Структура процессора

Основные элементы процессора:

Регистры

АЛУ – арифметико-логическое устройство

БУ – блок управления

ТГ – тактовый генератор

Регистры – это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции.

Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд).

Тактовый генератор, или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора. С помощью тактовых импульсов выполняется синхронизация для внутренних команд процессора и остальных устройств. Тактовый генератор вырабатывает (генерирует) прямоугольные импульсы, которые следуют с определённой частотой (для разных процессоров частота разная).

В теории электронно-вычислительных машин различают два понятия: машинный такт и машинный цикл.

Машинный такт соответствует одному периоду импульсов тактового генератора и является основной единицей измерения времени выполнения команд процессором.

Машинный цикл состоит из нескольких машинных тактов. Машинный цикл – это время, необходимое для выполнения одной команды.

Машинный цикл может отличаться для разных команд. Для простых команд может потребоваться всего 1-2 машинных такта. В то время как для сложных команд, таких как умножение, может потребоваться до 50 машинных тактов и более. Это очень важный момент. Когда вы будете писать реальные программы, которые очень критичны к быстродействию, следует помнить о том, что разные команды требуют соответствующего времени работы процессора. То есть одни и те же действия можно выполнить, например, за 100 машинных тактов, а можно и за 20. Это зависит от опыта и квалификации программиста, а также от конкретных задач.

Доработка программы таким образом, чтобы она выполнялась максимально быстро (то есть для её выполнения требовалось как можно меньше машинных тактов) называется оптимизация по быстродействию. В таких случаях часто приходится чем-то жертвовать, например, усложнять программу или увеличивать её размер. Есть и другие типы оптимизации, например, оптимизация по размеру. В этом случае обычно жертвуют быстродействием, чтобы получить программу с минимальным размером исполняемого файла. Выбор оптимизации зависит от конкретной задачи. Вопросы оптимизации будут рассмотрены в соответствующем разделе.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Регистр PSW

АЛУ представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций, а также операции логического сдвига, обнуления, установки и т. п.

АЛУ состоит из регистра аккумулятора, регистра временного хранения, ПЗУ констант, сумматора, дополнительного регистра (регистра В), аккумулятора, регистра состояния программы.

Регистр аккумулятора и регистр временного хранения — восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр В — восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций пересылки.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы. Обозначение разрядов регистра PSW и назначение разрядов приведены соответственно в таблицах 1, 2.

Флаг переноса CY может устанавливаться и сбрасываться как аппаратными, так и программными средствами. Флаг CY может быть программно прочитан. Аппаратными средствами флаг CY устанавливается, если в старшем бите результата возникает перенос или заем. При выполнении операций умножения и деления флаг CY сбрасывается. Кроме того, флаг CY выполняет функции "булева аккумулятора" в командах, работающих с битами.

Флаг дополнительного переноса АС программно доступен по записи ("0" и "1") и чтению.

Флаги F0, RS1, RS0 программно доступны по записи ("0" и "1") и чтению.

Флаг переполнения OV программно доступен по записи ("0" и "1") и чтению. Устанавливается аппаратно, если результат операции сложения/вычитания не укладывается в семи битах и старший (восьмой) бит результата не может интерпретироваться как знаковый. При выполнении операции деления флаг OV аппаратно сбрасывается, а в случае деления на нуль устанавливается. При умножении флаг OV аппаратно устанавливается, если результат больше 255.

Флаг Р является дополнением содержимого аккумулятора до четности. В 9-разрядном слове, состоящем из 8 разрядов аккумулятора и бита Р, всегда содержится четное число единичных битов. В случае, если в аккумуляторе все разряды установлены в "0", флаг Р примет нулевое значение. Программно доступен только по чтению.

Таймеры/счетчики (Т/С) предназначены для подсчета внешних событий, для получения программно управляемых временных задержек и выполнения времязадающих функций ОМЭВМ.

В состав блока Т/С входят:

1) два 16-разрядных регистра Т/С 0 и Т/С 1;

2) восьмиразрядный регистр режимов Т/С (TMOD);

3) восьмиразрядный регистр управления (TCON);

4) схема инкремента;

Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)

CISC и RISC архитектуры

Основные отличия CISC и RISC архитектур

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники (в соответствии с [2]) являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 – 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.

Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеются в виду Pentium и Pentium Pro), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.

Преимущества и недостатки архитектуры PA-RISC компании Hewlett Packard

Основой разработки современных изделий Hewlett-Packard является архитектура PA-RISC. Она была разработана компанией в 1986 году и с тех пор прошла несколько стадий своего развития благодаря успехам интегральной технологии от многокристального до однокристального исполнения. В сентябре 1992 года компания Hewlett-Packard объявила о создании своего суперскалярного процессора PA-7100, который с тех пор стал основой построения семейства рабочих станций HP 9000 Series 700 и семейства бизнес-серверов HP 9000 Series 800. В настоящее время имеются 33-, 50- и 99 МГц реализации кристалла PA-7100. Кроме того выпущены модифицированные, улучшенные по многим параметрам кристаллы PA-7100LC с тактовой частотой 64, 80 и 100 МГц, и PA-7150 с тактовой частотой 125 МГц, а также PA-7200 с тактовой частотой 90 и 100 МГц. Компания активно разрабатывает процессор следующего поколения HP 8000, которые будет работать с тактовой частотой 200 МГц и обеспечивать уровень 360 единиц SPECint92 и 550 единиц SPECfp92. Появление этого кристалла ожидается в 1996 году. Кроме того, Hewlett-Packard в сотрудничестве с Intel планируют создать новый процессор с очень длинным командным словом (VLIW-архитектура), который будет совместим как с семейством Intel x86, так и семейством PA-RISC. Выпуск этого процессора планируется на 1998 год.

Дата добавления: 2014-01-06