Микроархитектурный уровень

Над цифровым логическим уровнем находится микроархитектурный уровень. Его задача — интерпретация команд уровня 2 (уровня архитектуры команд). Строение микроархитектурного уровня зависит от того, каков уровень архитектуры команд, а также от стоимости и предназначения компьютера. В настоящее время уровень архитектуры команд часто содержит простые команды, которые выполняются за один цикл (таковы, в частности, системы RISC). В других системах (например, в системах Pentium II) на этом уровне имеются более сложные команды; выполнение одной такой команды занимает несколько циклов.

Пример микроархитектуры

В качестве примера рассмотрим микроархитектуру IJVM. Разработку данной микроархитектуры удобно считать проблемой программирования, при этом каждая команда уровня архитектуры команд — функция, вызываемая основной программой. В данном случае основная программа довольно проста. Она представляет собой бесконечный цикл. Сначала программа определяет, какую функцию нужно выполнить, затем вызывает эту функцию, а затем начинает все снова.

Микропрограмма содержит набор переменных, к которым имеют доступ все функции. Этот набор переменных называется состоянием компьютера. Каждая функция изменяет по крайней мере несколько переменных, формируя при этом состояние. Например, счетчик команд — это часть состояния. Он указывает местонахождение функции, которую нужно выполнить следующей.

Команды IJVM очень короткие. Каждая команда состоит из нескольких полей, обычно одного или двух, каждое из которых выполняет определенную функцию. Первое поле является кодом операции. Этот код определяет тип команды и сообщает, что это, например, команда сложения или команда ветвления, или еще какая-нибудь команда. Многие команды содержат дополнительное поле, которое определяет тип операнда. Например, команды, которые имеют доступ к локальным переменным, должны иметь специальное поле, чтобы определить, какая это переменная.

Такая модель выполнения команды, называемая иногда циклом выборка-исполнение, полезна для теории, а также может служить основой воплощения уровня архитектуры команд со сложными командами

Тракт данных

Тракт данных — это часть центрального процессора, состоящая из АЛУ (арифметико-логического устройства) и его входов и выходов. Тракт данных микроархитектуры IJVM показан на рис. 4.1. Он содержит ряд 32-разрядных регистров, которым приписаны символические названия (например, PC, SP, MDR). Эти регистры доступны только на микроархитектурном уровне (для микропрограммы). Им даны такие названия, поскольку они обычно содержат значения, соответствующие переменным с аналогичными названиями на уровне архитектуры команд Содержание большинства регистров передается на шину В. Выходной сигнал АЛУ запускает схему сдвига, а затем шину С. Значение из шины С может записываться в один или несколько регистров одновременно. Шину А мы введем позже, а пока представим, что ее нет

АЛУ, изображенное на рис. 4.1, содержит два входа для данных: левый вход (А) и правый вход (В). С левым входом связан регистр временного хранения Н. С правым входом связана шина В, в которую могут поступать значения из одного из девяти источников, что показано с помощью девяти серых стрелок, примыкающих к шине.

Рис. 4.1. Тракт данных микроархитектуры IJVM

В регистр Н может поступать функция АЛУ, которая проходит через правый вход (из шины В) к выходу АЛУ.

Существует еще две линии управления, которые используются независимо от остальных. Они служат для управления выходом АЛУ. Линия SLL8 (Shift Left Logical — логический сдвиг влево) сдвигает число влево на 1 байт, заполняя 8 самых младших двоичных разрядов нулями; линия SRA1 (Shift Right Arithmetic — арифметический сдвиг вправо) число вправо на 1 бит, оставляя самый старший двоичный разряд без изменений.

Синхронизация тракта данных

Как происходит синхронизация этих действий, показано на рис. 4.2. Здесь в начале каждого цикла генерируется короткий импульс. Он может выдаваться задающим генератором, как показано на рис. 3.20, в. На заднем фронте импульса устанавливаются биты, которые будут запускать все вентили. Этот процесс занимает определенный отрезок времени Δw. Затем выбирается регистр, и его значение передается на шину В. На это требуется время Δх. Затем АЛУ и схема сдвига начинают оперировать поступившими к ним данными. После промежутка Δу выходные сигналы АЛУ и схемы сдвига стабилизируются. В течение следующего отрезка Δz результаты проходят по шине С к регистрам, куда они загружаются на нарастающем фронте следующего импульса. Загрузка должна запускаться фронтом сигнала и осуществляться мгновенно, так что даже в случае изменений каких-либо входных регистров изменения в шине С будут происходить только после полной загрузки регистров. На нарастающем фронте импульса регистр, запускающий шину В, приостанавливает свою работу и ждет следующего цикла.

Рис. 4.2. Временная диаграмма цикла тракта данных

Цикл тракта данных можно разбить на подциклы. Начало подцикла 1 запускается задним фронтом синхронизирующего сигнала. Ниже показано, что происходит во время каждого из подциклов. В скобках приводится длина подцикла.

1. Устанавливаются сигналы управления (Δw).

2. Значения регистров загружаются на шину В (Δх).

3. Происходит работа АЛУ и схемы сдвига (Δу).

4. Результаты проходят по шине С обратно к регистрам (Δz).

На нарастающем фронте следующего цикла результаты сохраняются в регистрах.

Дата добавления: 2014-01-20