7. Принципы построения элементарного процессора.

При рассмотрении обобщенной структуры ЭВМ, отмечалось, что основным устройством, непосредственно осуществляющим переработку поступающей в ЭВМ информации, является процессор (в больших ЭВМ – центральный процессор).

Однако основные принципы построения процессоров, в общем-то, одинаковые, причем наиболее наглядно их можно продемонстрировать на примере простейшего микропроцессора.

Ввиду этого рассмотрев общие вопросы построения ЭВМ, более подробно остановимся на обобщенной структуре гипотетического микропроцессора.

Все действия в процессоре осуществляются с помощью элементарных операций, выполняемых в определенной последовательности.

К таким элементарным операциям относятся:

- запись числа в регистр;

- инвертирование содержимого разрядов регистра;

- пересылка содержимого регистров;

- сдвиг содержимого регистра;

- сложение кодов;

- поразрядные логические операции или анализ разрядов;

- операция счета с+1 или с-1 (инкремент или декремент).

Например, операция умножения реализуется с помощью:

Все эти действия выполняются процессором, который состоит из двух устройств – операционного (ОУ) и управляющего (УУ).

ОУ – выполняет указанные элементарные операции.

УУ – управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций.

В качестве узлов УУ и ОУ включают в себя регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д., т.е. устройства импульсной цифровой техники.

Кроме того, нормальное функционирование процессора и всей ЭВМ возможно только при наличии высокостабильных импульсных последовательностей, формируемых, как правило, из одной импульсной последовательности, вырабатываемой кварцевым генератором. Эти тактовые импульсные последовательности синхронизируют работу узлов процессора, а иногда и всей ЭВМ.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например:

R₂ ← 0, Сч ← (Сч) – 1 и т.д.

Такая совокупность непротиворечивых микроопераций называется микрокомандой, а набор микрокоманд, предназначенный для решения задачи, называется микропрограммой.

В силу того что УУ определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата. Соответственно ОУ часто называют операционным автоматом.

Формирование управляющих сигналов S₁,...,S_n может зависеть как от внешних сигналов КОП (команды ассемблера), так и от состояния узлов ОУ, определяемого известительными сигналами признаков состояния P₁,...,P_m, поступающими с выхода ОУ на соответствующие входы УУ.

Как уже отмечалось, ОУ выполняет над исходными данными различные арифметические и логические операции, поэтому ОУ наиболее часто называют арифметико-логическим устройством, или АЛУ.

8. Операционное устройство процессора.

В общем случае операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для ЧФЗ;

- операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для ЧПЗ;

- операции десятичной арифметики;

- логические операции;

- операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики: нормализация чисел, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды без знакового), логический сдвиг (сдвигаются все разряды) и т.д.

ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции приведенных выше групп, но делают это по-разному, в зависимости от типа АЛУ, используемого в процессоре.

АЛУ подразделяется на:

- блочные (В блочных АЛУ перечисленные группы операций выполняются в отдельных электронных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции.

Кроме того, специализированный блок всегда выполняет операции быстрее, чем универсальный перенастраиваемый блок. Блочные АЛУ характерны для больших ЭВМ, где главным является максимальное быстродействие, а не аппаратные затраты и стоимость).

- многофункциональные (В многофункциональных АЛУ перечисленные группы операций выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

Такие АЛУ характерны для мини- и микроЭВМ, построенных на простых процессорах.

Существуют и другие структуры АЛУ (смешанные), находящиеся где-то между блочными и многофункциональными).

Рассмотрим несколько подробнее структуру АЛУ простейшего процессора и определим минимально необходимый набор входящих в него устройств.

В состав такого АЛУ должно входить устройство, выполняющее операции двоичного суммирования (сумматор).

Кроме того, для хранения операндов и результата необходимо иметь, по крайней мере, три буферных регистра (регистры временного хранения). Однако в простейшем случае результат операции можно записывать в один из регистров временного хранения на место одного из операндов. Этот регистр принято называть аккумулятором, а процессор в целом – процессором аккумуляторного типа.

Для выполнения арифметико-логических операций необходимо устройство, выполняющее сдвиги двоичных чисел (сдвигатель).

И, наконец, необходим регистр, в котором хранятся некоторые признаки результата выполненной операции, необходимые для функционирования УУ (регистр признаков).

АЛУ в целом и двоичный сумматор имеют одно обозначение. В соответствии со сделанными ранее замечаниями регистр временного хранения и аккумулятор можно считать вспомогательными узлами АЛУ.