0

Все о процессоре

Немаловажный вопрос от пользователей, который я откладывал на потом, что такое процессор в компьютере? Центральный процессор (CPU) – важнейшая часть аппаратного обеспечения любого компьютера, отвечающая за выполнение необходимых арифметических операций, заданных программами, координирующая работу всех, без исключения, устройств компьютера.

Безусловно, процессор – сердце каждого компьютера. Именно процессор выполняет инструкции программного обеспечения, использующегося на персональном компьютере, обрабатывает набор данных и производит сложные вычислительные операции. Главными характеристиками процессора являются: производительность, тактовая частота, энергопотребление, разрядность, архитектура и кэш.

Итак, мы с вами поняли, что такое процессор, но какие бывают виды и для чего нужен процессор в компьютере? Давайте, обо всем по порядку. Известно, что процессоры бывают одноядерные и многоядерные. Многоядерным процессором называется центральный процессор, содержащий два (и больше) вычислительных ядра, размещенных на одном небольшом процессорном кристалле или в одном общем корпусе. Обычный процессор имеет только одно ядро. Эпоха одноядерных процессоров понемногу уходит в прошлое. По своим характеристикам они, в целом, проигрывают многоядерным процессорам.

Например, тактовая частота средненького двухъядерного процессора нередко может быть намного ниже частоты неплохого одноядерного процессора, но из-за разделения задач на «обе головы», разница в результатах становится несущественной. Двухъядерный процессор Core 2 Duo с тактовой частотой 1,7ГГц легко сможет обскакать одноядерный Celeron с тактовой частотой 2,8ГГц, ведь производительность зависит не от одной лишь частоты, но и от количества ядер, кэша и других факторов.

На сегодняшний момент на мировом компьютерном рынке лидируют два крупнейших производителя процессоров — корпорация Intel (ее доля на сегодня порядка 84%) и компания AMD (около 10%). Если взглянуть на историю развития центральных процессоров, то можно увидеть довольно много интересного. Начиная с появления первых настольных компьютеров, основным способом повысить производительность было планомерное повышение тактовой частоты.

Это весьма очевидно и логично. Однако всему есть предел и частоту невозможно наращивать до бесконечности. К сожалению, с увеличением частоты начинает нелинейно возрастать тепловыделение, достигающее, в конечном итоге, критически высоких значений. Пока решить эту проблему не помогает даже применение более тонких технических процессов в создании транзисторов.

Существует ли выход из этой очень непростой ситуации? Вскоре выход был найден в применении нескольких ядер в одном кристалле. Решено было применить вариант процессора «2 в 1». Появление на рынке компьютеров с такими процессорами вызвало целый ряд споров. Нужны ли многоядерные процессоры? Чем они лучше обычных процессоров, имеющих одно ядро? Может компании-производители просто хотят получить дополнительную прибыль? Сейчас уже можно уверенно ответить: многоядерные процессоры нужны, за ними будущее. В ближайшие десятилетия невозможно представить прогресса в этой отрасли без применения многоядерных процессоров.

Многоядерные процессоры, чем же хороши? Использование таких процессоров сравнимо с применением нескольких отдельных процессоров для одного компьютера. Ядра находятся в одном кристалле, они не являются полностью независимыми (к примеру, используют общую кэш-память). При применении имеющегося программного обеспечения, созданного изначально для работы с одним ядром, такой вариант даёт ощутимый плюс. Вы сможете запустить одновременно две (и более) ресурсоёмкие задачи без малейшего дискомфорта. Однако, ускорение единственного процесса – задание для этих систем фактически непосильное. В итоге, мы получаем почти тот же одноядерный процессор с небольшим плюсом в виде возможности задействования нескольких программ одновременно.

Как же быть? Выход из этой щекотливой ситуации вполне очевиден – требуется разработка нового поколения программного обеспечения, способного задействовать одновременно несколько ядер. Необходимо как-то распараллелить процессы. В реальности это оказалось весьма непросто. Конечно, некоторые задачи, возможно, довольно легко распараллелить. Например, относительно просто можно распараллелить кодирование видео и аудио.

Здесь в основе находится набор однотипных потоков, соответственно, организовать их одновременное выполнение – задача довольно простая. Выигрыш существующих многоядерных процессоров в решении задач кодирования перед «аналогичными» одноядерными будет пропорционален количеству этих ядер: если два ядра, то вдвое быстрее, четыре ядра – в четыре раза, 6 ядер – в шесть раз. К сожалению, подавляющую часть важных задач распараллелить гораздо сложнее. В большинстве случаев необходима серьезная переработка программного кода.

