Архитектурная организация процессора

1. АРХИТЕКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРА.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ КОМПЬЮТЕРА

                           1.1. Архитектурная организация процессора

   Под архитектурой ЭВМ понимается логическая организация, структура и ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу, обработки данных на определенный интервал времени.

   Процессор занимает  в архитектуре ЭВМ центральное  место, осуществляем управление  взаимодействия всех основных  компонент, входящих в состав  ЭВМ. Он непосредственно осуществляет  обработку информации и программное управление данным процессом дешифрирует и выполняет команды программ, организует обращение к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует операции ввода/вывода и работу периферийных устройств, воспринимает и запросы, поступающие как от устройств ЭВМ, так и из внешней среды (организация системы прерываний).

   Выполнение каждой  команды состоит из выполнения  более мелких операций-микрокоманд, выполняющих определенные элементарные  действия. Набор микрокоманд определяется  системой команд логической структурой  конкретной ЭВМ. Таким образом, каждая команда ЭВМ реализуется соответствующей микропрограммой, хранящейся в постоянной запоминающем устройстве (ПЗУ). В некоторых ЭВМ ( в первую очередь, специализированных) все или часть команд реализуются аппаратной, что позволяет повышать их производительность за счет потери определенной части гибкости системы команд машины. Как один, так и второй способ реализации команд ЭВМ имеет свои плюсы и минусы.

   Язык микропрограммирования  предназначен для описания цифровых  устройств, функционирующих на уровне  регистров. Он имеет простые и  наглядные средства описания  машинных слов, регистров, шин других  базовых элементов ЭВМ. С учетом  сказанного, иерархию языков описания  вычислительного процесса на  ЭВМ можно предоставить, в общем  случае, на четырех уровнях:

 (1) булева операция (функционирования комбинационных ЛС) =>

 (2) микрокоманда ( функционирование ЭВМ) =>

(3) (функционирование ЭВМ) =>

(4) оператор ЯВУ (описание  алгоритма решаемой задачи).

   Для определения  временных соотношений между  микрокомандами устанавливается  единица времени (такт), в течении которой выполняется самая продолжительная микрокоманда. Поэтому выполнение одной команды ЭВМ синхроимпульсами, генерируемыми специальным устройством процессора-тактовая частота (измеряемая в МГц) в значительной степени определяет быстродействие ЭВМ. Естественно, для других классов ЭВМ данный показатель иным образом связывается с производительностью, определяемой такими дополнительными формами, как:

-ширина доступа в память;

-время выработки;

-разрядность;

-архитектура процессора  и его сопроцессоров.

   Укрупненная схема  центрального процессора (ЦП) некоторой  формальной ЭВМ представлена  на рисунке, где изображены только  основные его блоки, управляющие  регистры (УР), устройство управления (УУ), ПЗУ, арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистровая память (РП), кэш-память  и интерфейсный блок (ИБ).

   Наряду с перечисленным ЦП содержит ряд других блоков (прерывания, защиты ОП, контроля и диагностики и др.), структура и назначение которых здесь не рассматриваются. Блок УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующий текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредствам посылки управляющих сигналов обмен данными ЦП <-> ОП, хранения и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование и диагностика и др. Поэтому УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП; однако на практике большинство управляющих линии, передающих сигналы для синхронизации операции во всех устройствах ЭВМ и принимающих сигналы об их состоянии.

   Блок УР предназначен  для временного хранения управляющий  информации и содержит регистры  и счетчики, участвующие совместно  с УУ в управлении вычислительным  процессом.

   Блок РП содержит  регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объема, позволяющее  повысить быстродействие и логическое  возможности ЦП.

   Блок АЛУ служит  для выполнения арифметических и логических операции над данными поступающими из ОП и хранящимися в РП и работает под управлением.   

   Центральный процессор выполняет программу начальной проверки, совершая тысячи мелких шагов; в данном случае каждый шаг заключается в обработке байта данных. Этот байт может представлять собой часть адреса, код инструкции или элемент данных найденных по определённому адресу (скажем, цифру или букву алфавита). Байт – это набор сигналов высоким или низким уровнем напряжения, которые передаются либо по адресной шине (жёлтая полоса), либо по шине данных (красная).

   Центральный процессор включает в себя следующие блоки:

   Блок ПЗУ - постоянно запоминающее устройство.

   Блок оперативной памяти (ОП).

   Устройство управления (УУ) которое вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством посылки управляющих сигналов. Обмен данными ЦП Û ОП, хранение и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование, диагностика и др. В блок УУ входит панель или консоль, динамически отображающая работу УУ (а значит и ЭВМ) и позволяющая оператору визуально её отслеживать и влиять (при необходимости) на последующих ход обработки; например, диагностика ошибок, сбоев и их устранение.

   Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ), в качестве которых могут выступать другие процессоры и ЭВМ.

Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.

   Кэш-память – новый нетрадиционный тип внутренней памяти ЭВМ, время доступа к которой, значительно меньше (не более нескольких десятков наносекунд), чем к ОП.

   Внешние устройства (ВУ). Под памятью ЭВМ понимаются запоминающие устройства (ЗУ). Стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ. Память ЭВМ имеет многоуровневую организацию:

внутренняя (сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП).

   Кэш-память, внутренняя память ЭВМ. В настоящее время память этого типа широко используется в мини, общего назначения и супер- ЭВМ, а также в более мощных ПК. Кэш-память выполняется на быстродействующих БИС и её быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ.             Кэш-память используется для ранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляя своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяя получать существенный временной выигрыш.

