Лекция 6 Внутренняя организация процессора

Лекция 6 Внутренняя организация процессора

Архитектура компьютеров первого поколения.

 Архитектура компьютеров первого поколения - это типичная фон-Неймановская архитектура. Команды и данные представляются в двоичном коде. Выполняемая программа и оперативные данные выполняемой программы хранятся в оперативной памяти (ОЗУ). Постояное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянных данных и программ. Так, например, в ПЗУ хранятся служебные программы, обеспечивающие взаимодействие оператора (пользователя) с компьютером при помощи устройств ввода-вывода (УВВ) и устройства управления (УУ). При вводе и выводе данных в компьютерах первого поколения процессор простаивает. Среди устройств ввода-вывода важное место занимает пульт управления, предназначенный для оператора. Оператор может прервать выполнение программы, внести необходимые изменения, и вновь выполнить программу или перейти к решению другой задачи. Пульт управления связан с процессором при помощи устройства управления, формирующего необходимые управляющие сигналы. Условно структура компьютера первого поколения представлена на рисунке 1.1.

 

Рис.1.1. Архитектура компьютера первого поколения.

 

Введение мультиплексных и селекторных каналов.

Мультиплексный канал обеспечивает обмен с однородными устройствами (терминалами). Обслуживается несколько медленных устройств одновременно.

Селекторный канал служит для скоростного обмена между основной памятью и быстродействующими внешними устройствами. Особенно важно организовать быстрый обмен с видеосистемой компьютера при обработке графической информации. Селекторный канал работает в монопольном режиме и обслуживает только одно устройство.

Структура процессора

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и из внешней среды (“запросы прерывания”).

Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

Выполнение команды (машинной операции) разделено на более мелкие этапы — микрооперации (микрокоманды), во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций определяется системой команд и логической структурой данной ЭЗМ. Последовательность микроопераций (микрокоманд), реализующих данную операцию (команду), образует микропрограмму операции.

Для определений временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором синхросигналов.

Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация (микрокоманда).

В процессор входят: арифметическо - логическое устройство АЛУ, управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.

В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки, участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.). Оперативная (основная) память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование.

Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины и др. Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы.

В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.

Управляющее устройство (управляющий автомат) вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.

Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора, регистр-счетчик адреса команды — счетчик команд (СчК), счетчики тактов, регистр запросов прерывания и др. К блоку управляющих регистров следует также отнести управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы процессора.

Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и микропроцессора в их состав включают блок регистровой памяти (местную память) небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Регистры этого блока (или ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороченной регистровой адресации и служат для хранения операндов, в качестве аккумуляторов (регистров результата операций), базовых и индексных регистров, указателя стека.

Местная память выполняется главным образом на быстродействующих полупроводниковых интегральных ЗУ.

Блок связи (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с оперативной памятью и защиту участков ОП от недозволенных данной программе обращений, а также связь процессора с периферийными устройствами и внешним по отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.д.).

 

Рис 1.3 Блок-схема процессора Intel 80286

 

Устройство управления.

Структура УУ определяется важнейшей характеристикой процессора – адресностью машинных команд. Рассмотрим структуру УУ для двухадресных команд и взаимодействие его элементов в процессе функционирования:

УВв, УВыв, внешняя память, АЛУ

 

 

Блок центрального управления генерирует сигнал о начале выполнения очередной команды (связь 1). Ее адрес А находится в счетчике адреса команд.

Блок выборки из памяти по сигналу считывает из ОЗУ по адресу А, который выбирается из счетчика адреса команд (связь 8), очередную команду (связь 2) и помещает ее на временное хранение в регистр команд (связь 3).

Дешифратор кода операции выбирает код (связь 4) и расшифровывает его. Затем передает информацию блоку формирования управляющих сигналов (связь 10):

· если операция арифметическая, от блока формирования управляющих сигналов поступает сигнал в блок выборки из памяти (связь 5) с командой считать из ОЗУ операнды, расположенные по адресам, указанным в регистрах первого и второго операндов (связь 6), и поместить их в соответствующие регистры АЛУ (о структуре АЛУ см. в п. 9.3). Затем формируется сигнал в АЛУ на выполнение нужной операции (связь 7). Счетчик адреса команд увеличивается на объем команды (связь 9);

· если операция ввода-вывода, блок формирования управляющих сигналов формирует сигнал УВв и УВыв (связь 7). Счетчик адреса увеличивается на объем команды (по связи 9);

· если операция условного перехода, блок центрального управления анализирует результат предыдущей операции, находящийся в АЛУ. Если знак результата отрицателен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра первого операнда. Если знак положителен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра второго операнда. Если результат равен 0, в счетчик адреса команд добавляется 1 (эти связи не показаны). Так реализуется принцип условного перехода.

· если операция безусловного перехода, в счетчик адреса команд пересылается содержимое регистра первого операнда (связь не показана).

 

Регистры процессора.

В процессоре имеется набор регистров, представляющих собой область памяти быстрого доступа, но намного меньшей емкости, чем основная память. Регистры процессора выполняют две функции.

Регистры, доступные пользователю. Эти регистры позволяют программисту сократить число обращений к основной памяти, оптимизируя использование регистров с помощью машинного языка или ассемблера. В состав языков высокого уровня входят оптимизирующие компиляторы, построенные на алгоритмах, которые, в частности, позволяют определить, какие переменные следует заносить в регистры, а какие — в основную память. Некоторые языки высокого уровня, такие, как С, предоставляют программисту возможность предложить компилятору хранить те или иные данные в регистрах.

Регистры управления и регистры состояния. Используются в процессоре для контроля над выполняемыми операциями; с их помощью привилегированные программы операционной системы могут контролировать ход выполнения других программ.
Для разделения регистров на эти две категории не существует определенного признака. Например, на некоторых машинах оператор имеет возможность следить за состоянием программного счетчика, а на других — нет. Однако такое разделение удобно при дальнейшем рассмотрении.

Основные группы команд МП.

По характеру операций различают следующие группы команд:

A. команда арифметических операций для чисел с ПТ и ФТ.

B. команда десятичной арифметики.

C. команда логических операций.

D. команда передачи кодов.

E. команда операций ввода/вывода.

F. команда управления порядком исполнения команд (передача управления).

G. команда управления режимом работы.

 

Рассмотрим особенности некоторых групп команд.

Команды передачи управления

Для определения адреса текущей команды МП имеет в своем составе специальный регистр указатель адреса команды или счетчик команд PC, IP.

Модификация РС происходит сразу после выборки команды (или ее байта). Поскольку чаще всего используется естественная адресация команд, то возникает необходимость в командах передачи управления для реализации ветвления алгоритмов. Для этого используются специальные команды:

· n команды перехода

· n команды замещения

· n команды смены состояния процессора

· n команды запроса прерывания

 

1. команды перехода.

Адресная часть команды непосредственно или после суммирования с содержимым базового регистра передается в счетчик команд, т.е. адрес следующей команды задается командой перехода.

Используются команды безусловного и условного переходов.

1.1 Команды безусловного перехода

 

 

Переход может осуществляться и переход по косвенному адресу

На косвенную адресацию указывает либо КОП, либо специальный бит в поле команды

 

1.2 Команды условного перехода

Адрес следующей команды зависит от выполнения некоторого условия:

 

 

М- код признака (маска условия)

Команды могут быть с относительной и косвенной адресацией.

Пример: МП  8080.

 

 

Если условие выполняется, то в счетчик команд загружается новый адрес.

 

1.3 Команды вызова подпрограмм

Отличие от команд перехода заключается в том, чтобы по окончании подпрограммы реализовать возврат в прежнюю точку программы. Для этого необходимо сохранить адрес возврата.

Перед выполнением передачи управления содержимое РС, указывающее на следующую команду программы запоминается по адресу, указываемого в команде (обычно регистр или стек). При этом организуется дополнительная команда возврата из подпрограммы, которая восстанавливает содержимое счетчика команд.

Пример:

 

 

1.4 команды замещения.

Команда замещения - вместо очередной команды используется замещающая команда, находящаяся по адресу, указанному в команде “выполнить”. Выполнение этой замещающей команды не должно приводить к изменению РС. После исполнения этой команды продолжается естественный ход программы (это не JMP).

Команда “выполнение” - аналог подпрограммы, состоящей из одной команды без сохранения адреса возврата.

 

 

Лекция 6 Внутренняя организация процессора