Уже несколько раз от представителей довольно мощных компьютерных компаний звучали радостные высказывания об удачной разработке оригинальных многоядерных процессоров нового поколения, которые способны самостоятельно разделять один поток на группу независимых потоков, но, к глубокому сожалению, никто из них пока не продемонстрировал ни одного подобного рабочего образца.

Шаги компьютерных компаний на пути к массовому использованию многоядерных процессоров весьма очевидны и незамысловаты. Основным заданием этих компаний является совершенствование процессоров, создание новых перспективных многоядерных процессоров, ведение продуманной ценовой политики, направленной на снижение цен (или сдерживание их роста). На сегодня, в среднем сегменте двух ведущих мировых компьютерных гигантов (AMD и Intel) можно увидеть очень широкое разнообразие двухъядерных и четырехъядерных процессоров.

При желании, можно найти еще более навороченные варианты. Радует то, что немаловажный шаг на пути к пользователю начинают делать сами разработчики современного программного обеспечения. Многие последние игры уже обзавелись поддержкой двух ядер. Самым мощным из них практически жизненно важен минимум двухъядерный процессор для обеспечения и поддержания оптимальной производительности.

Окинув взглядом прилавки лучших компьютерных магазинов, проанализировав положение дел с ассортиментом, можно сказать, что общая картина вовсе не плоха. Производителям многоядерных процессоров удалось достичь весьма высокого уровня выпуска годных кристаллов. Ценовая политика ими проводится довольно разумная. По существующим ценам видно, что, например, увеличение числа ядер процессора в два раза обычно не приводит к двойному повышению цены такого процессора для покупателя. Это весьма разумно и вполне логично. К тому же, многим совершенно ясно, что при увеличении количества ядер центрального процессора вдвое производительность в среднем возрастает далеко не в столько же раз.

Все же, стоит признать, что, несмотря на всю тернистость пути к созданию еще более совершенных многоядерных процессоров, альтернативы ему в ближайшем обозримом будущем просто-напросто нет. Рядовым потребителям, желающим идти в ногу со временем, остается лишь своевременно модернизировать свой компьютер, применяя новые процессоры с увеличенным числом встроенных ядер, выводя таким способом общую производительность на более высокий уровень. Различные одноядерные процессоры еще успешно применяются в мобильных телефонах, нетбуках и другой технике.

Если вы не знаете, где он находится, читайте статью: «Где находится процессор в компьютере». Напишите в комментариях какой у вас процессор?

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Технологии

Принципиальная схема установки Mapper

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Транзисторный ликбез Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты. Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются. Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора. Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.

Статья «Крафтовый процессор» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2016).

Основы микропроцессорной техники
(Функции устройств магистрали)

3.1. Функции процессора

Процессор обычно представляет собой отдельную микросхему или же часть микросхемы (в случае микроконтроллера). В прежние годы процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но сейчас от такого подхода уже практически отказались. Микросхема процессора обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Иногда некоторые сигналы и шины мультиплексируются, чтобы уменьшить количество выводов микросхемы процессора.

Важнейшие характеристики процессора — это количество разрядов его шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы.

Кроме выводов для сигналов трех основных шин процессор всегда имеет вывод (или два вывода) для подключения внешнего тактового сигнала или кварцевого резонатора (CLK), так как процессор всегда представляет собой тактируемое устройство. Чем больше тактовая частота процессора, тем он быстрее работает, то есть тем быстрее выполняет команды. Впрочем, быстродействие процессора определяется не только тактовой частотой, но и особенностями его структуры. Современные процессоры выполняют большинство команд за один такт и имеют средства для параллельного выполнения нескольких команд. Тактовая частота процессора не связана прямо и жестко со скоростью обмена по магистрали, так как скорость обмена по магистрали ограничена задержками распространения сигналов и искажениями сигналов на магистрали. То есть тактовая частота процессора определяет только его внутреннее быстродействие, а не внешнее. Иногда тактовая частота процессора имеет нижний и верхний пределы. При превышении верхнего предела частоты возможно перегревание процессора, а также сбои, причем, что самое неприятное, возникающие не всегда и нерегулярно. Так что с изменением этой частоты надо быть очень осторожным.

