2.2.7. Внутренняя организация
В процессоре реализуется конвейерный принцип обработки информации.
Если некоторый процесс обработки информации может быть разбит на последовательные этапы, выполняемые независимо параллельно работающими обрабатывающими устройствами, и результаты предыдущего этапа являются исходными данными для следующего, то такой процесс называется конвейерной обработкой, а система обрабатывающих устройств - конвейером. Этапы конвейера часто называют ступенями
Используется двухступенчатый конвейер.
Для двухступенчатого конвейера выделяются фаза выборки команды и фаза выполнения команды. Параллельно и асинхронно могут работать два процессора: процессор памяти и исполнительный процессор.
Процессор памяти обеспечивает работу с памятью команд и памятью данных, а также с кэш-памятью.
На исполнительный процессор возлагаются функции, связанные с дешифрацией и выполнением команд
|
Выборка команды |
Выполнение команды |
|
К1 |
|
|
К2 |
К1 |
|
К3 |
К2 |
|
... |
К3 |
Структурная
схема центрального процессора
2.2.8. Основные алгоритмы функционирования
Выполнение одной инструкции процессора содержит пять следующих шагов:
Проверяется наличие следующей команды в блоке выборки команд. Команда передается в блок декодирования
Блок декодирования команд расшифровывает команду
Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций , иначе счетчик команд увеличивается на размер команды и передает управление в блок выборки данных
Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОП требуемые для выполнения команды данные и передает управление УУ (устройству управления)
Управляющее устройство (УУ) определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку
Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление УУ.
Общий
алгоритм функционирования процессора
Алгоритм функционирования сопроцессора
2.2.9. Алгоритмы выполнения отдельных операций
Чтение команды из ОЗУ
Запрос на чтение команды из памяти.
Сравнение совпадает ли адрес команды и тег в кэш-памяти
При совпадении – кеш-попадание и возвращается копия данных из кэша.
При кэш промахе – чтение из ОП: адрес устанавливается в качестве адреса на системной шине. ОЗУ получает адрес и выдает на системную шину данные, которые перехватывает процессор.
Добавление блока данных в кэш.
Вернуть копию данных из кэша?
Декодирование команды
Команда из блока выборки помещается в регистр команд. Инкрементируется PC. Осуществляется дешифрация команды. В зависимости от кода операции, определяется тип команды и перечень необходимых действий. Устройство управления формирует необходимые машинные циклы, обеспечивающие исполнение текущей команды. Командный цикл завершается после выполнения всех машинных циклов, инициализируемых блоком управления.
Обработка регистровой команды
Выборка операндов.
В зависимости от значений адресных полей регистра команд срабатывает комбинационное устройство, подключаются нужные регистры или определенные байты регистра.
Операнды подаются на входы АЛУ.
Управляющий сигнал для АЛУ в зависимости от содержимого регистра команд указывает АЛУ тип данных и их разрядность. Устройство управления дает разрешение на «захват» операндов, которые передаются напрямую в АЛУ. Производится формирования результата соответствующей операции: арифметической, логической, перехода. Результат заносится в регистр указанный в коде операции.
Обработка команды типа регистр – память
Формирование адреса операнда производится в зависимости от типа адресации. Если осуществляется чтение из памяти, то на шине данных выставляется значение соответствующей ячейки памяти. Устройство управления устанавливает направление передачи, осуществляет коммутацию внутренней и системных шин. А затем данные с шины записываются в кэш, а затем в указанный регистр центрального процессора. Если осуществляется запись в памяти, то на шине данных выставляется значение соответствующего регистра центрального процессора. Перед тем как записать в память, данные проверяются на наличие и записываются в кеш-память. Устройство управления задает направление передачи, осуществляет коммутацию внутренней и системных шин. А затем данные с шины из указанного регистра центрального процессора записываются нужную ячейку памяти.
Обработка безусловных переходов (Б/П)
Формирование адреса операнда производится в зависимости от типа адресации. Реализуется безусловный переход – счетчику команд присваивается значение сформированного адреса. Новый командный цикл изменит последовательный ход программы.
Обработка условных переходов (У/П)
Формирование адреса операнда производится в зависимости от типа адресации. В зависимости от кода операции, признак нулевого результата проверяется на соответствие с нулем или единицей. Если проверка показала совпадение, реализуется переход – счетчику команд присваивается значение сформированного адреса. Новый командный цикл изменит последовательный ход программы.
Обработка прерываний
Контроллер прерывания устанавливает линию прерывания INT на системной шине. Когда центральный процессор готов к обработке прерывания он устанавливает символ подтверждения прерывания на шине INTA для внешнего устройства. Считывается вектор прерывания по соответствующему адресу таблицы прерываний. Центральный процессор удаляет вектор прерывания с шины. Центральный процессор помещает в стек счетчик команд, значения системных регистров, необходимую служебную информацию. Определяется местонахождение нового счетчика команд, используя вектор прерывания в качестве индекса в таблице памяти. Новый счетчик команд указывает на начало программы обслуживания прерываний для устройства, вызвавшего прерывание. После обработки прерывания восстанавливаются все сохраненные регистры. Центральный процессор возвращается в то состояние, в котором он находился до прерывания. После этого процессор продолжает работу с того места, в котором он остановился.