Процессоры в эвм. Структура гипотетического процессора

0. Типы процессоров. Операционная и управляющая часть.

1. Полный цикл работы процессора

(1) Любая вычислительная машина имеет в своей структуре процессор как основную составляющую часть. Многообразие ЭВМ в основном определяется организацией процедуры обработки. Принято вычислительные машины разделять в зависимости от процессора: одно и много процессорные. На сегодня это деление условно, поскольку современные микропроцессоры сочетают в себе несколько процессоров. И по нормам десятилетней давности д.б. отнесены к много процессорной структуре. Поэтому для определенности целесообразно считать за один процессор – корпус, ориентируясь на конструктивное выполнение.

По функциям процессоры делятся на: универсальные и специализированные. Первые выполняют типовой набор операций и любая задача может быть максимально реализована. Вторые ориентированы в системе команд на выполнение редких специальных операций: дополнительно или вместо универсальных. Задача таких структур – оптимизировать время выполнения команд. Большинство процессоров - универсальны.

Простейшая структура универсального процессора предусматривает операционное устройства (сумматор), два основных регистра и регистр расширения. Последовательно передавая информацию, такая структура позволит выполнить любую операцию через сложение/вычитание и последовательное преобразование.

Специализированные схемы включают «быстрые» преобразования за счет аппаратных средств.

По способу преобразования информации: последовательные схемы, параллельные процессоры, векторные и матричные процессоры, однородные вычислительные схемы (транспьютеры)

Последовательные структуры – универсальные, обычно процессоры в которых последующая команда выполняется после окончания предыдущей. Режим не влияет на последовательность выполнения команд: предыдущая завершилась, последующая началась.

Параллельные процессоры – как правило многопроцессорные структуры в которых возможно выполнение операций над частями операндов: одни – схемы над младшей частью, другие над средней, третьи над старшей частью. Но разделение операнда на части сегодня уже не используется. Этот подход остался на секциях, поэтому современные сменные параллельные процессоры обрабатывают операнды одновременно но команды различные. Синхронизация по времени, обеспечение операндов – задача довольно сложная, она решается усложнением программы. Направление, которое на сегодня развивается, но не очень успешно.

Векторные процессоры – параллельное включение нескольких процессоров, как правило, для работы с комплексными переменными, где каждый процессор обрабатывает свою координату. От параллельного включения отличается тем, что задача одна, а в предыдущем случае задачи могут быть различными. Их можно отнести к специализированным по специфике команд.

Матричные процессоры сочетают в себе параллельный ряд модулей и конвейер – несколько слоев последовательного преобразования. Структура используется для ускорения выполнения сложных преобразований (вектора, матрицы и т.д.). По своему назначению относятся к специализированным структурам.

Однородные вычислительные секции. Преобразование повышения скорости преобразования информации привели к разработке однородных вычислительных сред (ОВС). ОВС имеет матричную структуру процессора, в которой каждая ячейка выполняет одну не сложную но перестраиваемую операцию. Чтобы определить эти ячейки в таких структурах устанавливают связь каждой ячейки со всеми своими соседями. На сегодня в качестве ячеек ОВС применяют транспьютеры. Вариант микропроцессора с небольшим АЛУ. Но с множеством коммутаторов, позволяющих быстро передавать операнды.

Процессоры также делятся по условиям эксплуатации на широко применяемые и специализированные. Помимо рассмотренных параметров каждый процессор имеет характеристики ЭВМ (разрядность, DMA, тактовые частоты)

Операционная и управляющая часть процессор.

Структуру любого процессора как цифрового автомата можно представить состоящей из двух частей: управляющая и операционная части. Операционная часть выполняет непосредственно преобразования операндов А и В, формируя выходной сигнал Y. Управляющая часть из КОП формирует множество управляющих сигналов, каждый из которых отвечает за настройку своего узла в операционной части. Эти сигналы принято называть микрокоманды, поскольку на каждый период сигнала синхронизации они свои. Управляющая часть – цифровой автомат, который в зависимости от входного КОП последовательно формирует микрокоманды. Его структура на сегодня преимущественно ПЛМ, ПЗЗ (программируемая логическая матрица).

Операционная помимо выходных сигналов Y по окончании каждой команды посылает в управляющую часть спец сигналы, называемые «признаки» (флаги). Эти сигналы необходимы для учета условий ветвления и как правило отражают наиболее характерные качества результата: 1) равенство результата 0, Z=1, 2) сигнал выходного переноса, С=1, 3) признак старшего разряда S=1.

Помимо трех основных встречаются : 1) переполнение OWR, 2)четность результата Р, 3) перенос из одной тэтрады в другую.

Признаки призваны помогать пользователю в управлении процедурой вычисления. В зависимости от типа процессора соотношение аппаратных составляющих управляющей части и операционной различно.

(2) Работу процессора можно рассматривать согласно его синхросигналов, т.е. поделить время выполнения команды на составляющие. У процессора выделяют: 1) понятие такта 2) понятие цикла.

Такт – это интервал времени между двумя соседними тактовыми сигналами (период). Величина такта строго постоянна для всей вычислительной системы и определяется из наибольшей задержки при выполнении микрокоманды. Наибольшая задержка определяется временем преобразования в АЛУ + запись в регистр хранения. Тактовый генератор, определяющий этот интервал, может иметь и меньшую частоту, процессор простаивает.

Время цикла – интервал времени за который процессор из памяти считает или запишет туда операнды, при этом выполняется микрокоманды анализа, сохранения результата и анализа внешнего сигнала. Принято работу процессора представлять из различных циклов: выборка команд, чтение памяти, запись в память, цикл прямого доступа к памяти, цикл обработки прерываний и т.д. Такое деление принято в системах с командами типа IBM. В DEC структуре различают три типа основных циклов: ввод, вывод, ввод – модификация – вывод.

Пример: цикл для МП К580ВМ80

0. выборка – с нее начинается выполнение любой команды

1 такт – процессор выставляет начальный адрес(или адрес определенный предыдущей командой.) и его содержимое. По ШД идет в процессор и остается в регистре команд. Где поступает на дешифратор. Код команды расшифровывается во втором такте, с учетом входных сигналов управления режима процессора. Если эти сигналы пассивны, процессор продолжает выполнять команду т.е настраивает внутренние коммутаторы на выполнение команды. Команда выполняется в течении 3,4,5 тактов. Фактически для выполнения команды достаточно одного такта. Дополнительные такты используются для записи результатов или чтения ШД. Т.о. длительность цикла, выборка для различных команд изменяется от3 до5 тактов. Вместе с адресацией в ПЗУ на первом такте устройство управления процессора выставляет на ШД слово состояния процессора (ССП). Это восьмиразрядный код несущий информацию о типе цикла. Любая команда начинается с выборки, поэтому в первом цикле всегда устанавливается код выборки. Длительность цикла равна периоду адресного сигнала на младшем разряде.