1

Лекция 9. Структура процессора

Структура процессора станет совершенно понятной, если задуматься над тем, какие операции ему предстоит выполнять при обработке машинной команды.

• Извлечение команды — процессор считывает команду из памяти.

• Интерпретация команды — процессор расшифровывает команду и опре­деляет, какие операции ему предстоит выполнить.

• Извлечение данных — для выполнения команды может потребоваться про­честь данные из памяти или из модуля ввода-вывода.

• Обработка данных — выполнение команды может потребовать преобразо­вания данных, т.е. выполнения над ними определенных арифметических или логических операций.

• Запись данных — если в процессе выполнения команды данные были из­менены, результат необходимо где-то зафиксировать. В частности, результат может быть записан в память или передан в модуль ввода-вывода.

Чтобы выполнить перечисленные операции, процессору требуются опреде­ленные средства временного хранения информации. Ему нужно помнить, где на­ходится выполняемая команда, и тогда можно будет определить, откуда выбрать следующую. Ему нужно хранить коды команд и данных во время их обработки. Другими словами, процессор нуждается в собственной внутренней памяти.

На рис. 11.1 представлена упрощенная структурная схема процессора, на кото­рой видно, как он взаимодействует с остальными компонентами компьютера через системную магистраль. Аналогичный интерфейс, как было описано в главе 3, долж­ны иметь все взаимодействующие компоненты компьютера. Читатель должен при­помнить, что главными структурными компонентами процессора являются арифме­тическое и логическое устройство (АЛУ) и устройство (или узел) управления (УУ). На АЛУ возлагаются собственно вычисления, т.е. преобразование информации, а УУ управляет как потоком данных и команд, поступающих в процессор и выходящих из него, так и порядком выполнения операций в АЛУ. Кроме того, на этой схеме показана и внутренняя память процессора — набор регистров.

Более детальная схема процессора представлена на рис. 11.2. На ней обозначены пути передачи данных и сигналов управления, включая и структурный компонент, обозначенный как внутренняя магистраль ЦП. По этой магистрали данные пере­даются между регистрами и АЛУ, поскольку АЛУ может оперировать только с данными, хранящимися в регистрах. На этой же схеме показана и типовая структура АЛУ. Обратите внимание на определенную схожесть структуры компьютера в целом и одного из его компонентов — центрального процессора. В обеих схемах несколько основных компонентов связываются между собой через магистраль.

Рис. 11.1. Укрупненная структурная схема процессора

Рис. 11.2, Внутренняя структура процессора

Организация набора регистров

Память в компьютерной системе име­ет иерархическую структуру. Чем более высокое положение в иерархии за­нимает определенный блок памяти, тем выше его быстродействие, меньше объем и выше стоимость хранения в пересчете на 1 бит. Набор регистров процессора представляет память самого верхнего уровня, находящегося в ие­рархии над уровнями оперативной памяти и кэш-памяти. Регистры процес­сора разделяются по функциям.

• Программно доступные регистры позволяют программисту, разрабатывающему программы на машинном языке или на языке ассемблера, мини­мизировать в программе обращение к оперативной памяти и, где это воз­можно, использовать для хранения промежуточных результатов быстродей­ствующую внутреннюю память процессора.

• Регистры управления и состояния используются для управления функ­ционированием процессора. К этим регистрам иногда могут иметь доступ специальные привилегированные команды, которые используются только в программах операционной системы.

Не существует раз и навсегда узаконенного разделения регистров на эти катего­рии. Например, в большинстве компьютеров счетчик команд, PC, программно недос­тупен, но существуют и такие машины, как VAX, в которых он доступен со стороны программы, как и любой другой. В дальнейших разделах данной главы мы все-таки будем опираться на разделение регистров на эти две категории.