Схема включения процессора:

Еще один важный сигнал, который имеется в каждом процессоре, — это сигнал начального сброса RESET. При включении питания, при аварийной ситуации или зависании процессора подача этого сигнала приводит к инициализации процессора, заставляет его приступить к выполнению программы начального запуска. Аварийная ситуация может быть вызвана помехами по цепям питания и «земли», сбоями в работе памяти, внешними ионизирующими излучениями и еще множеством причин. В результате процессор может потерять контроль над выполняемой программой и остановиться в каком-то адресе. Для выхода из этого состояния как раз и используется сигнал начального сброса. Этот же вход начального сброса может использоваться для оповещения процессора о том, что напряжение питания стало ниже установленного предела. В таком случае процессор переходит к выполнению программы сохранения важных данных. По сути, этот вход представляет собой особую разновидность радиального прерывания. Иногда у микросхемы процессора имеется еще один-два входа радиальных прерываний для обработки особых ситуаций (например, для прерывания от внешнего таймера).

Шина питания современного процессора обычно имеет одно напряжение питания (+5В или +3,3В) и общий провод («землю»). Первые процессоры нередко требовали нескольких напряжений питания. В некоторых процессорах предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Вообще, современные микросхемы процессоров, особенно с высокими тактовыми частотами, потребляют довольно большую мощность. В результате для поддержания нормальной рабочей температуры корпуса на них нередко приходится устанавливать радиаторы, вентиляторы или даже специальные микрохолодильники.

Для подключения процессора к магистрали используются буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Иногда протоколы обмена по системной магистрали и по шинам процессора не совпадают между собой, тогда буферные микросхемы еще и согласуют эти протоколы друг с другом. Иногда в микропроцессорной системе используется несколько магистралей (системных и локальных), тогда для каждой из магистралей применяется свой буферный узел. Такая структура характерна, например, для персональных компьютеров.

После включения питания процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на ПДП. Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения. Таким образом, основные функции любого процессора следующие:

— выборка (чтение) выполняемых команд; — ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода; — вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода; — обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними; — адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен; — обработка прерываний и режима прямого доступа.

Упрощенно структуру микропроцессора можно представить в следующем виде:

Основные функции показанных узлов следующие.

Схема управления выборкой команд выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию. В первых микропроцессорах было невозможно одновременное выполнение предыдущей команды и выборка следующей команды, так как процессор не мог совмещать эти операции. Но уже в 16-разрядных процессорах появляется так называемый конвейер (очередь) команд, позволяющий выбирать несколько следующих команд, пока выполняется предыдущая. Два процесса идут параллельно, что ускоряет работу процессора. Конвейер представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) записывается несколько команд, следующих за исполняемой. Читаются эти команды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер (это память типа FIFO, First In — First Out, первый вошел — первый вышел). Правда, если выполняемая команда предполагает переход не на следующую ячейку памяти, а на удаленную (с меньшим или большим адресом), конвейер не помогает, и его приходится сбрасывать. Но такие команды встречаются в программах сравнительно редко. Развитием идеи конвейера стало использование внутренней кэш-памяти процессора, которая заполняется командами, пока процессор занят выполнением предыдущих команд. Чем больше объем кэш-памяти, тем меньше вероятность того, что ее содержимое придется сбросить при команде перехода. Понятно, что обрабатывать команды, находящиеся во внутренней памяти, процессор может гораздо быстрее, чем те, которые расположены во внешней памяти. В кэш-памяти могут храниться и данные, которые обрабатываются в данный момент, это также ускоряет работу. Для большего ускорения выборки команд в современных процессорах применяют совмещение выборки и дешифрации, одновременную дешифрацию нескольких команд, несколько параллельных конвейеров команд, предсказание команд переходов и некоторые другие методы.

Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU ) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического «И», «ИЛИ», «Исключающего ИЛИ» и т.д.) то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-процессоры). Другой путь повышения производительности процессора — использование нескольких параллельно работающих АЛУ. Что касается операций над числами с плавающей точкой и других специальных сложных операций, то в системах на базе первых процессоров их реализовали последовательностью более простых команд, специальными подпрограммами, однако затем были разработаны специальные вычислители — математические сопроцессоры, которые заменяли основной процессор на время выполнения таких команд. В современных микропроцессорах математические сопроцессоры входят в структуру как составная часть.

Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.

Регистр признаков ( регистр состояния) занимает особое место, хотя он также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора (ССП, PSW — Processor Status Word). Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате предыдущей команды. Например, есть бит нулевого результата, который устанавливается в том случае, когда результат выполнения предыдущей команды — нуль, и очищается в том случае, когда результат выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) используются командами условных переходов, например, командой перехода в случае нулевого результата. В этом же регистре иногда содержатся флаги управления, определяющие режим выполнения некоторых команд.

Схема управления прерываниями обрабатывает поступающий на процессор запрос прерывания, определяет адрес начала программы обработки прерывания (адрес вектора прерывания), обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды и сохранения в памяти (в стеке ) текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти (из стека ) значениями внутренних регистров. Подробнее о стеке будет рассказано в следующем разделе.

Схема управления прямым доступом к памяти служит для временного отключения процессора от внешних шин и приостановки работы процессора на время предоставления прямого доступа запросившему его устройству.

Логика управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.

Внутренние регистры любого микропроцессора обязательно выполняют две служебные функции:

— определяют адрес в памяти, где находится выполняемая в данный момент команда (функция счетчика команд или указателя команд ); — определяют текущий адрес стека (функция указателя стека ).

В разных процессорах для каждой из этих функций может отводиться один или два внутренних регистра. Эти два указателя отличаются от других не только своим специфическим, служебным, системным назначением, но и особым способом изменения содержимого. Их содержимое программы могут менять только в случае крайней необходимости, так как любая ошибка при этом грозит нарушением работы компьютера, зависанием и порчей содержимого памяти.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 12

Функциональная схема центрального процессора (управляющего и арифметического устройства УАУ) приведена на рис. 4.1. В состав УАУ входят три основных функциональ­ных устройства:

· центральное устройство управления,

· местное устройство управления,

· арифметическое устройство.

Центральное устройство управления (ЦУУ) предназначено для организации хода вычислительного процесса, преобразования адресной информации, коммутации устройств памяти, прерывания вычислений по внешним сигналам.

ЦУУ состоит из следующих функциональных узлов:

· счетчика команд и переключателя «квадратов» команд ПЗУ (СКП),

· схемы адреса ПЗУ,

· схемы модификации адреса,

· схемы хранения адреса,

· индексного регистра ИР,

· схемы управления ПЗУ,

· схемы управления ОЗУ,

· схемы управления ВЗУ,

· схемы приёма сигналов непрограммируемого прерывания вычислений
ПНПВ.

ЦУУ обеспечивает естественную выборку команд из ПЗУ.

В счетчике команд и переключателе «квадратов» команд ПЗУ (СКП) формируется адрес команды путем прибавления по ИО единицы младшего разряда к содержимому счетчика, либо посылкой в СКП числа с выхода схемы хранения адреса. Для согласования быстродействия ЦУУ и ПЗУ адрес команды из СКП на схему адреса ПЗУ передается по двум каналам.

В ЦВМ-Орбита 20 «память» команд и констант единая, поэтому обращение к ПЗУ за командой и константой происходит по одному и тому же каналу. Схема адреса ПЗУ осуществляет коммутацию адресов команды и константы.

Управляет коммутацией признак памяти, записанный в 9-ом разряде команды. Сформированный адрес поступает из схемы адреса ПЗУ. Адрес операнда в схему адреса ПЗУ подается также по двум каналам: адрес ячейки внутри «квадрата» ПЗУ (AM) поступает с выхода схемы модифи­кация адреса, адрес номера «квадрата» ПЗУ с выхода ИР.

Схема модификации адреса предназначена для приёма команды из ПЗУ, ОЗУ или УВВ и дальнейшей модификации адресной части команды, если признак модификация в команде равен единице. Изменение адресной части произво­дится на величину модификатора команд МК, хранящегося в индексном регистре. С выхода схемы модификации адреса адрес операнда поступает в ВЗУ.

Рис. 4.1 Функциональная схема центрального процессора

Схема хранения адреса предназначена для запоминания адреса при многократном обращения к ОЗУ или ПЗУ. Адрес операнда из схемы хранения адреса поступает ОЗУ.

Номер ОЗУ, к которому производится обращение за числом, хранятся в 15-ом разряде счетчика команд. Таким образом, в ЦВМ-Орбита 20 принята относительная адресация.

Индексный регистр ИР предназначен для хранения информации, необходимой для модификации и формирования адреса операнда. ИР содержит модификатор адресной части команды МК и переключатель «квадратов» чисел ПЧ. Кроме того, в нем производится запоминание признака условного перехода w. Изменение кода в ИР производится программным путем при выполнении операций посылки в ИР из Сб.ЗУ, схемы хранения адреса илиPH.

