Процессоры

Процессор - устройство, осуществляющее процесс автоматической обработки

данных и  программное управление этим процессом. Процессоры можно классифици-

ровать, например, по следующим признакам:

1) По используемой  системе счисления:

- работающие  в позиционной системе счисления;

- работающие  в непозиционной системе счисления  (например, СОК).

2) По способу  обработки разрядов:

- с параллельной  обработкой разрядов;

- с последовательной  обработкой;

- со смешанной  обработкой (последовательно-параллельной).

3) По составу  операций:

- процессоры  общего назначения;

- проблемно-ориентированные;

- специализированные.

4) По месту  процессора в системе:

- центральный  процессор (ЦП);

- сопроцессор;

- периферийный  процессор;

- канальный  процессор (контроллер канала  ввода/вывода);

- процессорный  элемент (ПЭ) многопроцессорной системы.

5) По организации  операционного устройства (ОУ):

- с операционным  устройством процедурного типа (I-процессоры, -

процессоры)

- с преимущественно  микропрограммным правлением; процессоры  с блоч-

ным операционным устройством;

- процессоры  с конвейерным операционным устройством(с арифметическим

конвейером) (последние  два варианта предусматривают аппаратную реализацию

большинства операций ).

6) По организации  обработки адресов:

- с общим  операционным устройством;

- со специальным  (адресным) операционным устройством.

7) По типу  операндов:

- скалярный  процессор;

44

- векторный  процессор;

- с возможностью  обработки и скалярных, и векторных  данных.

8) По логике  управления процессором:

- с жесткой  логикой управления;

с микропрограммным управлением.

9) По составу  (полноте) системы команд:

- RISC (Reduced Instruction Set computer - компьютер с сокращенным набором ко-

манд);

- CISC (Complete Instruction Set Computer- компьютер с полным набором ко-

манд);

- CISC - процессор  с внутренними RISC-подобными инструкциями.

10) По организации  управления потоком команд / способу  загрузки исполни-

тельных устройств:

- с последовательной  обработкой команд;

- с конвейером  команд;

- суперскалярные процессоры;

- процессоры  с длинным командным словом (VLIW - Very Long Instruction Word) и

т. д.

Как всякая классификация, приведенная выше классификация не может считаться

полной, так как количество типов процессоров достаточно велико и по своим архитекту-

рам процессоры весьма многообразны.

4.2. Логическая  организация процессора общего  назначения

Схема, отражающая логическую организацию некоего  усредненного процессора обще-

го назначения, представлена на рис. 4.1. В основе структуры процессора лежит взаимо-

связь операционной и управляющих частей, что соответствует  модели цифрового автома-

та. Операционные устройства процессора (средства обработки, исполнительные устройст-

ва) включают в общем случае ОУ с фиксированной запятой (целочисленное ядро, АЛУ),

ОУ с плавающей  запятой (числовой сопроцессор или  ядро с плавающей запятой), устрой-

ство для реализации десятичной арифметики и возможно - устройства для обработки

строк и массивов.

Отметим, что  в некоторых процессорах отдельно реализуется специальное устройство

для вычисления адресов (так называемая разнесенная - decoupled -архитектура), в других

процессорах вычисление адресов происходит в общем операционном устройстве. Опера-

ционное устройство неразрывно связано с наиболее быстродействующей памятью ВМ - с

локальной регистровой  памятью процессора. Выделение регистров  в отдельный блок на

схеме призвано подчеркнуть самостоятельное значение, которое приобретают регистры в

45

универсальных процессорах - они не просто являются частью операционных устройств, а

используются  для хранения различной информации как при обработке, так и при вводе-

выводе. Целочисленные регистры объединяются в блок регистров общего назначения

(РОН), регистры  с плавающей запятой - в отдельный  блок (в некоторых процессорах  эти

многоразрядные  регистры используются и как векторные  регистры в специальных режи-

мах, в других векторные регистры вынесены в отдельный  блок).

