3. Организация процессоров
3.1. Назначение и классификация процессоров
Процессор– устройство, осуществляющее процесс автоматической обработки данных и программное управление этим процессом. Процессоры можно классифицировать, например, по следующим признакам:
По используемой системе счисления:
работающие в позиционной системе счисления;
работающие в непозиционной системе счисления (например, СОК).
По способу обработки разрядов:
с параллельной обработкой разрядов;
с последовательной обработкой;
со смешанной обработкой (последовательно-параллельной).
По составу операций:
процессоры общего назначения;
проблемно-ориентированные;
специализированные.
По месту процессора в системе:
центральный процессор (ЦП);
сопроцессор;
периферийный процессор;
канальный процессор (контроллер канала ввода/вывода);
процессорный элемент (ПЭ) многопроцессорной системы.
По организации операционного устройства:
с операционным устройством процедурного типа (I-процессоры, M-процессоры);
процессоры с блочным операционным устройством;
процессоры с конвейерным операционным устройством (с арифметическим конвейером).
По организации обработки адресов:
с общим операционным устройством;
со специальным (адресным) операционным устройством.
По типу операндов:
скалярный процессор;
векторный процессор;
с возможностью обработки и скалярных, и векторных данных.
По логике управления процессором:
с жесткой логикой управления;
с микропрограммным управлением.
По составу (полноте) системы команд:
RISC;
CISC.
10) По организации управления потоком команд / способу загрузки исполнительных устройств:
с последовательной обработкой команд;
с конвейером команд;
суперскалярные процессоры;
процессоры с длинным командным словом (VLIW) и т. д.
Как всякая классификация, приведенная выше классификация не может считаться полной, так как количество типов процессоров достаточно велико и по своим архитектурам процессоры весьма многообразны.
Логическая организация процессоров общего назначения
Схема, отражающая логическую организацию некоего усредненного процессора общего назначения, представлена на рис. 3.1. В основе структуры процессора лежит взаимосвязь операционной и управляющих частей, что соответствует модели цифрового автомата, предложенной академиком Глушковым /1/. Операционные устройства процессора (средства обработки, исполнительные устройства) включают в общем случае ОУ с фиксированной запятой (целочисленное ядро, АЛУ), ОУ с плавающей запятой (числовой сопроцессор или ядро с плавающей запятой), устройство для реализации десятичной арифметики и возможно – устройства для обработки строк и массивов.
Рис. 3.1
Отметим, что в некоторых процессорах отдельно реализуется специальное устройство для вычисления адресов (так называемая разнесенная - decoupled- архитектура), в других процессорах вычисление адресов происходит в общем операционном устройстве. Операционное устройство неразрывно связано с наиболее быстродействующей памятью ВМ – с локальной регистровой памятью процессора. Выделение регистров в отдельный блок на схеме призвано подчеркнуть самостоятельное значение, которое приобретают регистры в универсальных процессорах – они не просто являются частью операционных устройств, а используются для хранения различной информации как при обработке, так и при вводе-выводе. Целочисленные регистры объединяются в блок регистров общего назначения (РОН), регистры с плавающей запятой – в отдельный блок (в некоторых процессорах эти многоразрядные регистры используются и как векторные регистры в специальных режимах, в других векторные регистры вынесены в отдельный блок). Кроме упомянутых регистров можно выделить набор специальных управляющих регистров, используемых для управления режимами работы процессора, функционированием его различных подсистем, управления памятью и т.д. Средства управления процессором (или – устройство управления) выполняют разнообразные функции, которые включают: управление системой, программой и командами. Управление системой подразумевает управление прерываниями, остановом и запуском процессора, обеспечение отладочного режима и вообще выбор режимов работы процессора и т.д. Управление программой включает обеспечение выполнения ветвлений и циклов, вызовов и возвратов из подпрограмм и т.д. Средства управления командами обеспечивают выполнение машинных циклов работы процессора, то есть – выборки команды, ее дешифрации, собственно управления выполнением команды, управление записью результатов. В данной подсистеме могут реализовываться собственно управляющие автоматы, отвечающие за реализацию алгоритмов, заложенных в командах процессора (то есть за реализацию микрокода процессора). В некоторых случаях подобные подсистемы относят к УУ, в других – включают в состав собственно средств обработки, то есть рассматривают как часть АЛУ и числового сопроцессора, что в принципе не так важно.
Помимо выполнения операций, вычисления адресов и программного управления этими процессами, процессор должен содержать средства для обеспечения интерфейса как с оперативной памятью, так и с внешними устройствами (интерфейсы ввода-вывода). В состав интерфейса с памятью могут включаться буферная память (кэш-память), средства управления доступом и защиты памяти. Интерфейс с каналами ввода-вывода включает буферы данных, систему управления приоритетами, входящую в подсистему прерываний процессора, и т.д.
Под системными средствами понимают встроенные схемы синхронизации, возможно – таймеры, какие-то дополнительные схемы управления, сброса и т.д.