Схема управления ПЗУ предназначена для коммутации приёма команды на входах схемы модификации адреса и предварительного регистра команд или коммутации приёма константы на входе Сб.ЗУ с одного из четырех устройств ПЗУ. Управление схемой производится двумя старшими разрядами переключателя «квадратов» команды при выборке команды или двумя старшими разрядами переключателя «квадратов» чисел при выборке константы.

Схема управления ОЗУ предназначена для формирования сигналов управления работой ОЗУ, участвующего в выполне­нии операции. Номер ОЗУ записан в 15-ом разряде СКП. Изменение номера ОЗУ производится программно.

Схема управления ВЗУ предназначена для коммутации приема константы с одного из устройств ВЗУ на входе Сб.ЗУ.

Управление схемой осуществляется разрядами переключателя «квадратов» чисел.

Схема приёма сигналов непрограммируемого прерывания вычислений ПНПВпредназначена для приёма из УВВ сигнала НПВ и выработки сигналов приема непрограммируемой команды ПНК и исполнения непрограммируемой команды ИНК, Сигнал ПНК прерывает нормальный ход программы и разрешает приём команды из УВВ на входы схемы модификации адреса и предварительного регистра команд. Сигнал ИНК поступает в УВВ и является признаком исполнения непрограммируемой команды.

Местное устройство управления предназначено для выработ­ки управляющих сигналов, реализующих алгоритм выполнения операций из списка системы команд.

Местное устройство управления состоит из следующих устройств:

· предварительный регистр команд;

· исполнительный регистр команд;

· дешифратор кода операций ДКОП,

· схема преобразования кода,

· распределительное устройство РУ.

Для согласования быстродействия устройства управления и ПЗУ команда в УАУ передается по двум каналам. По одному из каналов в местное устройство управления поступают разряды команды, содержащие код операции.

Формирование сигналов управления производится на основа­нии анализа кода операции, а для команд, реализующих операции над безадресным операндом, также на основании анализа разрядов адресной части команды.

Предварительный регистр команд ПРК предназначен для приема кода операции команды, выбранной из определенного устройства (ПЗУ, ОЗУ или УВВ)и запоминания этой информации до момента дешифрации.

Исполнительный регистр команд предназначен для хранения кода операций в параллельной форме на время ее выполнения в арифметическом устройстве и в центральном устройстве управления.

Дешифратор кодов операций ДКОП предназначен для выработки управляющих сигналов в соответствия с алгоритмом выполнения операции ДКОП, построен по принципу комбинационной логики, т.е. производит логическое преобразование информации в ИРК. ДКОП может быть разбит на 3 части:

— управление выполнением операций в ЦУУ,

— управление выполнением операций в арифметическом устройстве,

— управление вводом из УВВ, выводом в УВВ и выводом в ЦВМ рез.

Схема преобразования кода предназначена для трансформа­ции адресной части команды во вспомогательные управляющие сигналы (множимое ) при выполнении операций над безадресным операндом. К таким операциям относятся сдвиги и битовые операции.

Распределительное устройство вырабатывает тактовые импульсы И0…И15 и предназначено для синхронизации работы функциональных узлов схемы.

Арифметическое устройство предназначено для обработки числовой информации в соответствии с алгоритмом выполнения операций. Кроме операций пересылок, не подвергающих информа­цию преобразованию, в арифметическом устройстве реализуются операции, над двумя операндами и операции над одним без­адресным операндом, преобразующие исходный числовой материал.

Так как в одноадресной ЦВУ в команде можно указать адрес только одного операнда, то для выполнения двух операндных операций в арифметическом устройстве необходимо иметь буферную память (РН, РА). Кроме того, в арифметическое устройство входят операционные устройства преобразования информации (ЧЗ, схема множимого S, D и т.д.) и необходимые устройства коммутации (Сб. ЗУ, Сб. «число в УВВ», Сб. » число в ОЗУ » и т.д.).

Алгоритмы выполнения операций выбраны таким образом, что в арифметическом устройстве преобразование подвергается информация, заданная в дополнительном коде.

Арифметическое устройство разделяется на:

— собственно арифметическое устройство, реализующее все арифметические, логические и битовые операции, кроме опера­ций умножения, деления, сдвигов;

— множительно-делительное устройство, реализующее операции умножения, деления и сдвига.

Собственно арифметическое устройство состоит из сле­дующих функциональных узлов:

— сборки чисел запоминающих устройств сб.ЗУ,

— сборки чисел в УВВ,

— сборки чисел в ОЗУ,

— схемы w (признак условного перехода),

— схемы j ( признак переполнения разрядной сетки),

— сборки Ч1,

— сборки Ч2,

— сумматора арифметического устройства Ч3,

— регистра-накопителя РН.

