Konyukhova_arhitektura

Шифраторы и дешифраторы используются в функциональных блоках и устройствах, где требуются преобразования кодов. Например, шифратор клавиатуры, шифратор и дешифратор адресов памяти

ит.д.

3.2.2.Компараторы

Компараторы – это устройства сравнения, определяющие отношения между двумя словами [5].

Основные отношения, через которые можно выразить все остальные, это «равно» и «больше». Функции, вырабатываемые компараторами, определяются следующим образом: они принимают единичное значение (истинны), если соблюдается условие, указанное в индексе обозначения функции. Например, функция FA=B = 1, если A = B

ипринимает нулевое значение при A ≠ B.

Всериях цифровых элементов обычно выпускаются компараторы с тремя выходами «>», «<», «=». Условное обозначение компаратора (на примере компаратора с тремя выходами) представлено на рис. 20.

Рис. 20. Условное обозначение компаратора с тремя выходами: a0 ... a3 – входы для первого слова; b0 ... b3 – входы для второго слова;

A<, A=, A> – контакты для наращивания разрядности компаратора (с левой стороны) и выходы компаратора (с правой стороны)

Каждая операция сравнения вычисляется в соответствии с логической формулой над двоичными переменными. Например, вычисление функции A > B отражено в табл. 11.

40

Операции сравнения над многоразрядными словами выполняются на основе поразрядных операций над одноимёнными разрядами обоих слов.

3.2.3. Сумматоры

Сумматор – это устройство, выполняющее арифметическое сложение кодов [5, 10]. При этом выполняются также дополнительные операции: учёт знаков слагаемых, порядков слагаемых и т.д. Сумматоры применяются и как самостоятельные устройства, и как входящие в состав арифметико-логических устройств (АЛУ).

По числу входов различают следующие виды сумматоров [5]:

1.Полусумматоры – имеют два входа (по одному для каждого слагаемого) и два выхода (один – для суммы, второй – для единицы переноса). Такие сумматоры не учитывают при сложении текущих разрядов единицу переноса из соседнего младшего разряда.

2.Полные одноразрядные сумматоры – имеют три входа (по одному на каждое слагаемое и ещё один – для единицы переноса из соседнего младшего разряда) и два выхода (как в полусумматорах).

3.Многоразрядные сумматоры – состоят из нескольких полу-

сумматоров или полных сумматоров и используются для сложения многоразрядных слов.

Принципы работы сумматоров рассмотрим на примере полного одноразрядного сумматора. Условное обозначение данного сумматора представлено на рис. 21, а работу описывает табл. 12.

SM

ai

si

bi

ci

ci-1

Рис. 21. Условное обозначение сумматора: ai, bi – входы для i-х разрядов слагаемых;

ci-1 – вход для единицы переноса из соседнего младшего разряда; si – выход для суммарного значения i-х разрядов;

ci – выход для единицы переноса i-го разряда

Многоразрядные сумматоры, в свою очередь, делятся на последо-

вательные и параллельные.

В последовательных сумматорах обработка данных ведётся поочерёдно, разряд за разрядом, начиная с младшего, на одном и том же

41

оборудовании. В схему последовательного сумматора входят сдвигающие регистры слагаемых и суммы, а также триггер для запоминания переноса. Регистры и триггер тактируются синхроимпульсами. Сложив младшие разряды, сумматор вырабатывает сумму для младшего разряда и перенос, который запоминается на один такт. В следующем такте складываются вновь поступившие разряды слагаемых с учётом переноса из младшего разряда и т.д. Последовательный сумматор работает медленнее, чем параллельный, но позволяет сохранять промежуточный результат счёта.

В параллельных сумматорах слагаемые обрабатываются одновременно по всем разрядам и для каждого разряда используется своё оборудование. В устройстве применяется принцип «сквозного переноса»: бит переноса, формируемый на каждой стадии процесса сложения, должен передвигаться через все последующие стадии до получения окончательного результата. Поэтому такой параллельный сумматор называют параллельным сумматором с последовательным переносом.

Таблица 12

Таблица истинности для полного одноразрядного сумматора

Более подробно с перечисленными выше, а также другими функциональными узлами ВМ можно ознакомиться в [4].

После рассмотрения структуры и принципов работы отдельных функциональных узлов прейдём к изучению основных функциональных блоков компьютеров: памяти, процессора, устройств ввода – вывода.

Вопросы для самопроверки

1. Что представляет собой функциональный узел компьютера? На какие группы подразделяются функциональные узлы? Каковы особенности каждой группы?

42

2.Что такое регистр? Какие операции выполняют регистры над словами? Приведите классификацию регистров по различным признакам, а также условное обозначение регистра (на примере статического регистра).

3.Что такое счётчик, ёмкость счётчика? Какие операции выполняют счётчики? В каких режимах могут работать счётчики? Приведите классификацию счётчиков по различным признакам, а также условное обозначение счётчика. Объясните принципы функционирования счётчиков (на примере суммирующего счётчика). Составьте таблицу, отражающую работу вычитающего счётчика.

4.Что представляют собой шифратор и дешифратор? Приведите условные обозначения, а также поясните принципы работы шифраторов и дешифраторов.

5.Что такое компаратор? Какие операции выполняет компаратор? Приведите условное обозначение компаратора и объясните принципы его функционирования (на примере функции A > B). Как изменится таблица истинности для компаратора при вычислении функций A = B

иA < B?

6.Что представляет собой сумматор? Какие действия он выполняет над словами? Приведите классификацию сумматоров по различным признакам, условное обозначение сумматора (на примере полного одноразрядного сумматора). Поясните схемы работы сумматоров: одноразрядного, многоразрядного последовательного, многоразрядного параллельного. Приведите таблицы истинности, описывающие работу полусумматора и полного одноразрядного сумматора.

4.ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРА

Процессор – это функционально-законченное программноуправляемое устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифровой информации в компьютере [2 – 4, 6, 7, 10].

В структуре ВМ процессор занимает центральное место. В большинстве случаев процессоры современных компьютеров реализуют на одном кристалле с использованием технологии СБИС. Соответствующую интегральную схему называют микропроцессором. Понятие микропроцессора в функциональном отношении совпадает с понятием процессора и отражает лишь особенности, связанные с его реализацией [2]. В дальнейшем эти два понятия (процессор и микропроцес-

43

сор) будут использоваться в данном пособии как синонимы, функционально обозначающие одно и то же устройство.

4.1. Основные характеристики и классификация процессоров

Процессор выполняет следующие функции:

1)вычисление адресов команд и операндов;

2)выборку и дешифрацию команд из оперативной памяти;

3)выборку данных из оперативной памяти, микропроцессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

4)приём и обработку запросов и команд от внешних устройств;

5)обработку данных и их запись в оперативную память, регистры микропроцессора и регистры адаптеров внешних устройств;

6) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов

иблоков компьютера;

7)переход к следующей команде.

Согласно [4], основными параметрами микропроцессоров явля-

ются: разрядность, рабочая тактовая частота, размер кэш-памяти, состав инструкций, конструктив.

1.Разрядность внутренних регистров – это количество бит, ко-

торые процессор способен обработать за один приём. Разрядность шины данных определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции. Разрядность шины адреса определяет объём памяти (адресное пространство), с которым может работать процессор. Адресное пространство – это максимальное количество ячеек памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

2.Рабочая тактовая частота (МГц) во многом определяет бы-

стродействие процессора, поскольку каждая команда выполняется за определённое число тактов. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора. Быстродействие компьютера также зависит и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает процессор.

3.Кэш-память, устанавливаемая на плате микропроцессора, имеет два уровня:

- L1 – память первого уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) процессора и работающая всегда на полной частоте процессора (впервые появилась в микропроцессорах Intel 386SLC

и486).

44

- L2 – память второго уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней шиной (впервые введена в микропроцессорах Pentium II). Эта память может работать на полной или половинной частоте процессора.

4.Состав инструкций – перечень, вид и тип команд, автоматически выполняемых микропроцессором. Определяет непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными и те категории данных, над которыми могут выполняться эти процедуры. Существенное изменение состава инструкций произошло в микропроцессорах Intel 80386 (этот состав принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

5.Конструктив подразумевает те физические разъёмные соединения, в которые устанавливается микропроцессор. Разные разъёмы имеют различную конструкцию (щелевой разъём – Slot, разъёмгнездо – Soket), разное количество контактов.

Процессоры классифицируются по различным признакам. В соответствии с [4, 13], можно выделить следующие основные признаки:

1.По назначению микропроцессоры делятся на универсальные

испециализированные. Первые предназначены для решения широкого круга задач, в системе команд заложена алгоритмическая универсальность. Таким образом, производительность процессора слабо зависит от специфики решаемых задач. Специализированные процессоры предназначены для решения определённого круга задач или даже одной задачи, имеют ограниченный набор команд. Среди них вы-

деляются процессоры для обработки данных, математические процессоры и микроконтроллеры.

2.По количеству выполняемых программ процессоры подразде-

ляются на однопрограммные (переход к выполнению следующей программы происходит только после завершения текущей программы) и мультипрограммные (одновременно выполняются несколько программ).

3. По структурному признаку выделяют микропроцессоры

с фиксированной разрядностью (имеют строго определённую раз-

рядность) и микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (позволяют секциями увеличивать число разрядов).

4. По числу БИС (СБИС) в микропроцессорном комплекте можно выделить однокристальные, многокристальные и многокристаль-

ные секционные процессоры. В первом случае все аппаратные части

45

процессора реализованы в виде одной БИС (СБИС); возможности таких процессоров ограничены ресурсами кристалла и корпуса. Многокристальные процессоры получаются в результате разбиения логической структуры процессора на функционально законченные части, каждая из которых реализована в виде БИС или СБИС. В последнем случае функционально законченные части логической структуры процессора разбиваются на секции, которые реализованы в виде БИС.

5.По разрядности обрабатываемой информации микропроцес-

соры могут быть 4, 8, 12, 16, 24, 32 и 64-разрядными. На практике наибольшее распространение имеют 32-разрядные процессоры; всё большее применение находят 64-разрядные процессоры.

6.По виду технологии изготовления БИС (СБИС) микропроцес-

соры делятся на две группы: процессоры, построенные на БИС, изготовленных по униполярной технологии, и процессоры, построенные на БИС, изготовленных по биполярной технологии. Представители первой группы: p-канальные (p-МОП), n-канальные (n-МОП), ком-

плиментарные (КМОП) БИС. (МОП – металл – окисел – проводник). Ко второй группе относятся БИС на базе транзисторнотранзи-

сторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) и интегральной инжекторной логики (И2Л). Вид технологии изготовления БИС во многом определяет степень интеграции микросхем, быстродействие, энергопотребление, помехозащищённость и стоимость процессоров. По комплексу этих признаков можно отдать предпочтение микропроцессорам, выполненным по n-МОП и КМОПтехнологиям, обеспечивающим высокую плотность компоновки, высокое быстродействие и относительно малую стоимость. ЭСЛ обеспечивает

самое высокое быстродействие процессоров, но низкую плотность компоновки и высокое энергопотребление. Технология И2Л даёт усреднённые характеристики микропроцессоров.

