Урок 13

Функціональна схема мікропроцесора. 

Мікропроцесор має такі складові частини: пристрій формування адрес команд і операндів; операційний пристрій, тобто пристрій виконання команд; при­стрій керування; система шин, призначена для взаємодії пристро­їв мікропроцесора між собою.

Розглянемо будову, принцип дії й основні характеристики цих складових частин мікропроцесора.

Пристрій виконання команд

Пристрій виконання команд призначений для прийому ко­манд із пам'яті через шину даних, дешифрування команд, тобто розкладання команд на елементарні дії, виконання цих дій у пев­ній послідовності.

У свою чергу, пристрій виконання команд складається з та­ких основних частин: блок попередньої вибірки команд; блок де­шифрування команд; виконавчий блок.

Блок попередньої вибірки команд призначений для отриман­ня команд із шини даних і розміщення їх у черзі наперед вибра­них команд. Режим попередньої вибірки команд є майже в усіх сучасних мікропроцесорах і призначений для суміщення вико­нання певних операцій, що дає істотне прискорення виконання програми у цілому.

Блок дешифрування команд вилучає чергову команду з чер­ги попередньої вибірки, перетворює її на послідовність елементар­них операцій і розміщує дешифровану команду в чергу, де вона очікує виконання. Команду можна дешифрувати апаратним і про­грамним способами. У мікропроцесорах, де реалізовано апаратний спосіб дешифрування команд, команда розкладається на еле­ментарні дії, і кожну таку дію виконує спеціальний пристрій, наприклад, операцію додавання виконує суматор, операцію мно­ження — перемножувач, добування квадратного кореня — спеці­альний пристрій для добування кореня тощо.

У мікропроцесорах із програмною реалізацією кожна коман­да розкладається на послідовність елементарних операцій (мікрокоманд), які виконуються у певній послідовності, тобто для кож­ної команди складається спеціальна програма — мікропрограма виконання цієї команди. Наприклад, команда додавання двох чи­сел розкладається на такі елементарні операції, як запис першого доданку в один регістр суматора, запис другого доданку в другий регістр суматора, пересилання результату додавання з регістра ре­зультату в пам'ять тощо. Команда множення двох чисел розклада­ється на ряд послідовних додавань. Щоб виконати команду до­бування квадратного кореня з числа, функція кореня розкладається у ряд, тобто у послідовність операцій множення, ділення, піднесен­ня до степеня. Операція піднесення до степеня замінюється послі­довністю операцій множення, а операція множення — послідовніс­тю операцій додавання. Мікропрограми зберігаються у спеціальному пристрої пам'яті, який називається пам'яттю мікропрограм. Дешифрування команд при мікропрограмному способі реалізації команд полягає у зчитуванні відповідної мікропрограми з пам'яті й виконанні послідовності мікрокоманд.

У багатьох випадках реалізується змішаний спосіб виконання команд — частина команд виконується апаратним способом, а решта — програмним способом.

Виконавчий блок безпосередньо здійснює виконання дешиф­рованих команд. До складу блока входять такі складові частини: регістри загального призначення, спеціальні регістри, суматор із можливістю зсуву чисел на певну кількість одиниць, перемножу­вач, пристрій обробки послідовностей, пристрій місцевого керу­вання, пристрій перевірки захисту тощо. У деяких мікропроцесо­рах суматор і кілька регістрів загального призначення утворюють так званий арифметико-логічний пристрій (в англомовній літера­турі він позначається абревіатурою ALU — arithmeticand logic unit). У сучасних мікропроцесорах спостерігається стійка тенден­ція до розподілу функцій. Наприклад, виконання складних мате­матичних операцій покладається на спеціалізований пристрій, так званий співпроцесор. Співпроцесор може розміщуватися на тому самому кристалі, що й сам мікропроцесор, а може бути виготовле­ний як окрема мікросхема.

Система шин мікропроцесора

Мікропроцесор побудований за модульним принципом, тобто складається з окремих, відносно самостійних частин, кожна з яких виконує свої спеціальні функції. Щоб забезпечити взаємодію та узгоджену роботу всіх частин мікропроцесора, складові частини мікропроцесора з'єднані системою шин (магістралей).

Шина або магістраль — це сукупність електричних з'єдну­вальних провідників, по кожному з яких передається один роз­ряд двійкового числа.

Кількість провідників, що входить до складу шини, назива­ється шириною шини. Сучасні мікропроцесори використовують шини шириною 32, 64, 80 розрядів. Ще однією важливою харак­теристикою шини є її швидкодія, яка характеризується кількіс­тю двійкових слів, які здатна передати шина за одиницю часу.

Якщо шиною можна передавати інформацію тільки в одному напрямі, наприклад, від постійної пам'яті до мікропроцесора, то така шина називається однонапрямленою, а якщо у двох напря­мах, наприклад, від оперативного пристрою пам'яті до мікропро­цесора і навпаки, то така шина називається двонапрямленою.

За типом інформації, що передається, розрізняють шину да­них (databus), шину адреси (addressbus) і шину керування (controlbus). Мікропроцесор має внутрішню систему шин, яка зв'язує всі його складові частини. Крім того, мікропроцесор у цілому пов'я­заний системою зовнішніх шин з іншими пристроями мікропро­цесорної системи.

Шини мікропроцесора можуть працювати у режимі розподілу часу, тобто певний відрізок часу виконання команд шина працює як шина адреси, а в інший відрізок часу як шина даних. Такий режим роботи шини називається мультиплексуванням шини. Такий режим реалізований, наприклад, у мікропроцесорі К1810ВМ86.

