Тема 12. Процессоры Лекция 15
Ранее, при рассмотрении обобщенной структуры ЭВМ, отмечалось, что основным устройством, непосредственно осуществляющим переработку поступающей в ЭВМ информации, является процессор (в больших ЭВМ – центральный процессор). Естественно, что конкретные типы ЭВМ содержат в своем составе процессоры, построенные по различным схемам, и процессоры больших ЭВМ существенно отличаются от процессоров мини- и микроЭВМ (о суперЭВМ и говорить не приходится). Однако основные принципы построения процессоров, в общем-то, одинаковые, причем наиболее наглядно их можно продемонстрировать на примере простейшего гипотетического микропроцессора.
Ранее рассматривались действия над числами (сложение, вычитание, умножение), представленными в различной форме. Было подчеркнуто, что все эти действия осуществляются с помощью элементарных операций, выполняемых в определенной последовательности.
К таким элементарным операциям относятся:
запись числа в регистр;
инвертирование содержимого разрядов регистра;
пересылка содержимого регистров;
сдвиг содержимого регистра;
сложение кодов;
поразрядные логические операции или анализ разрядов;
операция счета с+1 или с-1 (инкремент или декремент).
Пример.
Операция умножения реализуется с помощью:
анализа разряда множителя;
суммирования;
сдвига.
Все эти действия выполняются в устройстве, называемом процессором, которое состоит из двух устройств – операционного (ОУ) и управляющего (УУ).
ОУ – выполняет указанные элементарные операции.
УУ – управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций.
Это соответствует принципу В.М. Глушкова, что в любом устройстве обработки цифровой информации можно выделить операционный и управляющий блоки.
В качестве узлов УУ и ОУ включают в себя регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д., т.е. устройства импульсной цифровой техники. Кроме того, нормальное функционирование процессора и всей ЭВМ возможно только при наличии высокостабильных импульсных последовательностей, формируемых, как правило, из одной импульсной последовательности, вырабатываемой кварцевым генератором. Эти тактовые импульсные последовательности синхронизируют работу узлов процессора, а иногда и всей ЭВМ.
Обобщенная структура любого процессора изображена на рис. 15.1.
Рис.15.1. Обобщённая структура процессора
Каждая элементарная операция, выполняемая в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например: R2 0, Сч (Сч) – 1 и т.д. Такая совокупность непротиворечивых микроопераций называется микрокомандой, а набор микрокоманд, предназначенный для решения задачи, называется микропрограммой.
Если в ОУ предусмотрена возможность выполнения n различных микроопераций, то из УУ должно выходить n управляющих цепей S1,...,Sn, каждая из которых соответствует своей микрооперации. В силу того что УУ определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата. Соответственно ОУ часто называют операционным автоматом.
Формирование управляющих сигналов S1,...,Sn может зависеть как от внешних сигналов КОП (команды ассемблера), так и от состояния узлов ОУ, определяемого известительными сигналами признаков состояния P1,...,Pm, поступающими с выхода ОУ на соответствующие входы УУ.
Как уже отмечалось, ОУ выполняет над исходными данными различные арифметические и логические операции, поэтому ОУ наиболее часто называют арифметико-логическим устройством, или АЛУ.
Деление любого процессора на программный и операционный автоматы достаточно очевидно и не вызывает особых трудностей в понимании. Однако структурные схемы даже простейших реальных процессоров, помимо АЛУ и УУ, содержат еще ряд узлов (регистров, счетчиков, дешифраторов), которые вроде бы не относятся ни к АЛУ, ни к УУ. Для устранения путаницы в дальнейшем материале необходимо сделать ряд замечаний:
В абсолютном большинстве случаев устройства обработки цифровой информации имеют многоуровневую структуру, т.е. построены по принципу "матрешки". Это означает, что УУ и ОУ могут сами распадаться на пары УУ' и ОУ', которые, в свою очередь, также могут распадаться на соответствующие УУ и ОУ. Все зависит от степени детализации рассмотрения данного цифрового устройства. Этот принцип многоуровневости справедлив для всех устройств ЭВМ.
Действительно, если рассматривать процессор в целом и делить его на УУ и ОУ, то совершенно безразлично, как выполняются арифметико-логические операции в ОУ – с помощью очень сложных логических схем или с помощью простой логики, работающей под управлением какого-либо вспомогательного УУ. Аналогичные рассуждения справедливы и для УУ.
Так, например, центральный процессор больших ЭВМ общего назначения середины 70-х годов разбивался на 4-5 уровней, на каждом из которых можно выделить свое УУ и ОУ. Современные процессоры имеют еще более сложную структуру.
Более того, эти рассуждения справедливы в целом для ЭВМ, которую можно разложить на ряд виртуальных (кажущихся) машин и с каждой работать на соответствующем уровне. В общем случае современные универсальные ЭВМ имеют шесть уровней:
уровень проблемно-ориентированного языка;
процедурно-ориентированный язык;
ассемблерный уровень (язык ассемблера);
уровень операционной системы (язык операционной системы);
традиционный машинный уровень (язык машинных команд);
микропрограммный уровень (язык микрокоманд).
Машинные языки двух нижних уровней являются цифровыми, и программы на них состоят из длинных числовых последовательностей, очень неудобных для человека, но понятных машине. Все более высокие уровни содержат слова и аббревиатуру, что более удобно для человека.
Из сказанного следует, что только самые простейшие процессоры имеют один уровень и могут быть в чистом виде разложены на УУ и ОУ, состоящие из комбинационных логических схем, способных выполнять элементарные арифметико-логические операции.
В настоящее время нет строгого определения АЛУ, что вызывает некоторую путаницу при пользовании различной литературой. АЛУ обычно обозначают так, как показано на рис. 15.2. При этом одни авторы подразумевают под АЛУ только комбинационные логические схемы, способные выполнять операции двоичного суммирования (т.е. фактически двоичный сумматор), другие – целый комплекс схем для выполнения арифметико-логических операций, который сам может быть разложен на УУ и ОУ.
Рис.15.2. Графическое обозначение простейшего АЛУ
Из сказанного следует вывод, что в общем случае понятия микрооперации и микропрограммы относительны и требуют конкретизации уровня рассмотрения процессора, поскольку один такт верхнего уровня может включать в себя несколько тактов нижнего уровня.
Для устранения путаницы при изучении основных принципов построения элементарных процессоров будем считать:
процессор имеет один уровень;
процессор пользуется одной тактовой последовательностью;
значок АЛУ (см. рис. 15.2) обозначает комплекс комбинационных схем, способных выполнять двоичное суммирование, сдвиг двоичного числа, простейшие поразрядные логические операции;
узлы микропроцессора, не относящиеся непосредственно к схеме управления, будем считать вспомогательными узлами АЛУ, или, точнее, узлами, обеспечивающими нормальное функционирование АЛУ.
- Министерство образования и науки, молодёжи и спорта украины
- Одесский национальный политехнический университет
- Институт компьютерных систем
- Кафедра информационных систем
- Министерство образования и науки, молодёжи и спорта украины
- Одесский национальный политехнический университет
- Институт компьютерных систем
- Кафедра информационных систем
- Содержание
- Тема1. Формы представления информации 10
- Тема 2. Логические основы построения элементов 16
- Тема 3. Схемотехника комбинационных узлов 29
- Тема 4. Схемотехника цифровых элементов 70
- Тема 5. Схемотехника цифровых узлов 108
- Тема 6. Интегрированные системы элементов 138
- Тема 7. Схемотехника аналоговых узлов 179
- Тема 8. Схемотехника обслуживающих элементов 208
- Тема 14. Структуры микропроцессорных систем 293
- Тема 15. Схемы поддержки мп на системных платах 340
- Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм 357
- Тема 17. Risk – процессоры 387
- Тема 18. Суперкомпьютеры. Параллельные вычислительные системы 399
- Список литературы 450 Тема1. Формы представления информации Лекция 1. Основные понятия
- Тема 2. Логические основы построения элементов Лекция 2.
- 2.1. Основные понятия, определения и законы Булевой алгебры
- Формы задания Булевой функции
- 2.2. Простейшие модели логических элементов и система их параметров
- 2.3. Типы выходных каскадов цифровых элементов
- 2.4. Системы (серии) логических элементов и их основные характеристики
- 2.5 Контрольные вопросы
- Тема 3. Схемотехника комбинационных узлов Лекция 3
- 3.1 Общие сведения
- 3.2. Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов: назначения, виды, функционирование, принципы построения
- 3.3. Синтез кс на основе дешифраторов
- 3.4. Мультиплексоры и демультиплексоры
- 3.5. Шинные формирователи
- 3.6 Синтез кс на основе мультиплексоров
- 3.7. Компараторы
- 3.8 Сумматоры
- 3.9. Арифметико-логические устройства
- 3.10. Матричные умножители
- 3.11 Постановка и методы решения задач синтеза комбинационных узлов
- 3.11.1 Синтез комбинационных узлов
- 3.11.2 Основные факторы, которые должны быть учтены при построении принципиальных схем
- 3.11.2.1 Питающие напряжения ис
- 3.11.2.2 Уровни логических сигналов
- 3.11.2.3 Нагрузочная способность
- 3.11.2.4 Коэффициент объединения по входу
- 3.11.2.5 Быстродействие
- 3.11.2.6 Помехоустойчивость
- 3.11.2.7 Рассеиваемая мощность
- 3.11.2.8. Использование элементов, имеющих выходы с третьим состоянием или с открытым коллектором
- 3.12 Критерии оценки качества технической реализации кс
- 3.13 Контрольные вопросы
- Тема 4. Схемотехника цифровых элементов Лекция 4
- 4.1 Последовательностные цифровые схемы
- 4.2. Схемотехника триггерных устройств
- 4.3. Асинхронные триггеры
- 4.4. Синхронные триггеры
- Rs триггер с синхронизацией по уровню
- Синхронный rs триггер с синхронизацией по фронту
- 4.5 Методы построения триггеров одного типа на базе триггеров другого типа
- Проектирование триггеров на основе rs-триггера
- Метод преобразования характеристических уравнений
- Метод сравнения характеристических уравнений
- Использование jk-триггера
- 4.6 Регистры и регистровые файлы
- 4.6.1 Регистры памяти
- 4.6.2 Сдвигающие регистры
- 4.6.3 Универсальные регистры
- 4.7 Счётчики
- 4.7.1 Счетчики с непосредственными связями и последовательным переносом
- 4.7.2 Счетчики с параллельным переносом
- 4.7.3 Реверсивный счетчик с последовательным переносом
- 4.7.4 Двоично-кодированные счётчики с произвольным модулем
- Построение счетчика методом модификации межразрядных связей
- Построение счетчика методом управления сбросом
- 4.8 Распределители тактов
- 4.8.1 Распределители импульсов и распределители уровней
- 4.8.2 Кольцевой регистр сдвига
- 4.8.3 Счётчик Джонсона
- 4.9 Контрольные вопросы
- Тема 5. Схемотехника цифровых узлов Лекция 5
- 5.1 Цифровые автоматы и их разновидности
- 5.2 Абстрактный и структурный автоматы
- 5.3. Способы описания и задания автоматов
- 5.4. Связь между моделями Мура и Мили
- 5.5. Минимизация числа внутренних состояний полностью определенных автоматов
- 5.6. Принцип микропрограммного управления. Понятия об операционном и управляющем автоматах
- Операционные элементы
- 5.7. Граф - схемы алгоритмов (гса) и их разновидности. Способы задания гса, требования к ним
- 5.8. Абстрактный синтез микропрограммных управляющих автоматов Мили и Мура
- 5.8.1. Синтез автомата Мили
- 5.8.2. Синтез автомата Мура
- 5.9. Структурный синтез микропрограммных управляющих автоматов Мили и Мура
- 5.9.1. Структурный синтез автомата Мили
- 5.9.2. Структурный синтез автомата Мура
- 5.10. Синтез автомата Мура на базе регистра сдвига
- 5.11. Контрольные вопросы
- Тема 6. Интегрированные системы элементов Лекция 6. Программируемые логические устройства
- 6.1 Основные физические принципы программирования плм и плис
- 6.1.1 Метод плавких перемычек
- 6.1.2 Метод наращиваемых перемычек
- 6.1.3 Устройства, программируемые фотошаблоном
- 6.1.4 Стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства
- 6.1.5. Электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства
- 6.1.6. Flash - технология
- 6.1.7. Статическое оперативное запоминающее устройство
- 6.1.8. Сравнительная таблица технологий программирования
- 6.2 Простые и сложные плу
- 6.2.1 Ппзу
- 6.2.2 Программируемые логические матрицы
- 6.2.3. Программируемые матрицы pal и gal
- 6.2.4 Дополнительные программируемые опции
- 6.2.5 Сложные плу
- 6.3. Контрольные вопросы
- Лекция 7. Программируемые логические интегральные схемы
- 7.1 Мелко-, средне- и крупномодульные архитектуры
- 7.2 Логические блоки на мультиплексорах и таблицах соответствия
- 7.3 Таблицы соответствия, распределённое озу, сдвиговые регистры
- 7.4 Конфигурируемые логические блоки, блоки логических символов, секции
- 7.5 Секции и логические ячейки
- 7.6 Конфигурируемые логические блоки clb и блоки логических массивов lab
- 7.7. Контрольные вопросы
- Лекция 8
- 8.1 Дополнительные встроенные функции
- 8.1.1 Схемы ускоренного переноса
- 8.1.2 Встроенные блоки озу
- 8.1.3 Встроенные умножители, сумматоры и блоки умножения с накоплением
- 8.1.4 Аппаратные и программные встроенные микропроцессорные ядра
- 8.2 Дерево синхронизации и диспетчеры синхронизации
- 8.2.1 Дерево синхронизации
- 8.2.2 Диспетчер синхронизации
- 8.3. Системы с перестраиваемой архитектурой
- 8.4. Программируемый пользователем массив узлов
- 8.4.1. Технология picoArray компании picoChip
- 8.4.2 Технология адаптивных вычислительных машин компании QuickSilver
- 8.5. Контрольные вопросы
- Тема 7. Схемотехника аналоговых узлов Лекция 9. Операционные усилители
- 9.1. Идеальный операционный усилитель
- 9.2. Основные схемы включения операционного усилителя
- 9.2.1. Дифференциальное включение
- 9.2.2. Инвертирующее включение
- 9.2.3 Неинвертирующее включение
- 9.3 Функциональные устройства на операционных усилителях
- 9.3.1 Схема масштабирования
- 9.3.2 Схема суммирования
- 9.3.3 Схема интегрирования
- 9.3.4 Схема дифференцирования
- 9.3.5 Источники напряжения, управляемые током
- 9.3.6 Источники тока, управляемые напряжением
- 9.4 Активные электрические фильтры на оу
- 9.5 Схемы нелинейного преобразования на оу
- 9.6 Генераторы сигналов на оу
- 9.7. Контрольные вопросы
- Лекция 10
- 10.1. Изолирующие усилители
- 10.2. Аналоговые компараторы
- 10.3. Источники опорного напряжения
- 10.4. Аналоговые коммутаторы
- 10.5. Оптореле
- 10.6. Устройства выборки-хранения
- 10.7. Цифроаналоговые преобразователи
- 10.8. Аналого-цифровые преобразователи
- 10.9. Контрольные вопросы
- Тема 8. Схемотехника обслуживающих элементов Лекция 11
- 11.1 Сопряжение цифровых микросхем, изготовленных по разным технологиям, и сопряжение с интерфейсами
- 11.2 Управление входами ттл и кмоп
- 11.3 Дискретное управление нагрузкой от элементов ттл и кмоп
- 11.4 Передача цифровых сигналов на небольшие расстояния
- 11.5 Контрольные вопросы
- Тема 9. Источники питания. Схемотехника комбинаторных узлов Лекция 12
- 12.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения
- 12.2 Импульсные стабилизаторы напряжения
- 12.3 Инверторные схемы
- 12.4 Контрольные вопросы
- Тема10. Цифровые компьютеры Лекция 13
- 13.1. Принципы действия цифровых компьютеров
- 13.2. Понятие о системе программного (математического) обеспечения эвм
- 13.3. Большие эвм общего назначения
- 13.3.1. Каналы
- 13.3.2. Интерфейс
- 13.4. Малые эвм
- 13.5. Контрольные вопросы
- Тема 11. Запоминающие устройства Лекция 14
- 14.1 Структура памяти эвм
- 14.2 Способы организации памяти
- 14.2.1 Адресная память
- 14.2.2 Ассоциативная память
- 14.2.3 Стековая память (магазинная)
- 14.3. Структуры адресных зу
- 14.3.1. Зу типа 2d
- 14.3.2. Зу типа 3d
- 14.3.3. Зу типа 2d-m
- 14.4 Постоянные зу (пзу, ппзу)
- 14.5. Флэш-память
- 14.6. Контрольные вопросы
- Тема 12. Процессоры Лекция 15
- 15.1 Операционные устройства (алу)
- 15.2 Управляющие устройства
- 15.2.1. Уу с жёсткой логикой
- 15.2.2 Уу с хранимой в памяти логикой
- 15.2.2.1. Выборка и выполнение мк
- 15.2.2.2. Кодирование мк
- 15.2.2.3. Синхронизация мк
- 15.3. Контрольные вопросы
- Тема 13. Универсальные микропроцессоры Лекция 16. Архитектура процессора кр580вм80
- 16.1. Регистры данных
- 16.2. Арифметико-логическое устройство
- 16.3. Регистр признаков
- 16.4. Блок управления
- 16.5. Буферы
- 16.6. Мп с точки зрения программиста
- 16.7. Форматы данных в кр580вм80
- 16.8. Форматы команд в кр580вм80
- 16.9. Способы адресации
- 16.10. Контрольные вопросы
- Лекция 17. Система команд кр580вм80
- 17.1. Пересылки однобайтовые
- 17.2. Пересылки двухбайтовые
- 17.3. Операции в аккумуляторе
- 17.4. Операции в рон и памяти
- 17.5. Команды управления
- 17.6. Контрольные вопросы
- Тема 14. Структуры микропроцессорных систем Лекция 18. Общие принципы
- 18.1. Системный интерфейс микро-эвм. Цикл шины
- 18.2. Промежуточный интерфейс
- 18.3. Принципы организации ввода/вывода информации в микропроцессорную систему
- 18.4. Контрольные вопросы
- Лекция 19. Принципы организации систем прерывания программ
- 19.1. Характеристики систем прерывания
- 19.2. Возможные структуры систем прерывания
- 19.3. Организация перехода к прерывающей программе
- 19.3.1. Реализация фиксированных приоритетов
- 19.3.2. Реализация программно-управляемых приоритетов
- 19.4. Контрольные вопросы
- Лекция 20. Принципы организации систем прямого доступа в память
- 20.1. Способы организации доступа к системной магистрали
- 20.2. Возможные структуры систем пдп
- 20.3. Организация обмена в режиме пдп
- 20.3.1. Инициализация средств пдп
- 20.3.2. Радиальная структура ( Slave dma)
- 20.3.3. Радиальная структура (Bus master dma)
- 20.3.4. Цепочечная структура ( Bus master dma)
- 20.3.5. Принципы организации арбитража магистрали
- 20.4. Микропроцессорная система на основе мп кр580вм80а
- 20.5. Контрольные вопросы
- Тема 15. Схемы поддержки мп на системных платах Лекция 21
- 21.1. Эволюция шинной архитектуры ibm pc
- 21.1.1. Локальная системная шина
- 21.1.2. Шина расширения
- 21.1.2.1. Шина расширения isa
- 21.1.2.2. Шина расширения mca
- 21.1.2.3. Шина расширения eisa
- 21.1.3. Локальные шины расширения
- 21.1.3.1. Локальная шина vesa (vlb)
- 21.1.3.2. Локальная шина pci
- 21.2. Современные схемы поддержки мп на системных платах
- 21.2.1. Чипсет GeForce 9300/9400 фирмы nvidia
- 21.2.3. Чипсет Intel z68 для платформы Socket 1155
- 21.3. Контрольные вопросы
- Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм Лекция 22
- 22.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
- 22.2. Методы оптимизации обмена процессор-память
- 22.2.1. Конвейер команд
- 22.2.2. Расслоение памяти
- 22.2.3. Буферизация памяти
- 22.3. Динамическое распределение памяти. Виртуальная память
- 22.3.1. Виртуальная память
- 22.3.2. Сегментно-страничная организация памяти
- 22.4. Контрольные вопросы
- Лекция 23. Защита памяти
- 23.1. Защита отдельных ячеек памяти
- 23.2. Метод граничных регистров
- 23.3. Метод ключей защиты
- 23.4. Алгоритмы управления многоуровневой памятью
- 23.5. Контрольные вопросы
- Тема 17. Risk – процессоры Лекция 24
- 24.1. Общая характеристика risk - процессоров
- 24.2. Arm архитектура
- 24.2.1. Дополнительные технологии
- 24.2.2. Ядро arm7tdmi
- 24.2.3. Семейство arm10 Tumb
- 24.3. Контрольные вопросы
- Тема 18. Суперкомпьютеры. Параллельные вычислительные системы Лекция 25
- 25.1. Смена приоритетов в области высокопроизводительных вычислений
- 25.2. Сферы применения многоядерных процессоров и многопроцессорных вычислительных систем
- 25.3. Классификация архитектур вычислительных систем по степени параллелизма обработки данных
- 25.4. Архитектуры smp, mpp и numa
- 25.5. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти
- 25.6. Pvp архитектура
- 25.7. Контрольные вопросы
- Лекция 26. Кластерная архитектура
- 26.1. Архитектура связи в кластерных системах
- 26.2. Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем.
- 26.2.1. Простые коммутаторы
- 26.2.2. Составные коммутаторы
- 26.2.2.1. Коммутатор Клоза
- 26.3. Контрольные вопросы
- Лекция 27. Высокопроизводительные многоядерные процессоры для встраиваемых приложений
- 27.1. Процессоры Tile-64/64Pro компании Tilera
- 27.4. Мультипроцессор Cell
- 27.4.1. Общая структура процессора Cell
- 27.4.2. Структура процессорного элемента Power (ppe)
- 27.4.3. Структура spe — "синергичного" процессорного элемента
- 27.5. Альтернативная технология построения многоядерных систем на кристалле — atac
- 27.5.1. Основные идеи архитектуры atac
- 27.5.2. Ключевые элементы технологии атас
- 27.5.3. Структура межъядерных связей
- 27.5.4. Передача данных и согласование кэш-памяти
- 27.6. Контрольные вопросы
- Список литературы