Физическая и функциональная структура микропроцессора (стр. 1 из 2)

РЕФЕРАТ

Физическая и функциональная структура микропроцессора

Физическая структура микропроцессора достаточно сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок плавающей запятой, модуль предсказания ветвлений, модуль преобразования CISC-инструкций во внутренний RISC-микрокод, регистры микропроцессорной памяти (в МП типа VLIW до 256 регистров), регистры кэш памяти 1-го уровня (отдельно для данных и инструкций), шинный интерфейс и многое другое.

В состав микропроцессора Pentium обычно входят следующие физические компоненты:

Core — ядро МП;

ExecutionUnit— исполняющий модуль;

IntegerALU — АЛУ для операций с целыми числами (с фиксированной запятой);

Registers— регистры;

FloatingPointUnit — блок для работы с числами с плавающей запятой;

PrimaryCache— кэш первого уровня, в том числе кэш данных (DataCache) и кэш команд (CodeCache);

InstructionDecodeandPrefetchUnitи BranchPredictor- блоки декодирования инструкций, опережающего их исполнения и предсказания ветвлений;

BusInterface— интерфейсные шины, в том числе 64- и 32-битовая, и выход на системную шину к оперативной памяти.

Функционально МП можно разделить на две части:

операционную часть, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров);

интерфейсную часть, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Устройство управления

Устройство управления (УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПК — оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 8.1.

Рис 8.1. Укрупненная функциональная схема УУ

На рис. представлены:

регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды:
код выполняемой операции (КОП) и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд;

дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов;

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК процедур обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции проводу считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов;

узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП;

кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.

В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

выборки из регистра-счетчика IP (см. рис. 8.3) адреса команды МПП и адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;

считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирование полных адресов операндов;

выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;

записи результатов операции в память;

формирования адреса следующей команды программы.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально в простейшем варианте АЛУ (рис. 8.2) состоит из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 — разрядность слова. При выполнении операций в регистр 1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в регистр 2 — второе число, участвующеев операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может и' принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них; регистр 2 только получает информацию с этих шин.

Рис. 8.2. Функциональная схема АЛУ

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

АЛУ выполняет арифметические операции « + », « – », « ´ » и « ÷ » только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, то есть только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора или по специально составленным программам.

Рассмотрим в качестве примера выполнение команды умножения. Перемножаются числа 1101 и 1011 (числа для простоты взяты 4-битовыми). Множимое находится в регистре 1, имеющем удвоенную по отношению к регистру 2 разрядность; множитель размещается в регистре 2. Операция умножения требует для своего выполнения нескольких тактов. В каждом такте число из регистра 1 проходит в сумматор (имеющий также удвоенную разрядность) только в том случае, если в младшем разряде регистра 2 находится 1.

В данном примере в первом такте число 1101 пройдет в сумматор, и в этом же первом такте число в регистре 1 сдвигается на 1 разряд влево, а число в регистре 2 — на 1 разряд вправо. В конце такта после сдвигов в регистре 1 будет находиться число 11010, а в регистре 2 — число 101.

Во втором такте число из регистра 1 пройдет в сумматор, так как младший разряд в регистре 2 равен 1; в конце такта числа в регистрах опять будут сдвинуты влево и вправо так, что в регистре 1 окажется число 110100, а в регистре 2 — число 10.

В третьем такте число из регистра 1 не пройдет в сумматор, так как младший разряд в регистре 2 равен 0; в конце такта числа в регистрах будут сдвинуты влево и вправо так, что в регистре 1 окажется число 1101000, а в регистре 2 — число 1.

На четвертом такте число из регистра 1 пройдет в сумматор, поскольку младший разряд в регистре 2 равен 1; в конце такта числа в регистрах будут сдвинуты влево и вправо так, что в регистре 1 окажется число 11010000, а в регистре 2 — число 0. Поскольку множитель в регистре 2 стал равным 0, операция умножения заканчивается. В результате в сумматор последовательно поступят и будут сложены числа: 1101, 11010, 1101000; их сумма 10001111 (143 в десятичной системе) и будет равна произведению чисел 1101 х 1011
(13 х 11 десятичные).

Микропроцессорная память

Микропроцессорная память (МПП) базового МП 8088 включает в себя 14 двухбайтовых запоминающих регистров. У МП 80286 и выше имеются дополнительные регистры, например, у МП типа VLIW есть 256 регистров, из которых 128 — регистры общего назначения. У МП 80386 и выше некоторые регистры, в том числе и регистры общего назначения, — четырехбайтовые (у МП Pentium есть и восьмибайтовые регистры). Но в качестве базовой модели, в частности для языка программирования Assembler и отладчика программ Debug, используется 14-регистровая система МПП.

Все регистры можно разделить на четыре группы (рис. 8.3):

универсальные регистры: АХ, ВХ, СХ, DX;

сегментные регистры: CS, DS, SS, ES;

регистры смещения: IP, SP, BP, SI, DI;

регистр флагов: FL.

Если регистры 4-байтовые или 8-байтовые, их имена несколько изменяются: например, 4-байтовые универсальные регистры АХ, ВХ, СХ, DX именуются EAХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX соответственно. При этом если используется их двухбайтовая или однобайтовая часть, наименования этих частей регистров соответствуют рассматриваемым далее.

Универсальные регистры

Регистры АХ, ВХ, СХ и DX являются универсальными (их часто называют регистрами общего назначения — РОН); каждый из них может использоваться для временного хранения любых данных, при этом позволено работать с каждым регистром целиком, а можно отдельно и с каждой его половиной (регистры АН, ВН, СН, DH — старшие (High) байты, а регистры AL, BL, CL, DL — младшие (Low) байты соответствующих двухбайтовых регистров). Но каждый из универсальных регистров может использоваться и как специальный при выполнении некоторых конкретных команд программы. В частности: