Структурная схема ЦП. Назначение и функционирование узлов ЦП.

Центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) — процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс.

ЦП является ядром ЭВМ и выполняет следующие основные функции: выборку из оперативной памяти, дешифрацию и выполнение команд программы, организует обращения к различным видам памяти, формирует процедуры ввода-вывода, инициирует работу внешних запоминающих устройств и периферийных устройств, воспринимает, и обрабатывает запросы прерываний от устройств машины и взаимодействующих с ней, осуществляет контроль и диагностику ЭВМ.

В логический состав ЦП входят:

• устройство управления (УУ) — блок управления. Управляет работой всех устройств по заданной программе
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - вычислительный инструмент процессора.
• регистры общего назначения, РОН – внутренняя память процессора. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты.

Все узлы процессора соединены с внутренней шиной.

Структурная схема процессора:

Устройство управления:

• Счетчик команд (СК - IP - Instruction Pointer) — регистр, содержащий адрес-смещение следующей команды, подлежащей исполнению, относительно кодового сегмента CS.
• Регистр команд (PK - IR - Instruction register) — служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора. Только с момента загрузки команды в РК она становится «видимой» для процессора. В РК команда хранится в течение всего времени ее выполнения. Любая команда содержит два поля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоятельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регистров – регистра кода операции (РКОп) и регистра адреса (РА), в которых хранятся соответствующие составляющие команды. Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции всегда находится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым.
• Регистр адреса памяти (РАП) предназначен для хранения адреса ячейки основной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячейкой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии ОП и прочих устройств машины.
• Регистр данных памяти (РДП) при чтении содержит содержимое ячейки ОП, а при записи информацию, подлежащую сохранению в ячейку ОП.
• Дешифратор кода операции (ДКОп) преобразует код операции в форму, требуемую для работы микропрограммного автомата (МПА). Информация после декодирования определяет последующие действия МПА, а ее вид зависит от организации МПА. Часто код операции преобразуется в адрес первой команды микропрограммы, реализующей указанную в команде операцию. С этих позиций ДКОп правильнее было бы назвать не дешифратором, а преобразователем кодов.
• Микропрограммный автомат (МПА) - центральный узел устройства управления. МПА формирует последовательность сигналов управления, в соответствии с которыми производятся все действия, необходимые для выборки из памяти и выполнения команд. Исходной информацией для МПА служат: декодированный код операции, состояние признаков (флагов), характеризующих результат предшествующих вычислений, а также внешние запросы на прерывание текущей программы и переход на программу обслуживания прерывания.

Арифметико-логическое устройство:

• Операционный блок (ОПБ) представляет собой ту часть АЛУ, которая выполняет арифметические и логические операции над поданными на вход операндами. Выбор конкретной операции из возможного списка операций для данного ОПБ определяется кодом операции команды. В реальных машинах КОп зачастую преобразуется в МПА в иную форму и уже из микропрограммного автомата поступает в АЛУ. Операционные блоки современных АЛУ строятся как комбинационные схемы, то есть они не обладают внутренней памятью и до момента сохранения результата операнды должны присутствовать на входе блока.
• Регистры операндов. Регистры РХ и РY обеспечивают сохранение операндов на входе операционного блока вплоть до получения результата операции и его записи.
• Регистр признаков (РПрз - FLAGS) предназначен для фиксации и хранения признаков (флагов), характеризующих результат последней выполненной арифметической или логической операции. Такие признаки могут информировать о равенстве результата нулю, о знаке результата, о возникновении переноса из старшего разряда, переполнении разрядной сетки и т.д. Содержимое РПрз обычно используется устройством управления для реализации условных переходов по результатам операций АЛУ. Под каждый из возможных признаков отводится один разряд РПрз. Формирование признаков осуществляется блоком формирования состояний регистра признаков, который может входить в состав ОПБ либо реализуется в виде внешней схемы, располагаемой между операционным блоком и РПрз.
• Аккумулятор (Акк) – это регистр, на который возлагаются самые разнообразные функции. Так, в него предварительно загружается один из операндов, участвующих в арифметической или логической операции. В Акк может храниться результат предыдущей команды и в него же заносится результат очередной операции. Через Акк зачастую производятся операции ввода и вывода. Строго говоря, аккумулятор в равной мере можно отнести как к АЛУ, так и к УУ, а в ВМ с регистровой архитектурой его можно рассматривать как один из регистров общего назначения.

 

Стандартный цикл работы ЦП.

С лекции:

1. Чтение команды из памяти

1. адрес команды на адресной шине
2. управляющая шина - чтение идификатора(?)
3. данные передаются на шину данных
1. Расшифровка команды

1. расшифровка согласно схеме [команда] [арг1] [арг2]. Например mov ax, cs:0B40Eh
1. Чтение операндов
2. Выполнение команды
3. Заполнение регистра флажков (признаки исполнения)(F в УУ)
4. IP++ (instruction pointer, увеличеть регистр командв типа переход к следующей) (в IP адрес следущей команды или куда надо перейти)

 

Где-то я видел больше инфы. Найду - скину

Способы обмена информацией.

