Управление вычислительным процессом

Подробности

Родительская категория: Процессор

Категория: Управление вычислительным процессом

В машине со структурой фон Неймана команды расположены в ячейках памяти программ (в адресном пространстве команд) подряд. При рассмотрении принципа работы ЭВМ мы считали, что команды выбираются из памяти программ и выполняются подряд (имеет место свойство локальной сериальности). В процессорах имеются возможности нарушать естественный порядок следования команд при их выполнении. Благодаря этому, программы могут приобрести ряд полезных свойств. Рассмотрим ситуации, в которых желательно нарушение естественного порядка выполнения команд (см. таблицу ниже).

1. Условное ветвление. Необходимость разветвления в алгоритме: в зависимости от того, каким получился некий промежуточный результат, следует выполнить одно из двух различных действий. Пример: поиск заданной фамилии в списке студентов. Если очередная фамилия совпала с искомой, поиск следует прекратить, если нет — поиск надо продолжить.
2. Программный цикл. Выполнение одной и той же последовательности действий с несколькими экземплярами данных. Для этого можно написать последовательность команд так, чтобы она могла обрабатывать элементы данных, находящиеся в задаваемых адресах. В конце такой последовательности следует организовать разветвление. Если еще не все элементы данных обработаны, следует, нарушив порядок команд "подряд", перейти к началу последовательности команд, одновременно изменив адреса обрабатываемых данных. Если же все требуемые данные обработаны, — продолжить выполнение программы далее.
3. Модульная иерархическая структура программы.

Кодирование команд в процессоре х86

Подробности

Родительская категория: Процессор

Категория: Кодирование команд в процессоре х86

Организация памяти

Адресуемая память (адресное пространство) представляет собой область из 1М байт. Физический адрес памяти имеет длину 20 бит (см. рисунок ниже). Для формирования физических адресов используется механизм сегментации памяти. Пространство памяти 1М доступно процессору через 4 "окна" (сегмента), каждый размером 64 Кбайт. Начальный адрес каждого сегмента содержится в одном из четырех сегментных регистров. Команды обращаются к байтам и словам в пределах сегментов, используя относительный (внутрисегментный) адрес.

Для того, чтобы не увеличивать чрезмерно длину команды, большая часть команд в системе команд х86 описывает не более двух операндов. Ниже представлены основные форматы команд (см. следующий рисунок).

Регистры. Шины. Вентили (Gates)

Подробности

Родительская категория: Процессор

Категория: Процессор — аппаратный уровень.

Регистры

Регистр хранит двоичное слово. Регистр — это линейка триггеров, которые имеют входы для изменения состояния, влияющее на выходы.

Регистры могут быть:

• программно-видимые явно;
• видимые косвенно, такие, накпример, как "теневые" регистры дескрипторов сегментов;
• внутренние, предназначенные для специальных целей, например, регистр адреса памяти и регистр данных для обмена с памятью — про них ,по крайней мере, известно, для чего они предназначены;
• внутренние — для хранения внутренних промежуточных результатов и т.д.

Кроме того, в процессоре могут быть "псевдо-регистры", хранящие константы: 0, 1, -1, и др. (м.б. такие, как , e,...).

Шины

Это просто группа параллельных проводов, связывающих между собой два адресата и позволяющих передать слово данных параллельным кодом.

Вентили

Регистры операционного устройства

Это логические элементы (коньюнкторы), разрешающие передачу данных (например, на вход триггера). Схема передачи слова данных от источника к приемнику изображена выше на рисунке. Она обеспечивает возможность управлять моментом передачи, подавая в нужный момент сигнал "строб". Слово данных от источника данных (им может быть другой регистр) подается на входы элементов "И". Выходы элементов "И" (вентилей) действуют на входы установки регистра-приемника. Для записи нового кода в регистр-приемник надо последовательно выполнить два действия:

1. сбросить старый код в регистре,
2. разрешить запись сигналом, подаваемым на вторые входы вентилей. Второй сигнал задержан относительно первого (в элементе задержки).

Несколько вентильных линеек В1, В2,...могут быть объединены по выходам линейкой элементов "ИЛИ". Такая структура позволяет передавать слово данных на вход регистра-приемника от одного из нескольких источников при действии разных стробовых сигналов. Такую структуру принято называть мультиплексором (ниже на рисунке).

Простейший мультиплексор

Микропрограммный автомат с жесткой логикой. Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Подробности

Родительская категория: Процессор

Категория: Устройство управления. Микропрограммный автомат

Микропрограммный автомат с жесткой логикой

Тип микропрограммного автомата определяет название всего УУ. В микропрограммном автомате с жесткой логикой (см. рисунок ниже) выходные сигналы управления реализуются за счет однажды соединенных логических схем. Микропрограммный автомат с жесткой логикой. Код операций (КОП), хранящийся в регистре команды, используется для определения того, какие сигналы управления и в какой последовательности должны формироваться. При этом, желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции (IK). Это может быть реализовано с помощью дешифратора.

Микропрограммный автомат с жесткой логикой

Сигналы управления, по которым выполняется микрооперация, должны вырабатываться в строго определенные моменты времени, поэтому все сигналы управления "привязаны" к импульсам синхронизации. Счетчик тактов сбрасывается (устанавливается в состояние Т1) по окончании цикла очередной команды. Цикл команды может потребовать разного количества тактов. На каждом такте вырабатывается своя микрокоманда, состоящая из нескольких сигналов управления. Дополнительным фактором, влияющим на выработку сигналов управления, являются флаги.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Отличительной особенностью микропрограммного автомата с программируемой логикой является наличие памяти микропрограмм. Каждой команде вычислительного устройства в этой памяти соответствует микропрограмма. Идею микропрограммирования сигналов управления предложил в 1951 г. Морис Уилкс (Кембриджский университет, Британия). ЭВМ стала иметь три уровня выполнения команд: между командами и сигналами управления появилась микропрограмма. Команда ЭВМ интерпретировалась в микропрограмму. Аппаратное обеспечение должно было выполнять только микропрограммы с ограниченным набором микрокоманд, отсюда существенно уменьшались аппаратные затраты. К 70-м годам идея о том, что написанная программа сначала должна интерпретироваться микропрограммами, а не выполняться непосредственно электроникой, стала преобладающей. Однако в современных процессорах, когда аппаратные затраты стали менее существенны, отказались от идеи микропрограммирования, так как она стала сдерживать рост производительности. Типичная схема микропрограммного автомата приведена на рисунке ниже.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Запуск микропрограммы выполнения операции осуществляется путем передачи кода операции из регистра команды на вход преобразователя, в котором код операции (КОП) преобразуется в начальный адрес микропрограммы. Выбранная по этому адресу из памяти микропрограмм микрокоманда заносится в регистр. Микрокоманда содержит КОП и адресную часть. КОП поступает на дешифратор и формирует управляющие сигналы, адрес передается для формирования адреса следующей микрокоманды. Этот адрес может зависеть от флагов, КОП, внешних устройств.