3.1. Назначение и структура центрального процессора

Центральный процессор — основное устройство ЭВМ, которое наряду с обработкой данных выполняет функции управления системой: иницииро­вание ввода-вывода, обработку системных событий, управление доступом к сновной памяти и т.п.

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (рис. 3.1): средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, систем­ные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с фиксирован­ной и плавающей точкой, операций с десятичными данными и полями пере­менной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также управляющих регистров. К средствам управле­ния памятью относятся средства управления доступом к ОП и предвыборкой команд, буферная память, средства защиты памяти. Средства управления вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ программ через кон­троллеры (каналы) к периферийному оборудованию. К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, тай­мер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный (стандартный) минимальный набор функцио­нальных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства выполнения стандартного набо­ра операций и средства управления вычислительным процессом. Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализа­ции, техническими параметрами.

                Структурно все функциональные средства разбиваются на следующие устройства (рис. 3.2): центральное устройство управления (ЦУУ), арифмети­ко-логическое устройство (АЛУ), устройство управления памятью (УУП), сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), устройство предвыборки команд и данных (УП) и интерфейс магистрали (ИМ).

Центральное устройство управления включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний. Дешифратор команд дешифрирует команды, которые поступают из блока предварительной выборки (очереди команд). Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигна­лов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполне­ние очередной команды и переход к следующей. Блок прерываний проводит анализ запросов на прерывания, формирует сигнал прерывания работы про­цессора и код (вектор) запроса с наивысшим приоритетом.

Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции набора команд ЭВМ. В состав устройства входят тра­диционные арифметико-логические блоки, специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения), буферные и рабочие регистры, ино­гда собственный блок управления. Во многих случаях выполнение операций с плавающей точкой осуществляется в отдельном блоке (процессоре), кото­рый имеет собственные регистры данных, управления и работает параллель­но с центральным процессором.

Сверхоперативное ЗУ (регистровый файл) содержит регистры общего назначения (РОН), в которых хранятся данные и адреса.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения центрального процессора и подсистемы ввода-вывода с опера­тивной памятью. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной ад­ресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического ад­реса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страни­цы. Наличие блоков сегментации и страничной адресации, их одновременное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы. Сегментация полезна для организации в памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы нужны сис­темному программисту для эффективного использования физической памяти системы.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память (кэш-память первого уровня). Первый осуществляет заполнение очереди команд, причем выборка из памяти произ­водится в промежутках между магистральными циклами команд. Внутренняя кэш-память позволяет существенно повысить производительность процессо­ра за счет буферизации в ней часто используемых команд и данных, сокра­щения числа обращений к оперативной памяти.

Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена центрального про­цессора с памятью, контроллерами (каналами) ввода-вывода, другими актив­ными устройствами системы. Обмен осуществляется с помощью шин дан­ных, адреса и управления. Состав линий управления, тактовая сетка, магист­ральные циклы обмена существенно отличаются у различных типов процес­соров.

В современных суперскалярных процессорах используется целый ряд параллельно функционирующих исполнительных устройств (от 2 до 6 уст­ройств). В их состав могут входить:

- несколько целочисленных устройств;

- устройство плавающей точки;

- устройство выполнения переходов;

- устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных пе­реходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлений пере­хода принимается немедленно, в противном случае выполнение последую­щих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и ре­гистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой сто­роны, обрабатываются устройством загрузки/записи.

Центральный процессор — основное устройство ЭВМ, которое наряду с обработкой данных выполняет функции управления системой: иницииро­вание ввода-вывода, обработку системных событий, управление доступом к сновной памяти и т.п.

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (рис. 3.1): средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, систем­ные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с фиксирован­ной и плавающей точкой, операций с десятичными данными и полями пере­менной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также управляющих регистров. К средствам управле­ния памятью относятся средства управления доступом к ОП и предвыборкой команд, буферная память, средства защиты памяти. Средства управления вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ программ через кон­троллеры (каналы) к периферийному оборудованию. К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, тай­мер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный (стандартный) минимальный набор функцио­нальных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства выполнения стандартного набо­ра операций и средства управления вычислительным процессом. Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализа­ции, техническими параметрами.

                Структурно все функциональные средства разбиваются на следующие устройства (рис. 3.2): центральное устройство управления (ЦУУ), арифмети­ко-логическое устройство (АЛУ), устройство управления памятью (УУП), сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), устройство предвыборки команд и данных (УП) и интерфейс магистрали (ИМ).

Центральное устройство управления включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний. Дешифратор команд дешифрирует команды, которые поступают из блока предварительной выборки (очереди команд). Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигна­лов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполне­ние очередной команды и переход к следующей. Блок прерываний проводит анализ запросов на прерывания, формирует сигнал прерывания работы про­цессора и код (вектор) запроса с наивысшим приоритетом.

Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции набора команд ЭВМ. В состав устройства входят тра­диционные арифметико-логические блоки, специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения), буферные и рабочие регистры, ино­гда собственный блок управления. Во многих случаях выполнение операций с плавающей точкой осуществляется в отдельном блоке (процессоре), кото­рый имеет собственные регистры данных, управления и работает параллель­но с центральным процессором.

Сверхоперативное ЗУ (регистровый файл) содержит регистры общего назначения (РОН), в которых хранятся данные и адреса.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения центрального процессора и подсистемы ввода-вывода с опера­тивной памятью. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной ад­ресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического ад­реса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страни­цы. Наличие блоков сегментации и страничной адресации, их одновременное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы. Сегментация полезна для организации в памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы нужны сис­темному программисту для эффективного использования физической памяти системы.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память (кэш-память первого уровня). Первый осуществляет заполнение очереди команд, причем выборка из памяти произ­водится в промежутках между магистральными циклами команд. Внутренняя кэш-память позволяет существенно повысить производительность процессо­ра за счет буферизации в ней часто используемых команд и данных, сокра­щения числа обращений к оперативной памяти.

Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена центрального про­цессора с памятью, контроллерами (каналами) ввода-вывода, другими актив­ными устройствами системы. Обмен осуществляется с помощью шин дан­ных, адреса и управления. Состав линий управления, тактовая сетка, магист­ральные циклы обмена существенно отличаются у различных типов процес­соров.

В современных суперскалярных процессорах используется целый ряд параллельно функционирующих исполнительных устройств (от 2 до 6 уст­ройств). В их состав могут входить:

- несколько целочисленных устройств;

- устройство плавающей точки;

- устройство выполнения переходов;

- устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных пе­реходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлений пере­хода принимается немедленно, в противном случае выполнение последую­щих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и ре­гистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой сто­роны, обрабатываются устройством загрузки/записи.