ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.
1. Выбрать логическую структуру процессора (состав устройств,
их функции и принципы взаимодействия), исходя из принципов работы
ЭВМ Единой системы (ЭВМ общего назначения).
2. Обосновать выбор технических параметров процессора с целью
обеспечения достижения заданного значения производительности
- производительность П = млн.оп/с):
- машинный такт Т = 10-100 нс;
- цикл локальной памяти Тл = 10-100 нс;
- время выборки из основной памяти Тп = 100-1000 нс.
3. Разработать временные диаграммы и определить длительность
выполнения основных команд процессора.
4. Оптимизировать технико-экономические параметры процессора для
достижения максимальной его эффективности: максимальной
производительности при минимальной стоимости устройства, исходя из
объема оборудования устройства (количество используемых элементов)
или объема памяти, статистики использования памяти и следующего
соотношения: стоимость элементов устройства обратно пропорциональна
техническим параметрам.
В В Е Д Е Н И Е
Центральный процессор выполняет основную работу по
преобразованию данных в вычислительной системе и, кроме того,
осуществляет в ней функции автоматизированного управления в
соответствии с алгоритмами управляющей программы операционной
системы. В частности, центральный процессор взаимодействует с
каналами ввода-вывода, запуская операции ввода-вывода и получая
информацию о результатах их выполнения, а также о состоянии системы
ввода-вывода.
Центральный процессор - это устройство, обеспечивающее обработку
данных по заданнной программе. Центральный процессор производит
следующие основные виды операций: выполнение команд, прерывание,
сброс, регистрацию состояния (запись информации о состоянии
вычислительной системы в целом или ее отдельных компонентов в
определенные области основной памяти). Программу и обрабатываемые по
ней данные процессор выбирает из основной (оперативной) памяти.
Процессор включает в себя, в большенстве случаев, одно или
несколько операционных (или арифметическо-логических устройств),
устройство управления, локальную память, средства контроля и
диагностики.
Арифметически-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции
преобразования данных. Оно включает в себя один или несколько
сумматоров и регистры для хранения промежуточных данных и результатов
преобразований.
Арифметическо-логическое устройство может быть расширино
специализированными операционными устройствами: сдвигателем, быстрым
умножителем, десятичным сумматором, конвертером и др.
Устройство управления (УУ) - автомат управляющий процессами
передачи и обработки информации в процессоре. Это устройство
принимает команды и формирует последовательность управляющих
сигналов, проверяет и т.п. Оно входит в работы функциональных узлов
путем выдачи синхронизирующих и управляющего сигналов.
В составе процессора может находится локальная память
различного функционального назначения: рабочие регистры, РОН,
регистры указатели, управляющие регистры, регистры служебных слов и
т.п. Служебная память может использоваться для буферизации данных и
команд, хранения таблиц преобразования адреса, ключей защиты и др.
Процессор может включать в себя набор специальных
системных средств: службу времени (суточные часы, таймер и т.п.),
средства межпроцессорной связи, пульт управления системой и др.
Средства контоля и диагностики позволяют обнаруживать и
устранять неисправности без потери производитетьности процессора.
ЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРОЦЕССОРА.
Процессор выполняет программу, выбираемую из основной
(оперативной) памяти, в нескольно этапов: выборка команды, распаковка
команды и выборка операндов, выполнение операции и запись результатов
в основную память, а, при необходимости, и обработку прерывания,
изменение состояния процессора или системы в целом.
Логическую структуру ЦП (рис.1) включает ряд функциональных
средств: средства обработки, средства управления системой и
программой, локальная память, средства управления каналами и основной
памятью, системные средства.
Средства обработки обеспечивают выполнение операций с
фиксированной и плавающей запятой, операций с десятичными данными и
полями переменной длины. Локальная память состоит из регистров общего
назначения и регистров с плавающей точкой, а также управляющих
регистров.
Средства управления каналами обеспечивают хранение данных
(буфер данных канала), подготовленных к передаче или принятых из
канала, а также управление приоритетными доступам обрабатывающей
подсистемы через канал ввода/выводда к перефирийному оборудованию.
Центральный процессор ЕС ЭВМ включает в себя следующие базовые
средства принципов работы ЕС ЭВМ:
- локальная память: регистры общего назначения (16х32 р),
регистры плавающей запятой (4х64 р), управляющие регистры (16х32 р);
- полный набор команд: команды арифметики с фиксированной и
плавающей запятой, команды десятичная арифметика;
- системные средства: прямое управление, интервальный таймер,
часы, компаратор, защита памяти, средство условного обмена и т.д.
Для хранения текущей информации обрабатываемой программы в
центральном процессоре имеется локальная память: 16 регистров общего
назначения, 4 регистра (для операндов) с плавающей точкой (по 64
двоичных разряда). Процессор также использует область основной
памяти, которая является постоянно распределенной областью
процессора для хранения управляющей информации, информации прерывания
и контроля.
Центральный процессор может обращаться за информацией к 16
общим регистрам, имеющие нумерацию от 0 до 15. Они могут быть
использованы для хранения индекса в операциях над адресами, как
накапливающие регистры в арифметических операциях с фиксированной
точкой и в логических операциях. В общий регистр можно поместить
одно слово (32 байта).
Регистры общего назначения идентифицируются числами от 0 до 15 и
задаются в команде с помощью четырех битового поля R1. Два
смежных общих регистра (четный и следующей нечетный) могут
использоваться для хранения одного операнда размером 8 байт.
В операционной арифметике с плавающей точкой используются 4
специализированных регистра емкостью 8 байт каждый. Они
идентифицируются номерами 0, 2, 4 и 6. Каждый из них может содержать
короткое (32-битовое) или длинное (64-битовое) число в формате с
плавающей точкой. В операциях арифметики с плавающей точкой
расширенной точности для 128-битовых чисел используются пары
регистров с плавающей точкой 0-2 и 4-6.
К средствам управления памятью относятся буферная память,
память ключей, защита и средства управления доступом к основной
памяти.
К системным средствам относятся средства службы времени:
часы астрономического времени, таймер и компаратор.
Интервальный таймер используется для отчета времени суток и
интервалов времени. Обращение к интервальному таймеру для записи или
чтения его значение может осуществляться любой командой, в которой
предусмотрено обращение к основной памяти.
Компаратор используется для программной привязки процессов к
определенному моменту времени.
Для приближенной оценки производительности процессора будем
использовать ограниченный набор форматов команд и операндов.
Форматы команд:
┌────────┬────┬────┐
│ КОП │ R1 │ R2 │ Формат регистр-регистр (RR)
└────────┴────┴────┘
0 15
┌────────┬────┬────┬────┬────────────┐
│ КОП │ R1 │ Х2 │ В2 │ D2 │ Формат регистр-память (RХ)
└────────┴────┴────┴────┴────────────┘
0 31
КОП - код операции;
R1 - регистр первого операнда;
R2 - регистр первого операнда;
Х2 - регистр индекса;
В2 - регистр базы;
D2 - смещение адреса.
Форматы операндов:
┌──┬───────────────┐
│Зн│ │ Короткий операнд с фиксированной запятой
└──┴───────────────┘
0 15
┌──┬─────────────────────────────────┐
│Зн│ │ Нормальный операнд
└──┴─────────────────────────────────┘ с фиксированной запятой
0 31
┌──┬───────┬─────────────────────────┐
│Зн│Порядок│ Мантисса (24 разряда) │ Короткий операнд с
└──┴───────┴─────────────────────────┘ плавающей запятой
0 7 8 31
┌──┬───────┬────────────────────────── ─ ─ ─ ─────┐
│Зн│Порядок│ Мантисса (56 разрядов) │ Длинный операнд с
└──┴───────┴────────────────────────── ─ ─ ─ ─────┘ плавающей запятой