12.2. Функциональная и структурная организация процессора.

Структурная организация – набор устройств, блоков и связей между ними.

Функциональная организация– форматы команд, алгоритмы реализации операций (поразрядная обработка или параллельная), ширина шин адреса, данных, система прерываний.

Структурная организация.

По g_i указывается пусковой адрес микропрограммы цикла работы процессора. Затем микропрограммы выполняются друг за другом. По мере исполнения микроопераций и микрокоманд формируются особые случаи или осведомительные сигналы: перенос из старшего разряда, переполнение разрядной сетки, равенство нулю результата операции, знак результата и т.д. Часть осведомительных сигналов поступает в УА для изменения естественного порядка выполнения микрокоманд (ветвление, циклы); формируются внешние осведомительные сигналы; сигналя для центрального устройства управления по которым прерывается выполнение текущей программы, осуществляется обращение к периферийным устройствам и т.д.

ЦУУ в машинах III поколения представлено явно, вIVпоколении - реализовано на программном уровне. ВIVпоколении ОП вынесено за пределы процессора.

В современных процессорах Т_цикла=(12) Т_такта;Т_такта=(24)Т₀, где Т₀- импульсы синхронизирующих последовательностей. Т₀=1/F₀, гдеF₀- частота тактирования CPU.

Операционный автомат процессора.

Операционный автомат (ОА) состоит из основных частей: 1) запоминающая часть(регистры, счетчики, запоминающие элементы); 2) комбинационная часть (мультиплексоры, сдвигатели, АЛУ, сумматоры, дешифраторы, шифраторы, логические схемы); 3) Линии связей между элементами или устройствами (магистрального типа, с непосредственными связями и комбинированные).

Структура ОА см. на примере вычислительной секции 1804ВС1 и ОА процессора машин IIIпоколения.

ОА характеризуются: 1) производительностью – количество микроопераций за единицу времени W_ОА; 2) быстродействиемt=длительность выполнения микрооперации, данный показатель стремятся сократить, он определяется глубиной задержки логических схем; 3) сложностью.

Каноническая структура ОА.

ОА оцениваются параметрами: 1) производительность; 2) быстродействие; 3) сложность (затраты оборудования); 4) однородность (регулярность структуры) – характеризуется количеством однотипных элементов и связей между ними. Чем проще элемент и проще связь, тем степень однородности выше.

Структура ОА определяется классом решаемых на нем задач.

Задача -> {методы решения} -> алгоритм -> {набор операций Q1(аппаратно-микропрограммным путем) и Q2(программным путем)} -> {микропрограммы} -> {микрокоманды} -> {микрооперации}

Состоянием ОА ставится в соответствие запоминающая часть (S), а множеству микроопераций – множество комбинационных схем. S – множество слов операционного автомата (I-входных,L-выходных,O-промежуточных).{S₁,S₂,...,S_N}

Y– множество микроопераций {y_m}={S_k=_k(S₁,S₂,...,S_N)}, где_k– некоторая вычислимая функция

X – множество осведомительных сигналов, X={X_L}={_L(S₁,S₂,...,S_N)}, где_L– некоторая комбинационная схема.

Структура ОА синтезируется следующим образом:

1. Словам S₁,S₂,...,S_N, описывающих внутреннее состояние, ставятся в соответствие регистры S₁,S₂,...,S_Nс разрядностью n₁,n₂,...,n_N , которые равны длине слова операционного автомата. Если в словах есть поля, то в структурной схеме ОА выделяют регистры (подрегистры).

2. Словам S_d1,S_d2,...,S_dm(входным) ставятся в соответствие входные полюсы d₁,d₂,...,d_m. Каждому внутреннему слову ставится в соответствие регистр, полюс с регистром соединяется шиной.

3. Выходные слова S_r1,S_r2,...,S_rQставятся в соответствие выходным полюсам r₁,r₂,...,r_Q.

4. Каждой микрооперации ставится в соответствие комбинационная схема Y_m: S₁=_m{ S₁,S₂,...,S_N}

5. Каждому логическому условию, так же ставится в соответствие комбинационная схема X_L:_L{ S₁,S₂,...,S_N}

Определение: структура ОА, полученная путем замены каждого элемента функции (слова микрооперации и логического условия) соответствующими элементами структурного базиса (регистрами, комбинационными схемами) является основополагающим для синтеза структур ОА и называется канонической структурой.

Эта структура имеет следующий вид:

Производительность, быстродействие и сложность у данной схемы максимальны.

Пути сокращения затрат оборудования: 1) реализовать однотипные микрооперации на одних и тех же комбинационных схемах (Эквивалентные комбинационные схемы); 2)объединить комбинационные схемы по каждому элементу памяти (регистры).