   Оперативная память (ОП) служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты),непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ и УУ процессора.        Информация в ОП сохраняется только при наличии питания (сеть, батарея); поэтому во избежание потери информации, используемые для наиболее важных работ ЭВМ различных классов обеспечиваются автономным блоком питания (UPS), который автоматически включается при отключении основного питания (переносные ПК). В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие ЦА и ОП под управлением первого: из ОП в ЦП поступают команды и операнды, над которыми производятся операции (определяемые их кодами в командах), а из ЦП в ОП записываются промежуточные и конечные результаты обработки. В настоящее время объём     ОП колеблется в широком диапазоне, от 640Кбайт (для простых ПК), до нескольких гигабайт у супер- ЭВМ; время обращения к памяти менее 0,2мкс; в качестве элементной используется в основном полупроводниковая база (диапазоны значений времени доступа в наносекундах: СВОП-5-15, кэш-10-50, ПЗУ-30-200, ОП-50-150). Развитие элементной базы постоянно корректирует эти показатели в сторону уменьшения; при этом скорость уменьшения увеличивается.

   Адресная память – размещение и поиск информации в ней основаны на адресном принципе хранения слов; адресом слова является номер его ячейки.

   При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер(адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры (база, смещение).

   Ассоциативная память – обеспечивает поиск нужной информации по её содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой вид памяти позволяет существенно ускорить и упростить обработку информации, что достигается за счёт совмещения операции доступа с выполнение ряда логических операций.

    Стыковая память – также является безадресной и её можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг в другом последовательной передачей слов: запись нового слова в ОП производится в её верхнюю ячейку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячейку вниз, т.е. получают адреса на 1 больше прежних (до операции записи). Считывание в такого типа памяти производится только из её 0-ячейки; при этом, если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. В данной части работы рассмотрим вопросы адресации и системы команд ЭВМ , объединяющие работу двух основных компонентов ЦП и ОП в единое целое. Внутренняя память ЭВМ обычно является адресуемой, т.е. каждой хранимой в ней единице информации (байт, слово) ставится в соответствие адрес (номер ячейки или регистра). В качестве адресуемых единиц информации используются, как правило, байт, слова фиксированной и переменной длины. Являясь универсальной относительно обработки дискретной информации, ЭВМ обеспечивает все типы её обработки: приём, собственно обработку, хранение и выдачу в нужном виде. Обработка информации производится программным путём покомандного выполнения соответствующего алгоритма обработки, описанного на языке системы команд конкретной ЭВМ. Команда представляет собой машинное слово, содержащее код операции (КОП) и операнды (данные), код которыми должна быть произведена операция с указанным кодом. Команда в явной или неявной форме содержит также адреса для результата выполнения операции и следующей выполняемой команды. По характеру выполняемых операций команды образуют следующие основные группы: арифметические, десятичной арифметики, логические, передача кодов, передачи управления, определения режима работы ЭВМ, ввода/вывода и др. Команда, как правило, содержит не сами операнды, а адреса регистров или ячеек памяти, их содержащие.

   Как правило, система команд современных ЭВМ использует несколько типов адресации, например: прямая, относительная, непосредственная, укороченная, стыковая и т.д. (их количество может превышать 20), указываемых посредством КОП (сложение, умножение, передача управления и др.) или явно специальным полем адресной части команды.

   Прямая – предполагает идентичность понятий.

   Относительная – характеризуется соотношением.

   Непосредственная – содержит сам операнд, а не его адрес.

   Укороченная – в команде задаются только младшие разряды адресов, старшие при этом полагаются нулевыми (используется совместно с другими).

   Стыковая – реализующая безадресное задание операндов, особенно широко используется в микро-, мини-, и некоторых супер- ЭВМ .

   ЭВМ в совокупности с их ОП с полным основанием можно отнести к наиболее сложным системам, созданным современной цивилизацией. Их сложность определяется многочисленностью разно - функциональных элементов, большим числом связей между ними и сложностью алгоритмов функционирования и обработки информации. Где ВУ - внешние устройства, обмениваются с ЦП и ОП, включая основную управляющую информацию, позволяют использовать одни и те же ВУ, различными типами и классами ЭВМ, удовлетворяющими определённым стандартам. При этом унифицированные форматы данных преобразуются в индивидуальные в блоках управления ВУ (БУВУ). Инфицированность распространяется на общий интерфейс обмена информацией между ВУ и ЦП+ОП, а также на формат и набор команд ввода/вывода ЦП. Выполнение общих функций возлагается на специальные устройства СС – контроллеры (Конт) прямого доступа к ОП и каналы (процессоры) ввода /вывода, а специфические – на адаптеры (БУВУ) конкретного типа ВУ. Если современный массовый ПК имеет весьма ограниченный набор ВУ (как правило: клавиатура, дисплей, пышь, НГМД, НМД типа Винчестер и принтер), то мини- и ЭВМ общего назначения имеют достаточно обширную периферию ВУ различных типов, назначения и количества.

                     1.2. Принципы работы компьютера фон Неймана

   Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

   В основу построения  большинства компьютеров положены  принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом. Работа над ENIAC была в самом происхождения Джоном фон Нейманом, был консультантом американской секретной программы по созданию атомной бомбы и занимался вопросом о том, как повысить счетные мощности для решения необходимых дифференциальных уравнений.

   Во время работы  на EDVAC в 1945г. между разработчиками произошел крупный конфликт. Дело в том, что EDVAC стал базой для третьей масштабной теоритической работы по вычислительной технике (первая, описание «аналитической машины», принадлежала Чарльзу Бэббиджу, вторая - Атланту Тьюрингу). Но ни Мочли, ни Эккерт не смогли сообщить свои знания и абстрагировать от радиоламп и электронных схем. Фон Нейман написал «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором детально изложил логическую организацию и общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств.