Структурная схема ЦП изображена на рисунке 5.2.
Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:
¨ Центральное устройство управления;
¨ Арифметико-логическое устройство;
¨ Устройство управления памятью;
¨ Сверхоперативное запоминающее устройство;
¨ Устройство предварительной выборки команд и данных;
¨ Интерфейс магистрали.
Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.
Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.
Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.
Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:
- сумматоры,
- буферные и рабочие регистры,
- специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),
- собственный блок управления (иногда).
Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.
Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.
Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).
Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.
Во внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.
Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.
Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.
Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.
Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.
В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:
¨ несколько целочисленных устройств;
¨ устройство плавающей точки (блок FPU);
¨ устройство выполнения переходов;
¨ устройство загрузки/записи.
Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).
Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.
Характеристики процессора
Говоря о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунду. Производительность, в свою очередь, характеризуется радом параметров:
¨ степенью интеграции;
¨ внутренней и внешней разрядностью обработки данных;
¨ тактовой частотой;
¨ памятью, к которой может адресоваться процессор;
¨ объемом и устройством кэш-памяти.
Степень интеграции процессора – число транзисторов, которые могут уместиться на микросхеме.
| Например, | для | - | 0,029 | млн. | |
| для | i486DX | - | 1,2 | млн. | |
| для | Pentium MMX | - | 4,5 | млн. | |
| для | Pentium III MMX2 | - | 9,5 | млн. |
Внутренняя разрядность данных – количество бит, которое процессор может обрабатывать одновременно. Особенно важна эта характеристика для арифметических команд, выполняемых внутри ЦП.
Внешняя разрядность данных – разрядность системной шины. Тактовая частота современных процессоров превышает 300 МГц, тактовая частота системной шины составляет лишь 66 МГц. В самых последних моделях материнских плат – порядка 100 и 133 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы ЦП.
Тактовая частота – количество циклов (или машинных тактов) в секунду, вырабатываемых генератором тактовых сигналов. Современные персональные компьютеры имеют несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на различных частотах. Говоря о тактовой частоте системы, имеют в виду тактовую частоту системной шины.
Табл. 5.1.
Характеристики различных процессоров
| Тип процессора | Тактовая частота, МГц | Внешняя разрядность данных, бит | Внутренняя разрядность данных, бит |
| 5, 8, 10 | |||
| 80486 DX | 25, 33, 50 | ||
| 80486 DX4 | 75, 100 | ||
| Pentium MMX | 166, 200, 233, 266 | ||
| Pentium II/III | 400 - 500, 533 и более |
Ширина ША, или количество ячеек памяти, к которым может адресоваться процессор.
Ширина ШД, или количество бит данных, которые могут быть одновременно переданы по ШД.
