Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf

2.6. Прерывания

Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы.

Характеристики систем прерывания:

-время реакции TР — время между появлением запроса прерывания и началом

выполнения первой команды обработчика прерывания;

-затраты времени на переключение программ — суммарный расход времени на

запоминание TЗ и восстановление TВ состояния программы;

-эффективность прерывания η — отношение времени выполнения прерывающей

программы к общему времени, необходимому для обслуживания прерывания;

- Глубина прерывания - это максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга.

Обычно прерывание допускается после завершения выполнения текущей команды. В этом случае время реакции определяется в основном временем выполнения одной команды. Имеются ситуации, в которых желательно немедленное прерывание. Например, если аппаратура контроля обнаружила ошибку, то целесообразно сразу прервать операцию, пока ошибка не оказала влияние на следующие такты работы машины.

Процедура организации перехода к прерывающей программе выделяет из всех выставленных запросов тот, который имеет наибольший приоритет, выполняет передачу текущего состояния прерываемой программы из регистров процессора в стек, загружает в регистры процессора вектор прерывания и передает управление прерывающей программе.

2.7. Основополагающие функции данного оборудования:

2.7.1. Арифметические операции – это базовые математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление.

2.7.2. Логические операции (логическое умножение, логическое сложение, отрицание) представляют собой некоторые специальные операции, которые чаще используются при проверке соотношений между различными величинами. Это необходимо для работы компьютера.

2.8. В состав процессора входят:

2.8.1.Арифметико – логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.

2.8.2.Устройство управления (УУ) – Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера, выполняет следующие основные функции:

- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

- получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов. В обобщенной структуре УУ можно выделить две части: управляющую и адресную. Управляющая часть УУ предназначена для координирования работы операционного блока Адресная часть УУ обеспечивает формирование адресов команд и исполнительных адресов операндов в основной памяти.

2.8.3.Прямой доступ к памяти - это метод непосредственного обращения к памяти, минуя процессор. Процессор отвечает только за программирование ПДП: настройку на определенный тип передачи, задание начального адреса и размера массива обмениваемых данных. Обычно ПДП используется для обмена массивами данных между системной памятью и устройствами ввода-вывода.

2.9. Последовательная обработка команд в процессоре.

2.9.1.Начало выполнения любой команды в процессоре начинается с выборки её из памяти, размещении в регистре команд.

2.9.2.На втором этапе осуществляется декодирование команды её полей, содержащих информацию о месте нахождения операндов; кода операции для логических и арифметических команд

2.9.3.По окончании декодирования и подготовительных операций начинается выполнение команд. Блок управления координирует работу всех узлов процессора «разбивая» выполнение команды на временные интервалы (такты, микрокоманды, микрооперации) в зависимости от архитектуры его реализации «жесткая логика» или «микропрограммное управление».

2.9.4.На четвёртом этапе процессор получает значение после выполнения операций и производит запись в оперативную память.

2.10. Системы предикации и реализация её возможностей..

Предикация – это способ обработки условных ветвлений. Суть в том, что компилятор указывает, что обе ветви выполняются на процессоре параллельно, ведь EPIC-процессоры должны иметь много функциональных блоков. Если в исходной программе встречаются условное ветвление, то команды из различных ветвей помечаются разными регистрами предиката, далее эти команды выполняются, но не записываются пока значения регистра предиката не определены. Предикаты формируются как результат сравнения значений, хранящихся в двух регистрах. Результат сравнения («Истина» или «Ложь») заносится в один из РП, но одновременно с этим во второй РП записывается инверсное значение полученного результата.

2.11. Микропрограммный автомат и его разновидности.

2.11.1Микропрограммный автомат можно считать центральным узлом УУ. Именно МПА формирует последовательность сигналов управления, в соответствие с которыми производится все действия, необходимые для выборки команд из память и их выполнения. Исходной информацией для МПА служат преобразованный в дешифраторе код операции, состояние признаков, характеризующие результат предшествующих вычислений и внешних запросов на прерывание программы.

2.11.2.Микропрограммный автомат с аппаратной логикой – В микропрограммном автомате с аппаратной логикой входные сигналу управления реализуются за счёт когда-то соединённых логических схем. Код операции хранящийся в регистре команд используется для определения того, какие сигналы управления и в какой последовательности должны формироваться. Сигналы управления, с помощью которых реализуются команды должны генерироваться в строго определённое время.

2.11.3.Микропрограммный автомат с программируемой логикой – Отличительной особенностью микропрограммного автомата с программируемой логикой является наличие памяти микропрограмм. Каждой команде вычислительного устройства в этой памяти соответствует микропрограмма.

2.11.4. Нано команды используются непосредственно для формирования сигналов управления. Каждой микрокоманде соответствует нано команда, хранящаяся в управляющей памяти нижнего уровня. Основным недостатком нанопрограммирования является невысокое быстродействие, поскольку для выполнения микрокоманды требуются два обращения к памяти, что, однако, частично компенсируется исключением из схемы дешифратора.

