ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.06.2021
Просмотров: 314
Скачиваний: 1
Тема 3. Функциональная и структурная организация процессора.
Лекция 5. Общие принципы построения вычислительных машин
1. Функциональная организация фон-неймановской ВМ.
2. Архитектура IA-32 процессоров INTEL.
1. Функциональная организация фон-неймановской ВМ
На схеме показана гипотетическая ВМ с аккумуляторной архитектурой (рис. 1).
Рис. 1. Модель Фон-неймановской ВМ
Для упрощения изложения приняты следующие характеристики машины:
одноадресные команды. Адресная часть команды содержит только один адрес. При выполнении операций с двумя операндами предполагается, что другой операнд находится в специальном регистре АЛУ — аккумуляторе, а результат также остается в аккумуляторе;
единство форматов. Длина команд и данных совпадает с разрядностью ячеек памяти, то есть любая команда или операнд занимают только одну ячейку памяти. Таким образом, адрес очередной команды в памяти может быть получен путем прибавления единицы к адресу текущей команды, а для извлечения из памяти любой команды или любого операнда достаточно одного обращения к памяти.
На функциональной схеме показаны типовые узлы каждого из основных устройств ВМ, а также сигналы, инициирующие выполнение отдельных операций по пересылке информации и ее обработке, необходимых для функционирования машины.
Счетчик команд (СК) – неотъемлемый элемент устройства управления любой ЭВМ построенной в соответствии с фон-неймановским принципом программного управления. Согласно этому принципу соседние команды программы располагаются в ячейках памяти со следующими по порядку адресами и выполняются преимущественно в той же очередности, в какой они размещены в памяти ВМ.
Таким образом, адрес очередной команды может быть получен путем увеличения адреса ячейки, из которой была считана команда, на длину выполняемой команды, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима и призван обеспечивать счетчик команд – двоичный счетчик, в котором хранится и модифицируется адрес очередной команды программы. Перед началом вычислений в СК заносится адрес ячейки основной памяти, где хранится команда, которая должна быть выполнена первой. В процессе выполнения каждой команды путем увеличения содержимого СК на длину выполняемой команды в счетчике формируется адрес следующей подлежащей выполнению команды. В рассматриваемой ВМ любая команда занимает одну ячейку, поэтому содержимое СК увеличивается на единицу, что обеспечивается подачей сигнала управления +1СК. По завершении текущей команды адрес следующей команды программы всегда берется из счетчика команд. Для изменения естественного порядка вычислений (перехода в иную точку программы) достаточно занести в СК адрес точки перехода.
В ряде ВМ счетчик команд реализуется в виде обычного регистра, а увеличение его содержимого производится внешней схемой (схемой инкремента/декремента).
Регистр команды
Счетчик команд определяет лишь местоположение команды в памяти, но не содержит информации о том, что это за команда. Чтобы приступить к выполнению команды, ее необходимо извлечь из памяти и разместить в регистре команды (РК). Этот этап носит название выборки команды. 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. Это позволяет по коду операции определить, требуются ли считывание из памяти и загрузка в РК остальных слов команды. Собственно выполнение команды начинается только после занесения в РК ее полного кода.
Указатель стека
Указатель стека (УС) – это регистр, где хранится адрес вершины стека. В реальных вычислительных машинах стек реализуется в виде участка основной памяти, обычно расположенного в области наибольших адресов.
Регистр адреса памяти
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
Регистр данных памяти (РДП) призван компенсировать разницу в быстродействии запоминающих устройств и устройств, выступающих в роли источников и потребителей хранимой информации. В РДП при чтении заносится содержимое ячейки ОП, а при записи – помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Собственно момент считывания и записи в ячейку определяется сигналами ЧтЗУ и ЗпЗУ соответственно.
Дешифратор кода операции
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.
Микропрограммный автомат
Микропрограммный автомат (МПА) формирует последовательность сигналов управления, в соответствии с которыми производятся 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
Это устройство, как следует из его названия, предназначено для арифметической и логической обработки данных. Оно содержит следующие узлы.
Операционный блок
Операционный блок (ОПБ) представляет собой ту часть АЛУ, которая, собственно, и выполняет арифметические и логические операции над операндами. Выбор конкретной операции из возможного списка операций для данного ОПБ определяется кодом операции команды. 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 PY обеспечивают сохранение операндов на входе операционного блока вплоть до получения результата операции и его записи (например, в аккумулятор).
Регистр признаков
Регистр признаков (РПрз) 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
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 аккумуляторе может храниться результат предыдущей команды и в него же заносится результат очередной операции. Через Акк зачастую производятся операции ввода и вывода.
Основная память
Вне зависимости от типа используемых микросхем основная память (ОП) представляет собой массив запоминающих элементов (ЗЭ), организованных в виде ячеек, способных хранить некую единицу информации, обычно один байт. Каждая ячейка имеет уникальный адрес. Ячейки ОП организованы в виде матрицы, а выбор ячейки осуществляется путем подачи разрешающих сигналов на соответствующие строку и столбец этой матрицы. Это обеспечивается дешифратором адреса памяти, преобразующим поступивший из РАН адрес ячейки в разрешающие сигналы, подаваемые в горизонтальную и вертикальную линии, на пересечении которых расположена адресуемая ячейка. При современной емкости ОП для реализации данных сигналов приходится использовать несколько микросхем запоминающих устройств (ЗУ). В этих условиях процесс обращения к ячейке состоит из выбора нужной микросхемы (на основании старших разрядов адреса) и выбора ячейки внутри микросхемы (определяется младшими разрядами адреса). Первая часть процедуры производится внешними схемами, а вторая — внутри микросхем ЗУ.
