7. Организация процессоров.
Процессор – устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифровой информации. В самом простом случае процессор состоит из 3 блоков.
Операционный блок предназначен для выполнения некоторого функционально-полного набора логических и арифметических операций, как правило в него входят АЛУ, буферные регистры операндов, регистр результата, регистр признаков и РОНы. АЛУ выполняет простейшие арифметические и поразрядные логические операции. Операции по обработке данных, для которых отсутствуют аппаратные средства, выполняются программно с помощью процедур. Процедуры реализуются в виде простейших операций и выполняются на более высоком уровне организации. Кроме универсального АЛУ процессор содержит одно или несколько специализированных для умножения, деления и операций с плавающей точкой. Важной частью процессора является блок внутренней памяти, реализованный в виде РОНов. Время обращения к регистрам меньше, чем к любым другим устройствам памяти. Поэтому память на регистрах называют сверхоперативной, а регистры – сверхоперативные ЗУ. Есть два подхода по назначению и разрядности регистров.
почти все регистры выполняют одинаковые функции и являются универсальными. Такой подход у процессоров компании Motorola.
Intel – многие регистры наряду использования в качестве универсальных в некоторых командах выполняют специфические функции.
В большинстве моделей микропроцессоров выделяют один регистр в качестве главного и называют его аккумулятором или регистром результата.
Основные микрооперации:
Содержимое любого регистра может быть передано через аккумулятор в буферный регистр.
АЛУ обеспечивает выполнение арифметических операций над содержимым регистра-сдвигателя и буферного регистра с записью в аккумулятор и записи признаков в регистр признаков.
Операция сдвига выполняется последовательной передачей слова из РОНа в сдвигающий регистр и последующей записи в тот же регистр.
Операции над словами с повышенной разрядностью реализуются программно с последовательной обработкой отдельных частей многоразрядных слов. это необходимо для возможности обработки данных с превышающей разрядностью в АЛУ. Для этого предусмотрены триггеры.
Регистр признаков. Признаки операции АЛУ (флаги) характеризуют результаты вычислений, запоминаются в одноименных флагах регистра признаков. Типичные признаки: переполнение, нулевой результат, четность, наличие переноса.
Блок управления координирует работу всех блоков микропроцессора. Он формирует управляющие сигналы, необходимые для организации обмена информации с внешними устройствами. В целом выполняет следующие действия: считывает и запоминает текущую команду, формирует адрес следующей команды, реализует выполнение по тактам алгоритмов поступившей команды, управляет обменом информацией с внешними устройствами по системной шине.
Блок формирования управляющих сигналов. Управляющие сигналы с выхода БФУС поступают на вход других микропроцессоров, настраивая их на выполнение определенных микроопераций. Последовательность выполнения команды:
фаза выборки обеспечивает считывание команды из памяти и пересылку в микропроцессор. Адрес считываемой команды определяется содержимым программного счетчика команд. Код операции запоминается в регистре команд.
фаза декодирования – содержимое регистра с помощью дешифратора преобразуется в управляющее слово. Схема синхронизации вырабатывает совокупность сигналов, управляющих внутренними операциями микропроцессора и обменом процессора с внешним устройством. После всего этого операционный блок получает информацию о том, какую операцию нужно выполнить, где расположены данные, куда нужно поместить результат.
фаза выполнения – блок формирования управляющих сигналов вырабатывает последовательность сигналов, обеспечивающих выполнение заданной операции.
Элементарное действие, выполняемое в одном из узлов, называется микрооперацией. Совокупность одновременно выполняемых микроопераций соответствует микрокоманде. Команда в общем случае состоит из нескольких простейших действий и выполняется за несколько тактов и требует выполнения нескольких микрокоманд. Последовательность микрокоманд, обеспечивающая выполнение команды, называется микропрограммой. Управляющий автомат, формирующий набор управляющих сигналов, называют микропрограммным автоматом. Они делятся на аппараты с жесткой и мягкой логикой управления. В аппаратах с жесткой логикой конечный автомат задан жестко схемами соединения, список команд не может быть изменен. В аппаратах с мягкой логикой в управлении используется типовая структура с блоком памяти микропрограмм, в котором полупрограммно написано какие действия необходимо выполнить. В современных микропроцессорах используется оба подхода построения, на уровне регистровых передач используется жесткая логика, на уровне дешифрации – мягкая.
Интерфейсный блок предназначен для организации процессов взаимодействия процессора с ОЗУ и устройствами ввода/вывода, расположенными на системной шине, а также для обмена данными между внутренними устройствами микропроцессора. Основные функции:
Формирование выходных сигналов на шинах адреса, данных и управления в режиме вывода.
Формирование выходных сигналов на шинах и чтение шины данных в режиме ввода.
Синхронизация процессов внутри процессора и на системной шине.
Реализация стандартного для системной шины протокола обмена. Протокол обмена информацией определяет последовательность сигналов (временную диаграмму), обеспечивающих правильную передачу между устройствами. Взаимодействие по шине осуществляется за цикл шины. Длительность цикла зависит от быстродействия внешних устройств. Скорость работы шины зависит от скорости устройств на этой шине. Для согласования быстродействия при обмене по шине используется принцип квитирования: процессор, управляющий обменом, в каждом цикле ждет уведомления (квитанции) о том, что устройство на шине выполнило операцию и выставило на шину данных необходимую информацию.