3.3. Операционные устройства процессоров

3.3.1. Операционные устройства процедурного типа и с жесткой структурой. Понятие об I-процессорах и m-процессорах

Операционные устройства процессоров могут строиться с большей или меньшей степенью универсальности, могут быть более простыми, универсальными, требующими большого объема микрокода для реализации всех необходимых алгоритмов операций, либо – более сложными и специализированными, но за счет этого – более производительными и не требующими большого объема управляющего микрокода. Первые устройства можно назвать устройствами процедурного типа, так как они требуют для реализации какого-либо алгоритма арифметической операции выполнения последовательности действий, заданной во времени (то есть процедуры).

Устройства второго типа, рассчитанные на аппаратную реализацию алгоритмов вычислений, можно назвать устройствами с жесткой структурой. (Отметим, что гибкость устройств первого типа заключается не в возможности перестройки их структуры, а в возможности выполнения на заданной структуре большего числа различных алгоритмов.) Примером устройств процедурного типа могут являться, до некоторой степени, устройства для выполнения косвенного умножения. Такие устройства после небольшой доработки могут быть использованы и для реализации других операций (алгоритмов), например, для обычного сложения со знаком, для выполнения деления или операций с плавающей запятой. В предельном случае наиболее универсальной схемой может являться обычный накапливающий сумматор, дополненный схемами выполнения логических операций. С другой стороны, специализированный аппаратный умножитель, например, матричный (матричные умножители подробнее рассматриваются в следующем пункте), является примером устройства с жесткой структурой, рассчитанного только на выполнение конкретной операции, зачастую – определенной разрядности и в определенной кодировке. Для создания более или менее универсального ОУ необходимо иметь набор таких схем для всех требуемых операций, либо – сочетание нескольких специализированных устройств с одним универсальным.

Операционные устройства процедурного типа могут быть построены различными способами. Примером процессоров с более жестким принципом построения операционной части процедурного типа являются так называемые I-процессоры, у которых за определенными регистрами закреплены определенные операции (рис.3.2). На рисунке 3.2 ША и ШД – соответственно шины адреса и данных, Acc– аккумулятор, КС – комбинационные схемы, ТП – триггеры признаков, УУ – устройство управления. Разные регистры соединены с разными операционными элементами (КС) и по-разному соединены друг с другом. Такое разнесение операций по регистрам за счет наличия нескольких операционных элементов в схеме позволяет распараллелить выполнение некоторых вычислений и тем самым повысить производительность. С другой стороны, такая организация подчас лишена необходимой гибкости и требует частых пересылок информации между регистрами.

Рис. 3.2

В процессорах с магистральной архитектурой (процессоры M-типа, или процессоры с общим АЛУ) имеется одно обрабатывающее устройство - сумматор, либо АЛУ (например, табличное), с которым связаны все регистры из блока РОН (рис. 3.3).

Рис. 3.3

Регистры являются в данном случае равноправными, каждая пара регистров может участвовать в любой операции. АЛУ связано с регистрами тремя магистралями - магистрали A и B служат для подачи операндов в АЛУ, а магистраль C – для записи результата в выбранный регистр из блока РОН. Иногда один из регистров все же выделяется как особый, в котором могут выполняться специальные операции, недоступные для других регистров. В ряде случаев этот регистр всегда является приемником результата (а иногда – обязательно и одним из операндов). Тогда такой регистр называют аккумулятором, а процессор называют процессором на базе аккумулятора. В принципе, в АЛУ такого процессора можно разместить какое-то количество специализированных арифметических устройств жесткой структуры, тогда полученное ОУ будет чем-то промежуточным между процедурным и жестким.