Модуль ввода/вывода
Задачей МВВ является обеспечение подключения к ВМ различных периферийных устройств (ПУ) и обмена информацией с ними. В рассматриваемом варианте МВВ состоит из дешифратора номера порта ввода/вывода, множества портов ввода и множества портов вывода.
Порты ввода и порты вывода
Портом называют схему, ответственную за передачу информации из периферийного устройства ввода в аккумулятор АЛУ (порт ввода) или из аккумулятора на периферийное устройство вывода (порт вывода). Порт обеспечивает электрическое и логическое сопряжение ВМ с подключенным к нему периферийным устройством.
Дешифратор номера порта ввода/вывода
В модуле ввода/вывода каждое ПУ подключается к своему порту. Каждый порт имеет уникальный номер, который указывается в адресной части команд ввода/вывода. Дешифратор номера порта ввода/вывода (ДВВ) обеспечивает преобразование номера порта в сигнал, разрешающий операцию ввода или вывода на соответствующем порте. Непосредственно ввод (вывод) происходит при поступлении из МПА сигнала Вв (Выв).
Микрооперации и микропрограммы
Логика функционирования ВМ обеспечивается МПА. Процесс функционирования вычислительной машины состоит из последовательности пересылок информации между ее узлами и элементарных действий, выполняемых в узлах. Любое элементарное действие производится при поступлении соответствующего сигнала управления (СУ) из микропрограммного автомата устройства управления. Возможная частота формирования сигналов на выходе автомата определяется синхронизирующими импульсами, поступающими от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Элементарные пересылки или преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями. В течение одного такта могут одновременно выполняться несколько микроопераций. Совокупность сигналов управления, вызывающих микрооперации, выполняемые в одном такте, называют микрокомандой. Относительно сложные действия, осуществляемые вычислительной машиной в процессе ее работы, реализуются как последовательность микроопераций и могут быть заданы последовательностью микрокоманд, называемой микропрограммой.
Описание слов, шин, регистров
Основным элементом данных, с которым оперирует микропрограмма, является слово.
Описание слова состоит из названия (идентификатора) и разрядного указателя. Идентификатором может быть произвольная последовательность букв и цифр, начинающаяся с буквы. Разрядный указатель состоит из номеров старшего и младшего разрядов слова, разделенных дефисом. Номер старшего разряда записывается слева от черты, а номер младшего – справа. Указатель заключается в круглые скобки. Так, описание слова, представляющего 32-разрядный адрес записывается в виде Асп(31-0). Разрядный указатель может опускаться, если это не вызывает недоразумений (например, если слово уже было описано раньше).
В структуре вычислительной машины важную роль играют шины. Шиной называется совокупность цепей, используемых для передачи слов. Одна цепь обеспечивает передачу бита информации. Описание шины, как и слова, состоит из идентификатора и разрядного указателя. Например, описание 32-разрядной шины адреса имеет вид ША(31-0).
Описание регистра также включает в себя названия регистра и разрядного указателя. Напроимер, команда имеет длину 32 бита и состоит из 8-разрядного кода операции, 4-разрядного поля способа адресации и 20-разрядного поля адреса. Тогда описание регистра команды выглядит следующим образом:
РК(31-0),
а описания его отдельных элементов и соответственно полей команды имеют вид: РК(31-24), РК(23-20), РК(19-0). Вместо номеров разрядов в разрядном указателе можно записывать наименование поля слова. Тогда два первых поля регистра команды могут быть представлены так: РК(КОП), РК(СА).
Описание 32-разрядного регистра РПЗ для хранения чисел с плавающей запятой, где число состоит из трех полей: s (поле знака мантиссы, бит 31), р (поле порядка, биты 30-23) и m (поле мантиссы, биты 22-0), задается в виде РПЗ(31 • 30-23 • 22-0) или PПЗ(s • р • т). Здесь точка обозначает операцию составления целого слова из его частей.
Описание памяти, слова памяти
В самом общем виде описание памяти емкостью 1000 16-разрядных слов имеет вид: ПАМ[000:999](15-0). Здесь ПАМ – стандартное название памяти. В квадратных скобках записывается адресный указатель (слева от двоеточия адрес первого, а справа – адрес последнего слова памяти). Наконец, в круглые скобки заключается разрядный указатель слова (все слова памяти имеют одинаковую разрядность).
Примеры.
Описания модулей ОЗУ, содержащих по 1 Кбайт (1024 байта):
ОЗУ1[0000:1023](7-0); ОЗУ2[1024:2047](7-0).
Описания модулей ПЗУ, содержащих по 8192 32-разрядных слова:
ПЗУ1[000016:0FFF16](0-31); ПЗУ2[100016:1FFF16](0-31).1
Здесь адреса слов указаны в шестнадцатеричном коде, в каждом слове старший разряд имеет номер 0, а младший – 31.
Описание слова памяти поделено на две части: идентификатор области памяти и адресный указатель слова (в квадратных скобках). Допускается символическая запись адреса, а также косвенное указание адреса слова.
Примеры описаний слов памяти: ОЗУ1[211], или ОЗУ1[Аисп], или ОЗУ1[(РАП)], где Аисп – символический адрес, (РАП) – косвенный адрес, значение которого содержится в регистре РАП.
Описание микроопераций
Под микрооперацией понимается элементарная функциональная операция, выполняемая над словами под воздействием одного сигнала управления, который вырабатывается устройством управления ВМ. В зависимости от количества преобразуемых слов (операндов) различают одноместные, двухместные и трехместные микрооперации.
Описание микрооперации складывается из двух частей, разделяемых двоеточием – МЕТКА: МИКРООПЕРАТОР.
Метка – это обозначение сигнала управления, вызывающего выполнение микрооперации. Метка принимает два значения: 1 – микрооперация выполняется, 0 – не выполняется.