2.12. Кодирование команд

Информация о том, какие сигналы управления должны быть сформированы в процессе выполнения текущей команды, в закодированном виде содержится в микрооперационной части команды. Способ кодирования операций во многом определяет сложность аппаратных средств устройства управления и его скоростные характеристики. Применяемые в командах варианты кодирования сигналов управления можно свести к трем группам: горизонтальное кодирование, вертикальное и смешанное кодирование.

2.12.1. При горизонтальном кодировании под каждый сигнал управления в операционной части команды выделен один разряд это позволяет в рамках одной команды формировать любые сочетания СУ, чем обеспечивается максимальный параллелизм выполнения операций.

2.12.2. При вертикальном кодировании каждой операции присваивается определенный код, например, ее порядковый номер в полном списке возможных операций. Такой способ кодирования требует минимальных аппаратных затрат, однако возникает необходимость в дешифраторе команд, который должен преобразовать код операции в соответствующий сигнал управления.

2.12.3. В горизонтально-вертикальном методе(смешанном) в каждую группу включаются взаимно несовместимые сигналы управления, то есть сигналы управления, которые никогда не встречаются вместе в одной команде. При этом сигналы, обычно формируемые в одном и том же такте, оказываются в разных группах. Внутри каждой группы сигналы управления кодируются вертикальным способом, а группы —горизонтальным способом.

2.13. Архитектура простейшей микропрограммной системы по принцыпу построения MPP- SMP систем.

Причина появления системы с массовой параллельной обработкой (MPP) – это, во-первых, необходимость построения ВС с гигантской производительностью, во-вторых, стремление раздвинуть границы производства ВС в большом диапазоне производительности и стоимости.

MPP-система состоит из множества однородных вычислительных узлов, число которых может исчисляться тысячами. Узел состоит из полного комплекса устройств необходимых для независимого функционирования (ЦП,ОЗУ, система ВВ\ВЫВ) т.е является полноценной вычислительной машиной. Каждый узел содержит сетевой адаптер, используемый для объединения узлов; система хорошо масштабируется (до тысяч узлов); работа системы координируется главной ВМ (хост-компьютером) или одним из узлов, выполняющим роль главной ВМ;

SMP- Симметричная многопроцессорная система, где два или более одинаковых процессоров подключены к одной ОП имеющая доступ ко всем устройствам ВВ/ВЫВ и управляется с помощью ОС в котором все процессоры равны.

2.14. Работа первичного управляющего автомата в режиме захвата шин.

Первичный автомат вырабатывает микроприказы, переводящие буферные схемы шин адреса и данных в высокоимпедансное состояние. Таким образом, реализуется принцип захвата циклов МП-системы для ввода-вывода данных. В режиме обмен данными между памятью и периферией производится без участия МП. В этом случае в процедурах обмена не участвует аккумулятор, а, следовательно, содержимое МП сохраняется неизменным. Наиболее целесообразен режим при обмене специально упакованными блоками данных. Режим дает возможность МП-системе отказаться от программного управления обменом данными, что приводит к повышению эффективности МП-системы, так как позволяет достаточно простыми средствами осуществить согласование работы медленно действующих периферийных устройств с высокой скоростью обработки данных в МП

2.15. Регистры общего назначения в микропроцессорах.

Регистры общего назначения на примере простых версий микропроцессоров в лице микроконтроллеров AVR: Для хранения информации микроконтроллеры имеют 32 регистра общего назначения(РОH) они имеют собственное имя, вот эти имена: R0, R1…R31 все команды преобразования данных (сложение, вычитание и т.д) Каждая команда в качестве операндов использует либо содержимое двух разных POH, либо содержимое POH и константу. Так же их используют для перемещения данных. Некоторые команды имеют ограничения по использованию РОH, команды обмена данными с регистрами ввода-вывода не могут использовать регистры R0-R15. AVR РОH восьмиразрядные. Регистры ввода-вывода- эти регистры позволяют обмениваться информацией лишь со встроенными периферийными устройствами самой микросхемы. Такие как таймер, компараторы и АЦП. Каждый регистр имеет свой номер, от $00 до $3F. Каждый регистр ввода-вывода имеет так же своё уникальное имя. Например, ЕЕAR, EEDR (это имена первого и второго регистра микроконтроллера семейства Tiny) то, что называют портами ввода-вывода в микроконтроллерах AVR называют регистрами ввода-вывода. Смещение понятия произошло из-за того, что для обмена информацией с внешними устройствами используются достаточно сложные схемы, имеющие несколько разных режимов. Область памяти совмещенная с регистрами ввода-вывода. Они существуют во всех микроконтроллерах AVR, адреса $0000 по $001F все ячейки области память одновременно являются регистрами общего назначения т.е записывая байт в адрес $0000 вы записываете данные в R0.