирование ввода/вывода, управление доступом к основной памяти, обработку сигналов, поступающих от различных внешних устройств и от внутренних устройств ЭВМ и др.).
1. Логическая структура цп
Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.
Рис. 5.1. Логическая структура ЦП
Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 5.1.):
средства обработки;
средства управления системой и программами;
локальная память;
средства управления вводом/выводом и памятью;
системные средства.
Средства обработки обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины.
Локальная память состоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.
Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти.
Средства управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).
К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.
Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:
регистры общего назначения;
средства выполнения стандартного набора операций;
средства управления вычислительным процессом.
Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.
2. Структурная схема процессора
Структурная схема ЦП изображена на рисунке 5.2.
Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:
Центральное устройство управления;
Арифметико-логическое устройство;
Устройство управления памятью;
Сверхоперативное запоминающее устройство;
Устройство предварительной выборки команд и данных;
Интерфейс магистрали.
Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.
Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.
Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.
Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:
сумматоры,
буферные и рабочие регистры,
специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),
собственный блок управления (иногда).
Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.
Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ)– (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.
Устройство предвыборки команд и данныхвключает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).
Блок предвыборки командосуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.
Во внутренней кэш-памятиосуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.
Устройство управления памятью(диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.
Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.
Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.
Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.
В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:
несколько целочисленных устройств;
устройство плавающей точки (блок FPU);
устройство выполнения переходов;
устройство загрузки/записи.
Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).
Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.