Тема 6. Архітектура центрального процесора

Процесор – пристрій, що здійснює процес автоматичної обробки даних і програмне управління цим процесом. Процесор дешифрує й виконує команди програми, організовує звертання до оперативної пам'яті, в потрібних випадках ініціює роботу каналів вводу/виводу і периферійних пристроїв, приймає та обробляє запити переривання, які надходять з пристроїв комп'ютера і ззовні. За виконуваними функціями процесор є центральним пристроєм ОМ.

Природно, що конкретні типи ОМ містять в своєму складі процесори, побудовані по різних схемах, і процесори великих ЕОМ істотно відрізняються від процесорів міні- і мікроЕОМ (про суперЕОМ і говорити не доводиться).

Проте основні принципи побудови процесорів, загалом, однакові, причому найнаочніше їх можна продемонструвати на прикладі простого мікропроцесора.

Раніше розглядалися дії над числами (додавання, віднімання), представленими в різній формі. Було підкреслено, що всі ці дії здійснюються за допомогою елементарних операцій, що виконуються в певній послідовності.

До таких елементарних операцій відносяться:

• запис числа в регістр;
• інвертування вмісту розрядів регістра;
• пересилка вмісту регістрів;
• зсув вмісту регістра;
• додавання кодів;
• порозрядні логічні операції або аналіз розрядів;
• операція лічби С+1 або С-1 (інкремент або декремент).

Всі ці дії виконуються в пристрої, званому процесором, який складається з двох пристроїв – операційного (ОПр) і управляючого (ПУ).

ОПр – виконує вказані елементарні операції. ПУ – управляє ОПр, задаючи необхідну послідовність виконання цих операцій. Як вузли ПУ і ОПр включають регістри, лічильники, суматори, мультиплексори, дешифратори і так далі, тобто пристрої імпульсної цифрової техніки. Крім того, нормальне функціонування процесора і всієї 3 ЕОМ можливо тільки за наявності високостабільних імпульсних послідовностей, які формуються, як правило, з однієї імпульсної послідовності, що виробляється кварцевим генератором. Ці тактові імпульсні послідовності синхронізують роботу вузлів процесора, а іноді і всій ЕОМ.

Узагальнена структура будь-якого процесора зображена на рис. 1. Кожна елементарна операція, що виконується в одному з вузлів ОПр протягом одного тактового періоду, називається мікрооперацією. В певні тактові періоди одночасно можуть виконуватися декілька мікрооперацій, наприклад: Рг ← 0, Лч ← (Лч) – 1 і так далі. Така сукупність несуперечливих мікрооперацій називається мікрокомандою, а набір мікрокоманд, призначений для вирішення завдання, називається мікропрограмою.

Рисунок 1. Узагальнена структура мікропроцесора

Якщо в ОПр передбачена можливість виконання n різних мікрооперацій, то з ПУ повинно виходити n управляючих ланцюгів S1, ..., Sn, кожний з яких відповідає своїй мікрооперації. Через те що ПУ визначає мікропрограму, тобто які і в якій тимчасовій послідовності повинні виконуватися мікрооперації, він отримав назву мікропрограмного автомата. Відповідно ОПр часто називають операційним автоматом.

Формування управляючих сигналів S1, ..., Sn може залежати як від зовнішніх сигналів КОп (команди асемблера), так і від стану вузлів ОПр, визначуваного повідомними сигналами ознак стану P1, ..., Pm, що поступають з виходу ОПр на відповідні входи ПУ.

Як вже наголошувалося, ОПр виконує над початковими даними різні арифметичні і логічні операції, тому ОПр найчастіше називають арифметико-логічним пристроєм, або АЛП. Ділення будь-якого процесора на програмний і операційний автомати достатньо очевидно і не викликає особливих труднощів в розумінні. Проте структурні схеми навіть простих реальних процесорів крім АЛП і ПУ містять ще ряд вузлів (регістри, лічильники, дешифратори і ін.).

Рис. 2. Графічне позначення простого АЛП.