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.
https://www.sea.com.ua/ua/elektronnye-komponenty/mikroprocessory-mikrokontrollery/
ВідповістиВидалити