Сборка чисел запоминающих устройств Сб. ЗУ предназна­чена для приема и коммутации исходной числовой информации из различных устройств ПЗУ, ОЗУ и ВЗУ.

Сб.ЗУ принимает операнд, адрес которого указан в адресной части команды. Управление Сб.ЗУ осуществляется центральный устройством управления.

Сборка чисел в УВВ предназначена для выдачи информации в УВВ в соответствии с алгоритмом выполнения операций вывода.

Сборка чисел в ОЗУ предназначена для выдачи информации в ОЗУ из регистров ЦУУ, СКП и ИР, регистров арифметического устройства РН и РА, регистров устройства ввода- вывода, схемы j и ЦВМ рез. в соответствии с алгоритмом выполнения операций запоминания.

Схема w предназначена для формирования признака условного перехода в соответствии с законом, принятым в системе команд, или в соответствии с результатом выполнения битовых операций и операции БРП. Хранение признака w осуществляется в ИР.

Схема jпредназначена для формирования и хранения признака переполнения разрядной сетки при выполнении ариф­метических операций. Это — комбинационная схема, реализую­щая алгоритм выработки признака j в зависимости от типа арифметической операции.

Запоминание признака jпроизводится в 12-ом разряде ячейки ОЗУ при выполнении операции.

Сборка Ч1 предназначена для формирования первого операнда при выполнении операций. Первый операнд поступает на Сб.Ч1 из устройств памяти через Сб.ЗУ или из УВВ.

Сборка Ч2предназначена для формирования второго операнда при выполнении операций. Второй операнд поступает из внутренней памяти арифметического устройства (РН, РА).

Сумматор арифметического устройства (Ч3) предназначен для преобразования исходной числовой информация, поступаю­щей со сборок Ч1и Ч2в соответствии с алгоритмами опе­раций пересылок арифметических, логических и битовых. Результат операций, полученный на Ч3, запоминается в регист­рах РН и РА.

Регистр-накопитель РН представляет собой буферную память арифметического устройства и служит для хранения промежуточных результатов вычислений, как источник второго операнда.

Множительно-делительное устройство предназначено для выполнения операций умножения и сдвига и позволяет на этом оборудовании выполнять операцию деления без существенных затрат оборудования. Умножение осуществляется в параллельно-последовательном режиме, и время выполнения умножения равно времени выполнения обычных арифметических операций, что приводит к существенному увеличению производительности ЦВМ-Орбита 20. Операция сдвига производится как умноже­ние на фиксированное число, равное степени основания два.

Множительно-делительное устройство состоит из следующих узлов:

— регистра РА,

— схемы множимого,

— схемы передачи множимого на сумматоры,

— регистра сумматоров,

— сумматора множительно-делительного устройства,

— вычитателя множительно-делительного устройства D,

— схемы выработки разрядов частного.

Регистр РА предназначен для хранения множителя при выполнении операции умножения, исходной информации, при выполне­нии операций сдвига и формирования частного, при выполнении операции деления.

Для повышения точности операции умножения и во избе­жание потери разрядов при операциях сдвига младшие разряды результата выполнения этих операций помещаются в регистр РА.

Схема множимого предназначена для образования кодов, кратных одному (М), двум (2М ) и трем множимым (3М).

Схема передачи множимого на сумматоры предназначена для коммутации информации со схемы множимого в зависимости от результата анализа пар разрядов множителя.

Регистр сумматоров предназначен для образования частных сумм и обеспечения их относительных сдвигов при выполнении операций умножения и сдвигов, а также для хранения частных остатков при выполнении операции деления.

Сумматор и вычитатель множительно-делительного устройства предназначены для образования частных остатков при выпол­нении операции деления.

Схема выработки разрядов частного является дополнитель­ным местным устройством управления при выполнении операции деления. Она обеспечивает формирование разрядов частного, и передачи остатка с сумматора иди вычитателя на регистр сумматоров.

При выполнении всех операций выборка команды и числа производится центральным устройством управления по одному контуру, а выполнение команды производится местным устройст­вом управления в центральном устройстве управления в случае управленческих команд или в арифметическом устройстве в случае выполнения операций над числами.

Date: 2015-07-17; view: 1795; Нарушение авторских прав

Понравилась страница? Лайкни для друзей:

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *