Лабораторна робота №5 Тема: Структури універсальних, функціонально-орієнтованих і спеціалізованих процесорів. Мікропроцесори

Структура процесора стане зрозумілої, якщо задуматися над тим, які операції йому потрібно виконувати при обробці машинної команди.

• Витяг команди — процесор зчитує команду з пам'яті.

• Інтерпретація команди — процесор розшифровує команду і визначає, які операції йому потрібно виконати.

• Витяг даних — для виконання команди може знадобитися прочитати дані з пам'яті чи з модуля вводу-виводу.

• Обробка даних — виконання команди може зажадати перетворення даних, тобто виконання над ними визначених арифметичних чи логічних операцій.

• Запис даних — якщо в процесі виконання команди дані були змінені, результат необхідно десь зафіксувати. Зокрема, результат може бути записаний у пам'ять чи переданий у модуль вводу-виводу.

Щоб виконати перераховані операції, процесору необхідні певні засоби тимчасового збереження інформації. Йому потрібно пам'ятати, де знаходиться виконувана команда, і тоді можна буде визначити, відкіля вибрати наступну. Йому потрібно зберігати коди команд і даних під час їхньої обробки. Іншими словами, процесор має потребу у власній внутрішній пам'яті.

На мал. 3.1 представлена спрощена структурна схема процесора, на якій видно, як він взаємодіє з іншими компонентами комп'ютера через системну магістраль. Аналогічний інтерфейс, повинні мати усі взаємодіючі компоненти комп'ютера, адже головними структурними компонентами процесора є арифметичний і логічний пристрій (АЛП) і пристрій (або вузол) керування (ПК). На АЛП покладаються власне обчислення, тобто перетворення інформації, а ПК керує як потоком даних і команд, що надходять у процесор і виходять з нього, так і порядком виконання операцій в АЛП. Крім того, на цій схемі показана і внутрішня пам'ять процесора — набір регістрів.

Більш детальна схема процесора представлена на мал. 3.2. На ній позначені шляхи передачі даних і сигналів керування, включаючи і структурний компонент, позначений як внутрішня магістраль ЦП. По цій магістралі дані передаються між регістрами й АЛП, оскільки АЛП може оперувати тільки з даними, що зберігаються в регістрах. На цій же схемі показана і типова структура АЛП. Зверніть увагу на певну схожість структури комп'ютера в цілому й одного з його компонентів — центрального процесора. В обох схемах кілька основних компонентів зв'язуються між собою через магістраль.

Мікропроцесори

У процесі вдосконалювання технології виробництва мікросхем одночасно з ростом щільності розміщення елементів пам'яті йшло і підвищення щільності розміщення логічних перемикаючих схем — вентилів. У результаті усе менше і менше мікросхем було потрібно для того, щоб зібрати електронну схему процесора.

Якісний стрибок відбувся в 1971 році, коли фірма Intel оголосила про випуск мікросхеми 4004, що містила усі компоненти процесора в одному корпусі. Цей рік вважається роком появи на світ нового класу пристроїв — мікропроцесорів.

Хоча по нинішніх мірках функціональні можливості процесора 4004 були дуже скромними — він міг складати два 4-розрядних числа, а множення виконувалося шляхом багаторазового додавання, — але саме з цього виробу почався переможний хід мікропроцесорів.

Легше усього простежити еволюцію мікропроцесорів по зміні такого показника, як зміна розрядності оброблюваних в одному такті чисел. Строго говорячи, за основу варто взяти розрядність шини даних — кількість двійкових розрядів, які можна одночасно (паралельно) передати в мікропроцесор чи одержати від нього. Інший параметр, тісно зв'язаний з першим, — розрядність акумулятора чи регістрів загального призначення процесора. Найчастіше значення цих параметрів збігаються, хоча це і необов'язково. Наприклад, у деяких мікропроцесорах маються 16-розрядні регістри, але прийом і передача даних виробляється порціями по 8 біт.

Наступний важливий етап — поява на світ в 1972 році мікропроцесора 8008 все тієї ж фірми Intel. Це був перший 8-розрядний мікропроцесор і практично вдвічі більш складний, ніж його попередник моделі 4004.

Але ще більш істотна подія відбулася в 1974 році — фірма Intel започаткувала виробництво мікропроцесора загального призначення моделі 8080. Колишні моделі були придатні тільки для побудови процесорів спеціалізованих комп'ютерів, а процесор 8080 призначався для комп'ютерів самого широкого застосування. Процесор 8080, як і 8008, був 8-розрядним, але відрізнявся більш розвитою системою команд, підвищеною швидкодією і великим діапазоном адресованих комірок пам'яті.

Приблизно в той же час почалася робота над створенням 16-розрядних мікропроцесорів, однак перший промисловий зразок цілком працездатного пристрою такого типу з'явився тільки наприкінці 1970-х років. І знову першість належала фірмі Intel — цим процесором була модель 8086. Наступний бар'єр був переборений усього через пару років — у 1981 році фірми Bell Labs і Hewlett-Packard оголосили про початок виробництва 32-розрядних мікропроцесорів. Intel почала випускати свій 32-розрядний мікропроцесор 80386 у 1985 році (табл. 3.1, 3.2, 3.3).