Функционально-регистровая организация ЭВМ

Назначение и взаимодействие основных блоков модели и составляющих их элементов

Следующим, более низким после структурной модели (см. рис. 4.37) уровнем в иерархии представления фоннеймановской ЭВМ является ее функционально-регистровая модель (рис. 4.38), раскрывающая принцип взаимодействия основных блоков (центрального процессора и памяти) на уровне регистров.

Центральный процессор (ЦП)

В ЦП можно выделить две основные части: управляющую (центральное устройство управления — ЦУУ) и операционную (ОЧ). Операционная часть содержит средства, в частности АЛУ и различные регистры, необходимые для преобразования информации. ЦУУ организует автоматическое выполнение программ и функционирование ЭВМ как единой системы.

Рис. 4.38. Функционально-регистровая ЭВМ Дж. фон Неймана

ЦП работает циклически, т.е. выполняя каждую команду программы, он повторяет одни и те же действия:

• ? выборка команды из ОП;
• ? выборка данных из ОП (формирует адрес операндов и осуществляет их чтение из ОП);
• ? выполнение операции, указанной в выбранной команде, например сложение, вычитание, пересылка и др.;
• ? запись результата по указанному в команде адресу;
• ? формирование адреса следующей команды.

Выполнение команды процессора разделяется на более мелкие

операции микропроцессора — микрооперации (МкОп).

МкОп — это определенные элементарные действия над машинными данными. Совокупность МкОп называется микрокомандой (МкК). Последовательность МкК, обеспечивающая выполнение данной операции, например умножение двух чисел с фиксированной точкой (ФТ), называется микропрограммой (МкП).

Таким образом, каждая команда ЭВМ реализуется соответствующей МкП, хранящейся в ПЗУ.

Процесс функционирования ЦП во времени представляет собой последовательность тактов (интервалов). Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет) и расположенная на материнской плате. Частота F_T — один из показателей, определяющих быстродействие ЦП и в значительной степени быстродействие ЭВМ в целом. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 1,77 МГц, а сегодня рабочие частоты процессоров уже превышают миллиард тактов в секунду (1 ГГц).

Для выполнения одной команды ЭВМ требуется, как правило, несколько тактов. В течение каждого из них выполняется одна МкК микропрограммы, реализующей данную команду ЭВМ. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Так, для многих ПК частота F_T = ~ 433 МГц при работе с ОП, а без памяти — более 2 ГГц.

Последовательность сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности МкК, находящихся в ПЗУ, вырабатывает центральное устройство управления (ЦУУ). Кроме того, ЦУУ координирует работу всех устройств ЭВМ путем посылки управляющих сигналов, а именно: обмен информацией между ЦП и ОП, хранение и обработка информации, интерфейс и диагностика и др.

В ходе вычислительного процесса (последовательность действий, составляющих задачу обработки информации) ЦП работает в режиме непосредственного обмена с основной памятью (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Взаимодействие ЦП с ОП

По быстродействию ОП и ЦП должны быть согласованы, но поскольку обмен данными внутри ЦП происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с ОП; для уменынения числа обращений к ней внутри ЦП создают буферную область — так называемую кэш-память (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Обмен данными с ОП через буфер

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор (МП) будет использовать в ближайшие такты своей работы. Кэш-память работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Быстрый доступ к кэш-данным позволяет сократить время выполнения очередных команд и повысить производительность ЭВМ.

Основным элементом операционной части ЦП является арифметико-логическое устройство (АЛУ), условное обозначение которого на схемах приведено на рис. 4.41. АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций (сложение, вычитание, конъюнкция и др.), предусмотренных системой команд ЭВМ. Тип операции, выполняемой АЛУ, задается с помощью сигнала «Функция АЛУ», выдаваемого ДКОП (задается той частью командного слова, которая называется КОП).

Рис. 4.41. Обозначение АЛУ на схемах Z — результат операции, реализуемой АЛУ; X, Y, Z — двоичные либо двоично-десятичные слова; * — любая из арифметических либо логических операций, входящих в СК ЭВМ

Структура АЛУ приведена на рис. 4.42.

Рис. 4.42. Структура АЛУ

В состав АЛУ входят:

• ? арифметико-логическая схема (АЛС) — сложная комбинационная схема, настраиваемая на выполнение арифметических, логических и других операций в соответствии с кодом операции команды, хранящимся в регистре команд (РК). Это могут быть операции над двоичными числами с ФТ и ПТ, над десятичными числами, представленными в двоичной форме, либо операции по обработке символьной информации над словами фиксированной и переменной длины и др. Логические операции выполняются над отдельными битами, группами битов, байтами и их последовательностями. АЛУ характеризуется набором операций, которые оно выполняет, и средним быстродействием, т.е. количеством операций, выполняемых в единицу времени;
• ? регистр-аккумулятор (РгА), в котором фиксируется результат реализуемой операции (также может хранить один из операндов двоичных операций);
• ? регистры РгХ и РгУ для хранения исходных операндов;
• ? -регистр признаков (флажков) результата: признак нуля (Z — zero);

признак знака (S — sign); признак переноса (С — carry); признак переполнения (О — overflow); признак четности (Р — parity) и др.

Каждый из признаков в регистре PrF занимает один бит, хранится в виде пуля либо единицы и формируются следующим образом:

1, если нули во всех разрядах РгА, v РгА

О в противном случае. Например, если 00001000 , то Z = 0;

• 7 0
• 11, в случае отрицательного результата (содержимое РгА<0),

[ 0 в случае положительного результата (содержимое РгА > 0).

Флажок S дублирует старший бит аккумулятора.

• 1, если результат операции превышает диапазон допустимых О = чисел и не размещается в разрядной сетке (Z < Z_max),
• 0 в противном случае; f 1, если число единиц в РгА четно,

|0 в противном случае;

^ 11, если есть перенос из старшего разряда РгА,

10 в противном случае.

Принципы выполнения арифметико-логических операций в АЛУ являются общими для ЭВМ различных классов. Различия касаются схемотехнического решения организации АЛУ и принципов реализации операций, обеспечивающих ускорение их выполнения.

Конструктивно АЛУ может быть выполнено на большой интегральной схеме (БИС) или СБИС (одна или несколько). При этом ЦП может содержать одно АЛУ специального типа или несколько специализированных для каждой операции. В последнем случае повышается структурная сложность ЦП, но возрастает быстродействие и упрощается вычисление отдельных операций. Такой подход широко используется в современных ЭВМ общего назначения и суперЭВМ.

Роль сверхбыстродействующей памяти ЭВМ (более высокого быстродействия, чем ОП) выполняют регистры общего назначения (РОНы), входящие в операционную часть ЦП. Это память небольшого объема, повышающая его быстродействие и логические возможности. РОНы служат для временного хранения операндов, результатов операций и используются в качестве базовых и индексных регистров, указателей стека и др.

Неотъемлемым элементом управляющей части ЦП любой ЭВМ, построенной в соответствии с принципом программного управления, является указатель команд IP (Instruction Pointer) или счетчик команд. Это двоичный счетчик, в котором хранится и модифицируется адрес очередной команды программы. Получить его можно, увеличив адрес ячейки, из которой была считана текущая команда, на длину выполняемой 1, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима обеспечивает указатель команд IP, т.е.

Регистр команд (РК) служит для временного хранения кодов команд программы, считываемых из памяти и подлежащих выполнению. Команда становится «видимой» для процессора только с момента загрузки команды в РК. Процесс загрузки команды в РК называется выборкой команды.

Регистр адреса памяти (РАП) хранит адрес ячейки основной памяти, с которым производится обмен данными вплоть до завершения операции с этой ячейкой (считывание или запись).

Регистр данных памяти (РДП) служит буфером при работе с памятью: при чтении в него заносится содержимое ячейки ОП, при записи помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Момент считывания и записи в ячейку определяется соответственно сигналами ЧтЗУ и ЗпЗУ.

Дешифратор кода операции (ДКОП) на основе кода команды генерирует сигналы, определяющие функцию АЛУ, и инициирует процессы считывания необходимых операндов.

Основными параметрами процессора являются:

• ? разрядность (определяется разрядностью внутренних регистров) показывает, сколько бит данных процессор может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных;
• ? быстродействие; исполнение каждой команды в процессоре занимает определенное число тактов, и чем выше частота тактов (от 4,77 МГц и больше), тем больше команд в единицу времени он может выполнить. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая в отличие от него, изготовленного на кристалле кремния, представляет собой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам предел тактовой частоты лежит в диапазоне от 100 до 133 МГц. Для получения более высокой частоты происходит внутреннее умножение исходной частоты на коэффициенты к = 3; 3,5; 4
• ? система и структура команд; различают команды: одноадресные, двухадресные, трехадресные (см. рис. 4.29);
• ? способ представления данных (с ФТ или с ПТ либо в BCD-форматах);
• ? способы адресации данных;
• ? объем регистровой памяти (число РОНов);
• ? способ организации машинного цикла.