Основной функцией модулей ввода/вывода является обеспечение обмена информацией

В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода (В/ВЫВ):

• программно управляемый ввод/вывод;
• ввод/вывод по прерываниям;
• прямой доступ к памяти.

При программно управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия происходят по инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, и, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в память (при вводе).

Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ - прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор.

 

5. (!)Программный обмен. Ввод информации. Аппаратное и программное обеспечение.

6. (!)Программный обмен. Вывод информации. Аппаратное и программное обеспечение

Программный ввод-вывод – это наиболее простой способ обмена данными между процессором и внешним устройством, часто называемый также вводом/выводом с опросом.

Ввод/вывод происходит под полным контролем центрального процессора и реализуется специальной процедурой ввода/вывода. В этой процедуре ЦП с помощью команды ввода/вывода сообщает модулю ввода/вывода, а через него и внешнему устройству о предстоящей операции. Адрес модуля и ВУ, к которому производится обращение, указывается в адресной части команды ввода или вывода. Модуль исполняет затребованное действие, после чего устанавливает в единицу соответствующий бит в своем регистре состояния. Ничего другого, чтобы уведомить ЦП, модуль не предпринимает. Следовательно, для определения момента завершения операции или пересылки очередного элемента блока данных процессор должен периодически опрашивать и анализировать содержимое регистра состояния МВВ.

Иллюстрация процедуры программно управляемого ввода блока данных с устройства ввода приведена на рис. данные читаются пословно. Для каждого читаемого слова ЦП должен оставаться в цикле проверки, пока не определит, что слово находится в регистре данных МВВ, то есть доступно для считывания.

Процедура начинается с выдачи процессором команды ввода, в которой указан адрес конкретного МВВ и конкретного ВУ. Существуют четыре типа команд В/ВЫВ, которые может получить МВВ: управление, проверка, чтение и запись.

Команды управления используются для активизации ВУ и указания требуемой операции. Например, в устройство памяти на магнитной ленте может быть выдана команда перемотки или продвижения на одну запись. Для каждого типа ВУ характерны специфичные для него команды управления.

Команда проверки применяется для проверки различных ситуаций- возникающих в МВВ и ВУ в процессе ввода/вывода. С помощью таких команд ЦП способен выяснить, включено ли ВУ, готово ли оно к работе, завершена ли последняя операция ввода/вывода и не возникли ли в ходе ее выполнения какие-либо ошибки. Действие команды сводится к установке или сбросу соответствующих разрядов регистра состояния МВВ.

Команда чтения побуждает модуль получить элемент данных из ВУ и занести его в регистр данных (РД). ЦП может получить этот элемент данных, запросив МВВ поместить его на шину данных.

Команда записи заставляет модуль принять элемент данных (байт или слово) с шины данных и переслать его в РД с последующей передачей в ВУ.

 

Если к МВВ подключено несколько ВУ, то в процедуре ввода/вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент прох изводятся операции В/ВЫВ.

Из блок-схемы (см. рис. 8.6) явно виден основной недостаток программно управляемого В/ВЫВ - неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации, в течение которого никаких иных пох лезных действий ЦП не выполняет. Кроме того, пересылка даже одного слова трех бует выполнения нескольких команд. ЦП должен тратить время на анализ битов состояния МВВ, запись в МВВ битов управления, чтение или запись данных со скоростью, определяемой внешним устройством. Все это также отрицательно сках зывается на эффективности ввода/вывода.

Главным аргументом в пользу программно управляемого ввода/вывода являх ется простота МВВ, поскольку основные функции по управлению В/ВЫВ берет на себя процессор. При одновременной работе с несколькими ВУ приоритет устройств легко изменить программными средствами (последовательностью опроса). Наконец, подключение к СВВ новых внешних устройств или

 

+

Известны два типа программно-управляемой передачи данных: синхронная, асинхронная.

Синхронная передача данных характерна для периферийных устройств, для которых известны временные соотношения. При этом типе передачи устройство ввода-вывода должно быть готово к приему или передаче данных за время, равное времени выполнения определенной команды процессора. Синхронная передача реализуется при минимальных затратах технических и программных средств.

Асинхронная передача данных, иногда называемая обменом посредством “рукопожатия”, широко используется в микроЭВМ. При такой передаче данных ЭВМ перед выполнением операции ввода-вывода проверяет состояние периферийного устройства. Блок-схема алгоритма асинхронного программного обмена (фрагмента некоторой программы) приведена на рис. 16.

Обычно при обмене необходимо:

• проверить состояние устройства (чтение регистра состояния (PC));
• активизировать устройство, если последнее готово к обмену;
• передать данные (чтение регистра данных (РД), запись РД);
• дезактивировать устройство.

Асинхронная передача является идеальной в смысле согласования временных различий между периферийными устройствами и процессором. Недостаток ее в том, что процессор вынужден ожидать, пока периферийное устройство не будет готово к обмену. Это приводит не только к непроизводительным затратам времени МП (при наличии длительных задержек), но и во многих случаях является просто недопустимым. Например, в процессах управления в этом случае возникает необходимость сохранения уровня сигналов управления на время ожидания передачи. Методом, позволяющим устранить подобные трудности, является передача данных с прерыванием программы.

Рис. 16. Блок-схема алгоритма асинхронного программного обмена