НОУ ІНТУІТ, Лекція, Функції пристроїв магістралі

2.4. Функції пристроїв магістралі

Розглянемо тепер, як взаємодіють на магістралі основні пристрої мікропроцесорної системи: процесор, пам'ять (оперативна та постійна), пристрої вводу/виводу.

2.4.1. Функції процесора

Крім висновків для сигналів трьох основних шин процесор завжди має висновок (або два висновки) для підключення зовнішнього тактового сигналу або кварцового резонатора (CLK), так як процесор завжди є тактований пристрій. Чим більша тактова частота процесора, тим він швидше працює, тобто швидше виконує команди. Втім, швидкодія процесора визначається як тактовою частотою, а й особливостями його структури. Сучасні процесори виконують більшість команд за один такт і мають засоби для паралельного виконання кількох команд. Тактова частота процесора пов'язана прямо і жорстко зі швидкістю обміну магістралі, оскільки швидкість обміну магістралі обмежена затримками поширення сигналів і спотвореннями сигналів на магістралі. Тобто тактова частота процесора визначає лише його внутрішню швидкодію, а чи не зовнішнє. Іноді тактова частота процесора має нижню і верхню межі. При перевищенні верхньої межі частоти можливе перегрівання процесора, а також збої, причому найнеприємніше, що виникають не завжди і нерегулярно. Тож із зміною цієї частоти треба бути дуже обережним.

лекція

Іноді мікросхема процесора має ще один-два входи радіальних переривань для обробки особливих ситуацій (наприклад, для переривання від зовнішнього таймера).

Шина живлення сучасного процесора зазвичай має одну напругу живлення (+5В або +3,3В) та загальний провід ("землю"). Перші процесоринерідко вимагали кількох напруг живлення. У деяких процесорах передбачено режим зниженого енергоспоживання. Загалом, сучасні мікросхеми процесорів, особливо з високими тактовими частотами, споживають досить велику потужність. У результаті підтримки нормальної робочої температури корпусу ними нерідко доводиться встановлювати радіатори, вентилятори і навіть спеціальні микрохолодильники.

Для підключення процесора до магістралі використовуються буферні мікросхеми, щоб забезпечити, якщо необхідно, демультиплексування сигналів та електричне буферування сигналів магістралі. Іноді протоколи обміну системною магістралі і з шин процесора не збігаються між собою, тоді буферні мікросхеми ще й узгодять ці протоколи один з одним. Іноді у мікропроцесорній системі використовується кілька магістралей (системних і локальних), тоді кожної із магістралей застосовується свій буферний вузол. Така структура характерна, наприклад, персональних комп'ютерів.

Таким чином, основні функції будь-якого процесора такі:

Спрощено структуру мікропроцесора можна у наступному вигляді (рис. 2.17).

магістралі

Основні функції показаних вузлів такі.

Розвитком ідеї конвеєра стало використання внутрішньої кеш-пам'яті процесора, яка заповнюється командами, доки процесор зайнятий виконанням попередніх команд. Чим більший обсяг кеш-пам'яті, тим менша ймовірність того, що її вміст доведеться скинути при команді переходу. Зрозуміло, що обробляти команди, що знаходяться у внутрішній пам'яті, процесор може набагато швидше, ніж ті, що розташовані у зовнішній пам'яті. У кеш-пам'яті можуть зберігатися дані, які обробляються в даний момент, це також прискорює роботу. Для більшого прискоренняВибірки команд у сучасних процесорах застосовують поєднання вибірки та дешифрації, одночасну дешифрацію кількох команд, кілька паралельних конвеєрів команд, передбачення команд переходів та деякі інші методи.

Арифметико-логічний пристрій (або АЛУ, ALU) призначений для обробки інформації відповідно до отриманої процесором команди. Прикладами обробки можуть бути логічні операції (типу логічного "І", "АБО", "Виключає АБО" і т.д.) тобто побиті операції над операндами, а також арифметичні операції (типу додавання, віднімання, множення, поділу і т.д. д.). Над якими кодами проводиться операція, куди міститься її результат - визначається командою, що виконується. Якщо команда зводиться лише до пересилання даних без їх обробки, то АЛУ не бере участь у її виконанні.

Швидкодія АЛП багато в чому визначає продуктивність процесора. Причому важлива як частота тактового сигналу , яким тактується АЛУ , а й кількість тактів, необхідне виконання тієї чи іншої команди. Для підвищення продуктивності розробники прагнуть довести час виконання команди до одного такту, а також забезпечити роботу АЛП на вищій частоті. Один із шляхів вирішення цього завдання полягає у зменшенні кількості виконуваних АЛУ команд, створення процесорів зі зменшеним набором команд (так звані RISC-процесори). Інший шлях підвищення продуктивності процесора - використання декількох паралельно працюючих АЛП.

Щодо операцій над числами з плаваючою точкою та інших спеціальних складних операцій, то в системах на базі перших процесорів їх реалізували послідовністю більш простих команд, спеціальними підпрограмами, проте потім були розроблені спеціальні обчислювачі.математичні співпроцесори, які заміняли основний процесор на час виконання таких команд. У сучасних мікропроцесорах математичні співпроцесори входять у структуру складова.

Схема керування прямим доступом до пам'ятіслужить для тимчасового відключення процесора від зовнішніх шин і призупинення роботи процесора на час надання прямого доступу пристрою, що запросив його.

Логіка управлінняорганізує взаємодію всіх вузлів процесора, перенаправляє дані, синхронізує роботу процесора із зовнішніми сигналами, а також реалізує процедури введення та виведення інформації.

Внутрішні регістри будь-якого мікропроцесора обов'язково виконують дві службові функції:

У різних процесорах для кожної з цих функцій може відводитися один або два внутрішні регістри. Ці два покажчики відрізняються від інших не лише своїм специфічним, службовим, системним призначенням, а й особливим способом зміни вмісту. Їх вміст програми можуть змінювати лише у разі крайньої необхідності, оскільки будь-яка помилка у своїй загрожує порушенням роботи комп'ютера, зависанням і псуванням вмісту пам'яті.

Про стеку буде детальніше розказано у наступному розділі.