Рис. 4.1

Кроме упомянутых регистров можно выделить набор  специальных управляющих

регистров, используемых для управления режимами работы процессора, функциони-

рованием его различных подсистем, управления памятью и т.д. Средства управления

процессором (или - устройство управления) выполняют  разнообразные функции,

которые включают: управление системой, программой и командами. Управление систе-

мой подразумевает управление прерываниями, остановом и запуском процессора,

обеспечение отладочного  режима и вообще выбор режимов  работы процессора и

т.д. Управление программой включает обеспечение выполнения ветвлений и циклов,

вызовов и возвратов  из подпрограмм и т.д. Средства управления командами обеспечи-

вают выполнение машинных циклов работы процессора, то есть - выборки команды, ее

дешифрации, собственно управления выполнением команды, управление записью ре-

зультатов. В данной подсистеме могут реализовываться собственно управляющие

46

автоматы, отвечающие за реализацию алгоритмов, заложенных в командах процессора

(то есть  за реализацию микрокода процессора). В некоторых случаях подобные подсис-

темы относят  к УУ, в других - включают в состав собственно средств обработки, то

есть рассматривают  как часть АЛУ и числового  сопроцессора, что в принципе не так

важно.

Помимо выполнения операций, вычисления адресов и программного управления

этими процессами, процессор должен содержать средства для обеспечения интерфей-

са как с оперативной памятью, так и устройствами (интерфейсы ввода-вывода). В

состав интерфейса с памятью могут включаться буферная память (кэш-память), средства

управления  доступом и защиты памяти. Интерфейс  с каналами ввода-вывода включает

буферы данных, систему управления приоритетами, входящую в подсистему прерываний

процессора, и  т.д.

Под системными средствами понимают встроенные схемы  синхронизации, возможно -

таймеры, какие-то дополнительные схемы управления, сброса и т.д.

4.3. Операционные  устройства процессоров

4.3.1. Операционные  устройства процедурного типа  и с жесткой структу-

рой. Понятие  об I-процессорах и M-процессорах

Операционные  устройства процессоров могут строиться  с большей или меньшей сте-

пенью универсальности, могут быть более простыми, универсальными, требующими

большого объема микрокода для реализации всех необходимых  алгоритмов операций, ли-

бо - более сложными и специализированными, но за счет этого - более производительны-

ми и не требующими большого объема управляющего микрокода. Первые устройства

можно назвать  устройствами процедурного типа, так  как они требуют для реализации ка-

кого-либо алгоритма  арифметической операции выполнения последовательности дейст-

вий, заданной во времени (то есть процедуры).

Устройства  второго типа, рассчитанные на аппаратную реализацию алгоритмов вы-

числений, можно назвать устройствами с жесткой структурой. (Отметим, что гибкость

устройств первого  типа заключается не в возможности  перестройки их структуры, а в

возможности выполнения на заданной структуре большего числа  различных алгоритмов.)

Примером устройств процедурного типа могут являться, до некоторой степени, устройст-

ва для выполнения косвенного умножения. Такие устройства после небольшой доработки

могут быть использованы и для реализации других операций (алгоритмов), например, для

обычного сложения со знаком, для выполнения деления  или операций с плавающей запя-

той. В предельном случае наиболее универсальной схемой может являться обычный нака-

47

пливающий сумматор, дополненный схемами выполнения логических операций. С другой

стороны, специализированный аппаратный умножитель, например, матричный (матрич-

ные умножители подробнее рассматриваются в следующем пункте), является примером

устройства  с жесткой структурой, рассчитанного  только на выполнение конкретной опе-

рации, зачастую - определенной разрядности и в  определенной кодировке. Для создания

более или менее  универсального ОУ необходимо иметь набор таких схем для всех тре-

буемых операций, либо - сочетание нескольких специализированных устройств с одним

универсальным.

Операционные  устройства процедурного типа могут  быть построены различными спо-

собами. Примером процессоров с более жестким принципом построения операционной

части процедурного типа являются так называемые I-процессоры, у которых за опре-

деленными регистрами закреплены определенные операции (рис.4.2). На рисунке

4.2 ША и ШД - соответственно шины адреса и данных, Acc - аккумулятор, КС - комби-

национные схемы, ТП -триггеры признаков, УУ - устройство управления. Разные регист-

ры соединены с разными операционными элементами (КС) и по-разному соединены

друг с другом. Такое разнесение операций по регистрам  за счет наличия нескольких опе-

рационных элементов  в схеме позволяет распараллелить выполнение некоторых вы-

числений и тем самым повысить производительность. С другой стороны, такая органи-

зация подчас лишена необходимой гибкости и требует частых пересылок информации

между регистрами.

Рис. 4.2

48

В процессорах  с магистральной архитектурой (процессоры M-типа, или процессоры

с общим АЛУ) имеется одно обрабатывающее устройство -сумматор, либо АЛУ