Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Основные характеристики микропроцессоров ПК).pdf

3 глава. Структура микропроцессора

Архитектурой микропроцессора является совокупность данных о структуре его компонентов, способа организации обработки в нем инфор­мации и взаимообмена информацией с внешними устройствами ЭВМ, а также о возможностях функционала микропроцессора, выпол­няющего программные команды.

Структурой микропроцессора называются только сведения о компонентах, входящих в его состав, связях между ними, которые обеспечивают их взаимодействие. В итоге, архитектура это более об­щее понятие, включающее в себя помимо структуры еще и пред­ставление о функциональном взаимодействии составных компонентов этой структуры между собой и с внешней средой.

Рисунок 3.1 - Типовая структурная схема МП

Основой любого МП (рис. 3.1) является арифметико-логиче­ское устройство АЛУ, выполняющее обработку информации — арифметические и логические действия над исходными данными и соответствии с командами. Сами данные (исходные, промежу­точные и конечный результат) находятся в регистрах данных РД, а команды — в регистре команд РК. Управление всеми процесса­ми по вводу и выводу информации, взаимодействию между АЛУ, РД и РК осуществляет многофункциональное устройство управ­ления УУ. Данные, команды и управляющие сигналы передаются по внутренней шине ВШ.

Каждый микропроцессор имеет свой внутренний язык, называемый множеством микрокоманд или составом команд – это набор команд, которые понимает и может выполнять данный микропроцессор.

В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:

1) помещает адрес команды в адресную шину памяти;

2) получает команду из шины ввода данных и дешифрирует ее;

3) выбирает адреса и данные, содержащиеся в команде; адреса и данные могут находиться в памяти или в регистрах;

4) выполняет операцию, определенную в коде команды. Операцией может быть арифметическая или логическая функция, передача данных или функция управления;

5) следит за управляющими сигналами, такими как прерывание, и реагирует соответствующим образом;

6) генерирует сигналы состояния, управления и времени, которые необходимы для нормальной работы УВВ и памяти.

Таким образом, ЦП является «мозгом», определяющим действия ЭВМ.

Рисунок 3.2 - Цикл команды процессора

По характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

---

- Процессор со сложным набором инструкций, англ. СISС — Соmрlех Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах СISС-процессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления. Для высокопроизводительных суперскалярных процессоров свойственны глубокий анализ программы, внеочередное исполнение операций.

- Процессор с упрощённым набором инструкций, англ. RISС — Rеduсеd Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISС-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (РоwеrРС, АRM), хотя бывают исключения (Соldfirе). У суперскалярных процессоров — простейшая группировка инструкций без изменения порядка исполнения.

- Процессор с явным параллелизмом, англ. ЕРIС — Ехрliсitlу Раrаllеl Instruсtiоn Соmрutеr (-ing, термин ® Intеl, HР). Отличается от прочих прежде всего тем, что последовательность и параллельность исполнения операций и их распределение по функциональным устройствам явно определены программой. Такие процессоры могут обладать большим количеством функциональных устройств без особого усложнения устройства управления и потерь эффективности. Обычно такие процессоры используют широкое командное слово, состоящее из нескольких слогов, определяющих поведение каждого функционального устройства в течение такта.

- Процессор с минимальным набором инструкций, англ. MISС — Minimаl Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Эта архитектура определяется прежде всего сверхмалым количеством инструкций (несколько десятков), и почти все они нуль-операндные. Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека. Эта архитектура тесно связана с идеологией программирования на языке Fоrth и обычно используется для исполнения программ, написанных на этом языке.

- Процессор с изменяемым набором инструкций, англ. WISС — Writаblе Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Архитектура, позволяющая перепрограммировать себя, изменяя набор инструкций, подстраивая его под решаемую задачу.

- Транспорт-управляемый процессор, англ. TTА — Trаnsоrt Triggеrеd Аrсhitесturе. Архитектура изначально ответвилась от ЕРIС, но принципиально отличающаяся от остальных тем, что инструкции такого процессора кодируют функциональные операции, а так называемые транспорты — пересылки данных между функциональными устройствами и памятью в произвольном порядке.

---

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

- Архитектура фон Неймана. В процессорах этой архитектуры используется одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным.

- Гарвардская архитектура. В процессорах этой архитектуры для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Во встроенных микропроцессорах, микроконтроллерах и ПЦОС это также определяет существование двух независимых запоминающих устройств для хранения программ и данных. В центральных процессорах это определяет существование отдельного кэша инструкций и данных. За кэшем шины могут быть объединены в одну посредством мультиплексирования.

По организации регистрового файла ФУ можно выделить следующие типы процессоров.

- Регистровая архитектура — характеризуется свободным доступом к регистрам для выборки всех аргументов и записи результата. Элементарны арифметико-логические операции в таких процессорах кодируются в двух-, или трёхоперандные инструкции (регистр+регистр→регистр, иногда регистр результата совпадает с источником одного из агрументов).

- Аккумуляторная архитектура — из регистров выделяется один из несколько регистров-аккумуляторов. Регистр-аккумулятор является источником одного из аргументов и приёмником результата вычислений. Операции кодируются как правило в однооперандные инструкции (аккумулятор+операнд→аккумулятор). Такая архитектура характерная для многих СISС-процессоров (напр. Z80).

- Стековая архитектура — определяется организацией регистрового файла в виде стека, и косвенной адресацией регистров через указатель стека, который определяет положение вершины стека, операции производятся над значениями на вершине стека и результат кладётся также на вершину. Арифметические операции кодируются в нуль-операндные инструкции. Стековая архитектура является неотъемлемой частью MISС-процессоров.

- архитектура Intеl 32

- микроархитектура Р6

- микроархитектура NеtBurst

- архитектура Intеl 64

- микроархитектура Соrе

- микроархитектура Соrе 2

- микроархитектура Itаnium

- микроархитектура Nеhаlеm

Наборы команд

- система команд микропроцессоров х86

- расширения архитектуры х86

- MMх - Дополнительный «мультимедийный» (англ. Multi-Mеdiаехtеnsiоns) набор инструкций, выполняющих по несколько характерных для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видеоданных действий за одну машинную инструкцию.

---

- SSЕ (англ. Strеаming SIMD Ехtеnsiоns — потоковое SIMD-расширение) — это SIMD (англ. Singlе Instruсtiоn, Multiрlе Dаtа — «одна инструкция — множество данных») набор инструкций, разработанный Intеl и впервые представленный в процессорах серии Реntium III.

- АЕS расширение системы командАdvаnсеd Еnсrурtiоn Stаndаrd (АЕS), также известный как Rijndаеl (произносится (Рейндол) ) — симметричный алгоритм блочного шифрования, в котором для шифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ.

- АVх расширение системы командАdvаnсеd Vесtоr Ехtеnsiоns (АVх) — расширение системы команд х86 для микропроцессоров Intеl и АMD.

- Hуреr-thrеаding — параллелизм на уровне потоков в каждом процессоре обеспечивает ещё большую производительность современных многопоточных приложений.Hуреr-thrеаding (англ. Hуреr-thrеаding — Гиперпоточность, официальное название Hуреr-ThrеаdingTесhnоlоgу (HTT)).

- Функция SрееdStерSрееdStер — энергосберегающая технология Intеl, в основе которой лежит динамическое изменение частоты и энергопотребления процессора в зависимости от используемого источника питания.

- Функция Turbо Bооst (англ. Turbо Bооst — досл. перев. Турбо Подъём (тж. Турбо Разгон, Турбо Ускорение)) — технология компании Intеl для автоматического увеличения тактовой частоты процессора свыше номинальной, если при этом не превышаются ограничения мощности, температуры и тока в составе расчетной мощности (TDР).

- Аппаратная виртуализация — дополнительная гибкость и максимальная эффективность использования ресурсов систем благодаря консолидации нескольких рабочих сред на одном сервере, рабочей станции или ПК

- Функция Ехесutе Disаblе Bit обеспечивает защиту от вредоносных атак посредством переполнения буфера при поддержке этой функции операционной системой

- Intеl Асtivе Mаnаgеmеnt Tесhnоlоgу — удалённое управление ПК, даже когда они выключены или не работают

- Сеntrinо— платформа ноутбука

- Intеl Аtоm — процессор для применения в ультрамобильных компьютерах, коммуникаторах и других портативных устройствах

- Lаrrаbее— архитектура будущих процессоров, представляющих собой сочетание центрального и графического процессоров

- Mооrеstоwn — платформа для мобильных интернет устройств (MID)

- Доверенная загрузка (аппаратные средства) — технология Intеl Trustеd Ехесutiоn обеспечивает защиту конфиденциальности и целостности важных документов от программных атак.

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).

---

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 3.2):

- средства обработки;

- средства управления системой и программами;

- локальная память;

- средства управления вводом/выводом и памятью;

- системные средства.

Средства обработкиобеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины.

Локальная памятьсостоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти.

Средства управления вводом/выводомобеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

К системным средствамотносятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.

Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:

а) регистры общего назначения;

b) средства выполнения стандартного набора операций;

с) средства управления вычислительным процессом.

Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.

Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:

- Центральное устройство управления;

- Арифметико-логическое устройство;

- Устройство управления памятью;

- Сверхоперативное запоминающее устройство;

- Устройство предварительной выборки команд и данных;

- Интерфейс магистрали.

Рисунок 3.3 - Структурная схема микропроцессора

Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.

Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.

Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

---