Реферат: Физическая и функциональная структура микропроцессора

Физическая структура микропроцессора сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий модуль и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок плавающей точки, модуль предсказания ветвлений, модуль преобразования CISC инструкций во внутренний RISC микрокод, регистры микропроцессорной памяти, регистры кэш-памяти 1-го уровня (для данных и инструкций), шинный интерфейс и многое другое.

В состав микропроцессора Pentium входят следующие физические компоненты:

□ Core — ядро МП;

□ Execution Unit — исполняющий модуль;

□ Integer ALU — АЛУ для операций с целыми числами (с фиксированной запятой);

□ Registers — регистры;

□ Floating Point Unit — блок для работы с числами с плавающей запятой;

□ Primary Cache — кэш первого уровня, в том числе кэш данных (Data Cache) и кэш команд (Code Cache);

□ Instruction Decode and Prefetch Unit и Branch Predictor — блоки декодирования инструкций, их исполнения и предсказания ветвлений;

□ Bus Interface — интерфейсные шины, в том числе 64-битная (64-bit Bus) и 32-битная (32-bit Bus) шины, и выход на системную шину к оперативной памяти (То RAM).

Функционально МП можно разделить на две части:

□ операционную, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (без адресных регистров);

□ интерфейсную, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты работы машины; схемы управления шиной и портами.

Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

1.5.1. Устройство управления

Устройство управления (УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПК — оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки машины.

Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 1.

На рисунке представлены:

□ регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции (КОП) и адреса операндов, участвующих в операции; регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд;

□ дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд КОП один из множества имеющихся у него выходов;

□ постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК процедур операций обработки информации; импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с КОП проводу считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов;

□ узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП;

□ кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.

В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

□ выборки из регистра-«счетчика адреса команды» МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

□ выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

□ расшифровки КОП и признаков выбранной команды;

□ считывания из соответствующих расшифрованному КОП ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;

□ считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирование полных адресов операндов;

□ выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;

□ записи результатов операции в память;

□ формирования адреса следующей команды программы.