Центральный процессор

Центральный процессор отвечает за выполнения команд и обработку данных. ЦП состоит из: операционного блока (ОБ) и микропрограммного устройства управления (МУУ) и КЭШ (раздельного команд и данных).

Операционный блок

Операционный блок выполняет арифметическую и логическую обработку данных; производит приём из внешней памяти и хранение слов во внутренних регистровых файлах; преобразование и выдачу либо слов, либо адресов результата на шину данных; выдает в МУУ флаги признаков и условий.

Основными элементами ОБ являются:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для логической и арифметической обработки данных, поступающих на соответствующие входы. Выбор операции управляются битами из регистра микрокоманд.

Регистровый файл (РФ) – обеспечивает сохранение операндов, результатов и необходимых данных в ходе операции, которые можно было бы читать и перезаписывать с очень большой скоростью (для экономии времени выполнения операций). РФ должен быть двупортовым – обеспечивать возможность чтения/записи сразу 2 “ячеек”, для подачи на входы данных АЛУ.

Аккумулятор (Акк) – регистр, в котором может хранится результат текущей или предыдущей операции, через него происходит операция вывода.

Взаимодействие ОБ с другими элементами системы осуществляется через шину AB/ DB.

Описание работы ОБ:

По локальной шине LB МУУ передает инструкции в АЛУ, РФ и аккумулятор, согласно которым АЛУ берет операнды из РФ, обрабатывает их, и через аккумулятор производит операцию вывода (возможен вывод как на шину данных, так и на шину адреса).

Адрес ячейки РФ может быть взят как из регистра команд, так и из регистра микрокоманд. Загрузка данных может осуществляться по шине данных, из команды и микрокоманды. Выбор способа загрузки производиться из отведённых битов микрокоманды (за выбор отвечают мультиплексоры, не указанные на структурной схеме).

Также по LB ОБ передает МУУ флаги, влияющие на работу УУП.

Микропрограммное устройство управления

Устройство управления организует автоматическое выполнение программ и обеспечивает работу ЭВМ как единой системы. МУУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, которые отвечают за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее выполнение этих команд, а также выдаёт на системную шину управляющие сигналы для всех внешних устройств и ОП.

Описание работы МУУ:

В начале цикла команда(если разрешено чтение команды битом микрокоманды) считывается с шины данных в регистр команд (Рком). Старшие 8 бит команды являются кодом операции (КОП), выполняемой процессором. Эти биты поступают на преобразователь начального адреса (ПНА). Следующие биты (которые содержат адреса ячеек памяти, адреса регистров общего назначения или данные) поступают в буферные регистры (на схеме не указаны), для дальнейшей передачи на AB или DB и на локальную шину данных LB.

ПНА преобразует код операции в начальный адрес команды (адрес первой микрокоманды программы в микропрограммной памяти (МПП)) и передается на шину адреса устройства управления последовательностью (УУП, также называемым секвенсором). УУП обрабатывает полученный адрес (программирование УУП ведется из микрокоманды) и вырабатывает адрес следующей микрокоманды.

По адресу, полученному из УУП из микропрограммной памяти читается следующая микрокоманда и записывается в конвеерный регистр (регистр микрокоманд - Рмк), из которого часть битов идёт на шину управления CB, локальную шину LB(к ОБ), а вторая часть задает инструкции и адрес для следующей микрокоманды.

Стоит отметить, что команда содержит в себе 2 адреса, так как по заданию адресность ЭВМ – двухадресная.

КЭШ

Кэш – это внутренняя память процессора, которая имеет значительно большее быстродействие, чем ОП. Кэш память не увеличивает емкость памяти ЦП и она не видима пользователю. Она содержит копии данных (команд) из ОП, к которым уже было обращение (или может произойти), т.е. из ОП помещаются нужные в текущий момент ЦП данные и еще некоторое количество последующих слов. При использовании КЭШ обращения (кроме первого раза) происходят в разы быстрее обращений к ОП. В проектируемой ЭВМ используется и КЭШ команд и КЭШ данных поэтому ЦП всегда обращается сначала к КЭШ.

При обращении процессора к ОП для считывания в КЭШ передается блок информации, содержащий нужное слово (блок записывается в строку КЭШ-памяти). При этом происходит опережающая выборка, т.к. высока вероятность того, что ближайшие обращения будут происходить к словам этого же блока, уже находящемся в кэш. Это приводит к значительному уменьшению среднего времени, затрачиваемого на выборку данных.

В разрабатываемой ЭВМ длина строки КЭШ памяти равна 4-м словам – (4 X 32 = 128 бит). Емкость КЭШ команд и КЭШ данных – 8 Кбайт каждая, соответственно обе КЭШ-памяти имеют по 512 строк, соответственно для адресации нужно 9 разрядов.

Было решено использовать в качестве КЭШ статическую оперативную память (SRAM), из за высокого быстродействия и отсутствия необходимости регенерации.

Описание работы КЭШа: при каждом обращении к памяти контроллер КЭШ-памяти (на схеме контроллер КЭШ входит в состав КЭШ) проверяет, есть ли действительная копия затребованных данных в КЭШ-памяти и одновременно обращается к основной памяти. Если произошло попадание (копия существует), тогда обращение за данными происходит к КЭШ-памяти и обращение к основной памяти прерывается. Если копии нет (промах), то данные берутся из основной памяти.

В проектируемой ЭВМ в качестве способа отображения оперативной памяти на КЭШ-память выбрано полностью ассоциативное отображение. КЭШ с полностью ассоциативным отображением позволяет загрузку любого блока ОП в любую строку КЭШ-памяти. Логика управления (контроллер КЭШ) выделяет в адресе ОП два поля: поле тега (21 разряд) и поле слова (2 разряда). Поле тега совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока в КЭШ-памяти, логика управления КЭШ должна одновременно проверить теги всех строк на совпадение с полем тега адреса. Поле слова определяет положение слова в блоке. Ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки для вновь записываемого блока. Принципиальный недостаток этого способа - в необходимости использования дорогой ассоциативной памяти.

При переполнении КЭШа замещение информации происходит по алгоритму наиболее давнего использования (LRU). Согласно ему каждой строке КЭШ-памяти ассоциируется счетчик, к которому через определенные интервалы добавляется единица. При обращении к строке счетчик обнуляется, таким образом замещается та строка с наибольшим числом счетчика.

В качестве алгоритма согласования содержимого КЭШ-памяти и основной памяти (алгоритма свопинга) было решено использовать алгоритм буферизированной сквозной записи без отображения: он предусматривает запись вначале в КЭШ-память, а затем, через буфер работающий по схеме FIFO идет запись в ОП. Это позволяет процессору продолжить работу не дожидаясь окончания передачи данных в ОП. При данном алгоритме в ОП всегда есть последняя копия хранящейся в кэш информации.

В случае, когда КПДП, минуя процессор записал данные в память содержимое КЭШ-памяти автоматически обновляется.

Рис. 3 Обобщенная структурная схема центрального процессора.