7.По характеру системы команд выделяют процессоры с пол-

ным набором инструкций, или CISC-процессоры (Complex Instruction Set Command); процессоры с сокращённым набором инструк-

ций, или RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Command); про-

цессоры со сверхбольшим командным словом, или VLIW-

процессоры (Very Long Instruction Word). CISC-процессоры имеют большой набор разноформатных команд, что позволяет применять эффективные алгоритмы решения задач, но, в то же время, усложняет схему процессора, и в общем случае не обеспечивает максимального быстродействия. Архитектура CISC присуща классическим процес-

46

сорам. RISC-процессоры содержат набор простых, чаще всего встречающихся в программах инструкций. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых команд. Все простые команды имеют одинаковый размер и на их выполнение тратится один машинный такт (на выполнение самой короткой команды из системы CISC обычно тратится четыре такта). Современные 64-разрядные RISCпроцессоры выпускаются многими фирмами: «Apple» (PowerPC), «IBM» (PPC) т.д. В VLIW-процессорах одна инструкция содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Задача распределения работы между несколькими вычислительными устройствами процессора решается во время компиляции программы. Такой подход позволил уменьшить габариты процессоров и потребление энергии. Примерами VLIW-процессоров служат Itanium фирмы

«Intel», McKinley фирмы «Hewlett-Packard» и другие.

8. По числу и способу использования внутренних регистров раз-

личают аккумуляторные, многоаккумуляторные и стековые про-

цессоры. Аккумуляторные процессоры – это процессоры с одним регистром результата. Их отличительной характеристикой является относительная простота аппаратной реализации, а также упрощённый формат команд (будут рассмотрены в следующей главе). В командах адрес операнда в аккумуляторе не указывается, а адресуется только второй операнд. Недостатками таких процессоров является необходимость предварительной загрузки операнда в аккумулятор перед выполнением операции и невозможность непосредственной записи результата выполнения команды в произвольную ячейку памяти или регистр. В многоаккумуляторных регистрах, которыми являются большинство современных процессоров, функции регистров результата может выполнять любой регистр общего назначения или ячейка памяти. В командах оба операнда задаются явно, а результат операции чаще всего помещается на место одного из операндов. В стековых процессорах обычно используется большой аппаратный стек и дополнительный внешний стек в памяти (при нехватке аппаратного). Благодаря специальному размещению операндов в стеке обработку информации можно выполнять безадресными командами, что позволяет повысить производительность процессора и экономить память. Такие команды извлекают из стека один или два операнда, выполняют над ними соответствующую арифметическую или логиче-

47

скую операцию и заносят результат в вершину стека. Недостатком является необходимость предварительной подготовки данных, использующих адресные команды.

С историей развития процессоров и их сравнительной характеристикой более подробно можно ознакомится в [4, 13]. Далее рассмотрим физическую и функциональную структуру процессора.

4.2. Физическая и функциональная структуры процессора

Физическая структура процессора является достаточно сложной. В соответствии с [4], ядро процессора содержит главный управляющий и исполняющие модули – блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок с плавающей запятой, модуль предсказания ветвлений, регистры микропроцессорной памяти, регистры кэш-памяти 1-го уровня, шинный интерфейс и многое другое.

Примечание: под логическим ядром понимается схема, по которой сделан процессор. Физически ядро представляет собой кристалл, на котором с помощью логических элементов реализована принципиальная схема процессора.

В самом общем случае функциональную структуру процессора можно представить в виде композиции, согласно одним источникам

[4, 5], из двух частей: операционного устройства (ОУ) и шинного интерфейса (ШИ), согласно другим [2], из трёх блоков: операционно-

го (ОБ), управляющего (УБ) и интерфейсного (ИБ). Имеющиеся не-

значительные расхождения в количестве и названии блоков никоим образом не нарушают число и принципы функционирования компонентов процессора. Поэтому рассмотрим первый (более наглядный) вариант из источника [4].

Упрощённая типовая структура процессора представлена на рис. 22.

ОУ содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистр флагов, регистры общего назначения (РОН), регистры-указатели, индексные регистры. ШИ содержит адресные регистры, блок регистров (буфер) команд, узел формирования адреса, схемы управления шиной и портами. Обе части микропроцессора работают параллельно, причём ШИ работает быстрее ОУ. Рассмотрим эти блоки процессора более подробно.

48