Для підвищення продуктивності обробки інформації сучасні мікропроцесорні системи побудовано як мультипроцесорні, тобто, коли в системі паралельно працюють два і більше процесорів, наприклад, центральний процесор і співпроцесор, який виконує тільки складні математичні операції. Розподілом задач між пара­лельно працюючими процесорами досягається істотне підвищен­ня продуктивності системи в цілому. Така будова мікропроцесор­них систем відповідає модульному принципу, що спрощує модернізацію та експлуатацію такої системи.

Водночас у мультипроцесорних системах виникають специфіч­ні проблеми, пов'язані головним чином з організацією взаємодії й розподілом спільних ресурсів. Одним із таких ресурсів є систе­ма шин, яку використовують кілька паралельно працюючих при­строїв, проте у довільний момент часу шину може використовува­ти (керувати) тільки один пристрій.

Для розв'язку цієї проблеми у сучасних мікропроцесорних системах передбачені апаратні і програмні засоби, наприклад, спе­ціальний процесор — контролер шини, який аналізує запити цент­рального процесора, співпроцесора, контролерів периферійних пристроїв на користування шиною, зважує їх пріоритети і пере­дає керування шиною процесору, що має в даний момент часу максимальний пріоритет.

Пристрій керування

Модульний принцип побудови мікропроцесора, складний ха­рактер взаємодії складових частин мікропроцесора, необхідність продуктивної роботи зумовлюють необхідність мати спеціальний пристрій керування у складі мікропроцесора, який керував би роботою складових частин мікропроцесора. Крім того, на пристрій керування покладається завдання розподілу спільних ресурсів, на­приклад, внутрішньої системи шин.

Пристрій керування мікропроцесором має складну ієрархічну будову. Кожний модуль мікропроцесора має свій локальний при­стрій керування, який генерує сигнали, призначені для керуван­ня даним модулем. Крім того, для здійснення координації взаємо­дії модулів у цілому призначений пристрій керування вищого рівня ієрархії.

Структура пам'яті й система адресації

Як уже зазначалося, команди програм, які виконує мікропро­цесор, а також дані, які обробляються мікропроцесором, зберіга­ються в пам'яті. Структура пам'яті та її характеристики мають дуже важливе значення і багато в чому визначають продуктивність і ефективність усієї мікропроцесорної системи в цілому.

Однією з найважливіших характеристик пам'яті є її міст­кість, яка характеризується кількістю одиниць інформації, яку можна зберігати в даній пам'яті. Другою важливою характерис­тикою пам'яті є швидкодія, яка характеризується часом досту­пу, тобто тривалістю отримання даних із пам'яті. Між цими дво­ма характеристиками пам'яті є обернена залежність: чим більша ємність пам'яті, тим менша її швидкодія і навпаки, тому для кож­ного випадку потрібно вибирати компромісне співвідношення. Конструюючи систему пам'яті, слід враховувати частоту звер­тання до пам'яті. Як показують статистичні дослідження, дані дуже різко відрізняються за частотою звертання, наприклад, імо­вірність того, що до пам'яті звернуться за результатами поперед­ніх обчислень дуже висока, а ймовірність того, що до пам'яті звер­нуться за результатами проміжних обчислень, які виконувалися давно, — дуже низька.

Враховуючи все це, пам'ять мікропроцесора має ієрархічну будову з різними рівнями ієрархії. На верхньому рівні ієрархії знаходиться пам'ять з максимальною швидкодією і незначної міст­кості. Це, як правило, пам'ять на регістрах загального призна­чення і спеціальних регістрах, що входять до складу арифметико-логічного пристрою. На регістрах запам'ятовуються результати обчислень, які будуть потрібні на наступних кроках алгоритму.

Крім регістрової пам'яті, до складу мікропроцесора входить так звана кеш-пам'ять. Внутрішня кеш-пам'ять мікропроцесора призначена для розміщення інформації, до якої найчастіше звер­тається мікропроцесор. Регістрова пам'ять і внутрішня кеш-па­м'ять розміщені на одному кристалі з мікропроцесором і станов­лять внутрішню пам'ять комп'ютера.

Програма, яка виконується мікропроцесором, завантажуєть­ся в оперативну пам'ять. Елементи оперативної пам'яті викона­ні на електронних компонентах у вигляді мікросхем і розміщені на материнській платі комп'ютера. Місткість оперативної пам'яті сучасних мікропроцесорів становить сотні мегабайт, час доступу — частки мікросекунди.

Крім внутрішньої кеш-пам'яті, сучасні мікропроцесорні сис­теми мають зовнішню кеш-пам'ять, куди операційна система переміщує інформацію, за якою мікропроцесор найчастіше звер­тається до оперативної пам'яті.

Операційна система, а також прикладні програми зберігають­ся в пам'яті зовнішніх пристроїв: гнучких і твердих магнітних дисків, а також на оптичних дисках. Місткість пам'яті на магніт­них і оптичних дисках становить десятки гігабайтів і спостеріга­ється стійка тенденція до її збільшення. Для продуктивної та ефективної роботи мікропроцесора за­стосовуються системи адресації різного ступеня складності, тобто системи формування адрес команд під час виконання програми.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1.     З яких частин складається процесор?

2.     Для чого призначений пристрій виконання команд?

3.     З яких пристроїв складається пристрій виконання команд?

4.     Якими способами можна дешифрувати команду?

5.     Що таке арифметико-логічний пристрій?

6.     Що таке математичний співпроцесор?

7.     Що таке шина мікропроцесора?

8.     Що таке ширина шини?

9.     Які є шини за типом даних?

10.     Розкажіть про пристрій керування мікропроцесора?

11.    Для чого призначена пам’ять мікропроцесора?

12.     Назвіть важливі характеристики пам’яті мікропроцесора.

13.     Опишіть ієрархічну будову пам’яті мікропроцесора.