Принципы построения элементарного процессора

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

 

«Алтайский государственный технический  университет им. И.И. Ползунова»

 

Факультет информационных технологий

 

Кафедра САПР

 

 

Отчет защищен с оценкой________________

 

Преподаватель_________________________

(подпись,  И.О.Фамилия)

“____”___________2012г.

 

 

 

 

 

Контрольная работа № 3

 

по курсу: Организация ЭВМ и систем

 

 

Вариант №   1

 

 

                       Принципы построения элементарного процессора

Полное название контрольной работы

 

Номера  контрольных вопросов:1,7,10,16,19

 

 

 

Студент группы 

      Группа Фамилия, имя, отчество

 

Преподаватель:__к.т.н       Доцент_____                   

должность, ученое звание      И.О., Фамилия

 

 

 

 

БАРНАУЛ 2012

 

 

 

 

Вопрос №1 Опишите обобщенную структуру процессора

 

Процессор - это  функциональный блок вычислительного  устройства, предназначенный для  реализации обработки цифровых данных и управления ходом этой обработки. Указанные действия выполняются  процессором по командам, которые  он автоматически считывает из памяти вычислителя.

В обобщенном виде функционирование процессора может  быть представлено как циклическое  чередование двух этапов – (1) выборки (чтения) команд из памяти и их дешифрации, и (2) выполнения команд.

Выборка (чтение) команд является автоматическим процессом, происходящим под воздействием импульсов  от генератора тактовых импульсов (ГТИ), и не зависит от программиста в  смысле механизма реализации, который  жестко определяется аппаратной структурой процессора.

Дешифрация  команды представляет собой процесс  формирования последовательности управляющих  сигналов для всех узлов процессора и других блоков вычислителя на основе информации (т.е. кода), содержащегося в команде.

Действия, выполняемые  в соответствии с командой, могут  представлять собой арифметическую или логическую обработку данных, пересылку данных, формирование адреса следующей команды или изменение  режимов работы процессора. В любом  случае эти действия определяются программистом  в рамках имеющейся в его распоряжении системы команд конкретного процессора. После выполнения действий, задаваемых командой, процессор автоматически  переходит к выборке следующей команды из памяти.

Современные микропроцессоры существенно различаются  набором функциональных блоков и  связями между ними. Тем не менее, в структуре любого процессора можно  выделить основные элементы, определяющие специфику процессора как управляющего центра вычислителя. Прежде всего, речь идет о двух блоках: устройстве управления и операционном устройстве.

Устройство  управления (УУ) предназначено для  реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

Операционное  устройство (ОУ) служит для обработки  цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.).

 

Рис. 3.1. Обобщенная структура микропроцессора

 

 

 

Основным  элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного  ОЗУ с минимальным временем записи и считывания.

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после  считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры  операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют  избегать постоянных обращений к  памяти. В современных процессорах  количество регистров операндов  может достигать 10-15 штук. По сути, они  образуют внутреннюю память процессора. В однокристальных микроконтроллерах  количество регистров операндов  доведено до нескольких десятков, и  применительно к ним вводится понятие регистрового файла. Некоторые  из регистров операндов могут  использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется  механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные  в регистрах операндов, поступают  на обработку в арифметико-логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах  процессоров один из регистров операндов  всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр  принято называть регистром-аккумулятором  Процессоры, в которых принята  схема выполнения операций в виде:

 

<аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>,

 

называются  процессорами с аккумуляторно-ориентированной  структурой.

 

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) - регистр, в котором  при выборке или выполнении текущей  команды формируется адрес следующей  команды. Модификация содержимого  регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).

Указатель стека (англ. SP - stackpointer ) - регистр, в котором  при выполнении программы хранится адрес границы той области  памяти, для которой программист  использует принцип последовательного  доступа к данным (так называемый протокол работы со стеком).

Регистр адреса - регистр, в котором формируется  адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед  обращением к этому устройству. Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. При  этом регистр адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F - flags) - это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных  битов фиксируются признаки, характеризующие  результат операции, выполненной  в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональный блок процессора, предназначенный для  реализации действий по обработке данных.

Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится  в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически  формируются признаки, характеризующие этот результат.

Функционирование  процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов  от ГТИ устройство управления процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой команд из памяти и их

дешифрацией.

 

 

 

Выполнение  команды всегда занимает некоторое  количество периодов тактовой частоты  и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка  команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В  течение каждого МЦ происходит генерация  строго определенной комбинации управляющих  сигналов для соответствующих узлов  процессора и всей вычислительной системы.

 

Вопрос  №7 Опишите общие принципы построения УУ.

 

Существует  два принципиально разных подхода  к проектированию цифровых устройств: использование принципа жесткой (схемной) логики или использование принципа программируемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается  некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени  интеграции) и определяется такая  схема соединения их выводов, которая  обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и  по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, построенные на таком принципе системной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов.

 Недостаток  этого принципа построения МКУ  состоит в невозможности "перестройки"  структуры устройств и систем  при необходимости изменения  или расширения их функциональных  возможностей.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому  подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании  принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. их специализация) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых различных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, небольшое, а потребность в БИС каждого типа высока. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью.

 

 

 

Вопрос № 10 В чем заключается главный недостаток УУ на жесткой логике?

 

Одним из недостатков  УУ на жесткой логике является то, что  любые изменения или модификации  команд универсального процессора, требующие  изменения микропрограмм, приведут к изменению структуры управляющего автомата, а следовательно, и топологии  его внутренних связей.

 

Вопрос №16 Охарактеризуйте основные способы формирования адреса следующей МК.

 

В  КПМК есть специальный счетчик адреса микрокоманд (СчА), в котором в конечном итоге формируется адрес следующей микрокоманды. Алгоритм формирования адреса следующей МК зависит от ее типа, а именно:

-  операционная МК –  после выборки МК СчА := СчА  + 1;

-  управляющая МК –  после выборки происходит проверка  условия, заложенного в МК. Если  условие выполняется, то СчА  := АСМК, а если условие не выполняется, то СчА := СчА + 1.

Рис. 3. Форматы микрокоманды:

а - операционная МК при принудительной адресации;

б - операционная МК при естественной адресации;

в - управляющая  МК при обоих типах адресации

 

 

Вопрос№19. Назовите способы кодирования МК и для каждого приведите схему кодирования МК.

 

1.  Горизонтальное кодирование (рис. 4.1). Это простейший вариант кодирования микрокоманд, при котором каждый разряд поля кода микроопераций однозначно определяет управляющий сигнал для выполнения микрооперации.

Достоинство данного способа  состоит в том, что он допускает работу нескольких устройств, т.е. параллельное выполнение ряда МО, что повышает быстродействие.

Недостаток способа –  при большом наборе МО (от нескольких десятков до не-

скольких сотен) возрастает разрядность МК и, следовательно, разрядность  ПМК.

 

 

 

 

Рис 4.1. Горизонтальное кодирование

 

 

2.  Вертикальное кодирование (рис. 4.2). Это другой подход к кодированию МК

с целью максимального  сокращения разрядности поля КМО. В этом случае требуется дешифратор МО, который увеличивает временные задержки и, следовательно, время выполнения МО. Помимо увеличения времени на МО к недостаткам следует отнести невозможность параллельного выполнения МО.

 

 

Рис 4.2 Вертикальное кодирование

 

 

 

 

 

3. Смешанное кодирование (рис. 4.3). Это кодирование устраняет основные недостатки, присущие горизонтальному и вертикальному кодированиям.

При таком кодировании  в отдельных полях кода МО объединяют взаимоисклю-

чающие наборы для обеспечения  параллельного выполнения МО с разных полей.

Данный способ кодирования  находит широкое применение в  микропрограммных УУ.

Способы 1, 2, 3 – это прямые способы кодирования. Здесь каждое поле КМО формирует определенный набор управляющих сигналов, интерпретируемых всегда одинаковым образом.

 

Рис 4.3 Смешанное  кодирование

 

 

4.   Косвенное кодирование (рис. 4.4). Этот способ кодирования позволяет еще больше уменьшить разрядность МК. Здесь одно и то же поле можно использовать для формирования СУ для различных блоков, при этом его функции определяются другим полем.

 

Рис 4.4 Косвенное  кодирование

 

 

МО – микрооперация;

КМО – код микрооперации;

ДШМО – дешифратор микрооперации

 

На рис. 4.1-4.4 КМО1 кодирует одну из четырех групп МО, поле КМО2 определяет реализуемую в данной группе операцию.

Пример

 

                    00 – микрооперации в АЛУ;

КМО 1        01 – МО в памяти и регистрах контроллеров периферийных устройств;

                    10 – МО безусловного и условного переходов;

                    11 – константы для загрузки регистров и счетчиков.

 

 

 

КМО2 позволяет выполнить 64 МО в любой из указанных групп  оборудования.

Недостатком такого способа  кодирования является увеличение объема оборудования и, следовательно, дополнительных задержек при исполнении МО. Рассмотренные способы кодирования являются одноуровневыми. На практике используют и многоуровневое кодирование (микрокоманды, нанокоманды и т. д.).