2.Расчет производительности процессора Основные теоретические положения

Центральный процессор выполняет основную работу по преобразованию данных в вычислительной системе, а также 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 заданной программе и осуществляет сле­дующие основные типы 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 большинстве случаев, одно или несколько операционных (или арифметическо-логических устройств), устройство управления, локальную память, средства контроля и диагностики.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции пре­образования данных. Оно включает в себя один или несколько сумматоров, а также регистры для хранения промежуточных данных и результатов преобразова­ний. Арифметическо-логическое устройство может быть расширено 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 их и т. п. Оно участвует в работе функциональных узлов путем выдачи синхронизи­рующих и управляющих сигналов.

В составе процессора может находиться 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 контроля и диагностики позволяют обнаруживать и устранять неисправности без потери производительности процессора.

Процессор выполняет программу, выбираемую из основной (оператив­ной) памяти, в несколько следующих 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.

Логическая структура ЦП (рис.1) включает ряд функциональных средств: средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления каналами и основной памятью, сис­темные средства.

Часы суточные

Компаратор

Таймер

Таймер

интервальный

Управляющие регистры

16х32

разряда

РССП

Регистры общего назначения

16х32

разряда

Регистры

с плавающей точкой

4х64

разряда

Средства управления

Управление Управление

системой программой

Средства обработки

Операции с Операции

фиксированной с плавающей

точкой

Операции десятичной арифметики и полей переменной длины

Пульт управления

Средства динамического преобразования адреса

Средства защиты памяти

Средства коррекции ошибок

Каналы ввода-вывода

Основная память

Рис. 1 Логическая схема процессора.

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/вывода к периферийному оборудованию.

Центральный процессор ЭВМ включает в себя следующие базовые средства принципов работы ЭВМ:

- локальнуюя память: регистры общего назначения (16x32 р), регистры плавающей запятой (4x64 р), управляющие регистры (16x32 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, а также информации прерывания и контроля.

Центральный процессор может обращаться за информацией к шестнадцати общим регистрам, имеющих 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 следующий 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 используем ограниченный набор форматов команд и операндов.

Форматы команд:

Формат регистр-регистр (RR)

0 15

Формат регистр-память (RX)

0 31

где КОП – код операции; R1 – регистр первого операнда; R2 – регистр второго операнда; Х2 – регистр индекса; В2 – регистр базы; D2 – смещение адреса.

Форматы операндов:

Короткий операнд с фиксированной запятой

0 15

Нормальный операнд с фиксиро-

ванной запятой

0 31

Короткий операнд с плавающей

0 7 8 31 запятой

Длинный опе-

ранд с плаваю-

0 7 8 63 щей запятой

Зн – разряд знака числа (мантиссы).