Процессоры персональных компьютеров
В настоящее время большинство процессоров персональных компьютеров выполняют в виде одной или, реже, нескольких интегральных схем. Все эти ИС принято делить на процессоры общего назначения и специализированные. К числу процессоров общего назначения относятся популярные процессоры Pentium фирмы Intel, большинство процессоров фирмы AMD, а также процессоры фирмы Apple. Из-за большой сложности таких процессоров число изготавливающих их фирм очень мало: в настоящее время этими тремя фирмами и ограничивается список фирм-изготовителей. Производство больших интегральных схем, а процессоры персональных компьютеров изготавливаются в виде БИС, требуют сложнейшего оборудования стоимостью в миллиарды долларов.
Для повышения производительности в микропроцессорах персональных компьютеров используют технические решения, подобные тем, что применяются в современных быстродействующих RISC-процессорах. Наиболее часто для повышения производительности процессоров в персональных компьютерах используют:
суперскалярную обработку данных, предусматривающую запуск и параллельное выполнение нескольких команд из одной программы,
увеличение разрядности шины для передачи данных и команд между процессором и памятью до 64 бит, а иногда и больше,
внутреннюю кэш-память команд и данных «первого уровня» достаточно большой емкости,
«внешнюю» кэш-память второго уровня, емкость которой составляет несколько сотен килобайт,
Кроме того, в большинстве этих микропроцессоров предусматривается:
изменение последовательности выполнения команд, т.е. выполнение команд в последовательности, отличной от той, в которой они находятся в программе. Это повышает производительность процессора, поскольку ему не нужно ждать результатов предыдущих операций, чтобы начать выполнение последующих.
переименование регистров, позволяющее «увеличить» размеры блока регистров, т.е. ослабить влияние самого главного недостатка архитектуры CISC.
Однако перед рассмотрением перечисленных «механизмов» повышения производительности нужно познакомиться с функциями и структурой устройства управления.
5.6 Устройства управления
Любое устройство компьютера состоит из двух блоков – операционного и управляющего. Функции управления ходом вычислительного процесса возлагаются на устройство, или блок управления. Это устройство предназначено для получения информации о ходе вычислительного процесса и выработки сигналов для его продолжения. Элементы управления присутствуют во всех узлах и устройствах компьютера, поэтому конструктивно блок управления выполняется в виде центрального блока, призванного формировать управляющие сигналы, и отдельных схем, разбросанных по всему компьютеру и служащих для использования этих сигналов.
Входной информацией для центрального блока управления служит код операции текущей команды, который определяет конкретную выполняемую операцию. Он поступает в блок управления из регистра команд и служит для выработки сигналов управления, передаваемых на все узлы и устройства компьютера.
Помимо кода операции при работе блока управления используются так называемые флаги, т.е. признаки, характеризующие результаты выполнения предшествующей операции. Эти признаки необходимы для организации выполнения команд условного перехода.
Нужно помнить, что блок управления вырабатывает сигналы при поступлении на него тактовых импульсов. Кроме того, блок управления получает сигналы от системной шины, например, запросы прерывания, подтверждения приема информации и т.п.
Блок управления формирует управляющие сигналы, направляемые в различные устройства и блоки компьютера, и, прежде всего, в процессор. Эти сигналы служат для управления перемещением данных между регистрами, инициирования тех или иных функций, управления работой устройств. Сигналы управления направляются также в шину для передачи в блоки памяти и на устройства ввода-вывода.
Действия, выполняемые в операционном блоке в течение одного такта, носят название микрооперации, а любая операция или команда, выполняемая за несколько тактов, описывается некоторой микропрограммой, определяющей последовательность действий при выполнении этой команды. Сигналы управления, формируемые блоком управления и поступающие на входы операционного устройства, вызывают в нем выполнение микрооперации. Поскольку блоки управления формируют сигналы для выполнения микроопераций, их часто называют микропрограммными автоматами.
В зависимости от способа формирования сигналов управления микрооперациями различают два типа микропрограммных автоматов:
с жесткой логикой и
с программируемой логикой.
Устройства управления с «жесткой» логикой
Структура управляющего автомата с жесткой логикой представлена на рисунке 5.х. Код операции и номер такта поступают на дешифраторы и затем на логические схемы формирования управляющих сигналов. На эти же схемы, представляющие собой наборы схем совпадения, поступают различные осведомительные сигналы, которые характеризуют результат выполнения предыдущей операции или микрооперации.
Код
операции Генератор
тактов
Счетчик
тактов
Схема формирования сигналов управления
Сигналы управления
Рисунок 5.х Структура управляющего автомата с жесткой логикой
Название автомата с «жесткой логикой» происходит из-за того, что сигналы для каждой микрооперации формируются своим собственным набором логических схем, который невозможно изменить, не меняя всю систему управления компьютером. В состав схемы такого автомата входят счетчик и дешифратор тактов, дешифратор кода операции, и логические схемы формирования управляющих сигналов. Поскольку время срабатывания этих логических схем весьма мало, то такие аппаратно реализованные микропрограммные автоматы обеспечивают наибольшее быстродействие, однако их сложность возрастает с расширением системы команд, так как для каждой операции в них должен быть предусмотрен собственный набор схем.
Эти особенности автоматов с жесткой логикой привели к тому, что они находят применение в RISC-процессорах, а в компьютерах с расширенной системой команд обычно используют иной подход, а именно микропрограмму, хранимую в специальной памяти.