Функции процессора
Процессор (рис. 3.1) обычно представляет собой отдельную микросхему или же часть микросхемы (в случае микроконтроллера). В прежние годы процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но сейчас от такого подхода уже практически отказались. Микросхема процессора обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Иногда некоторые сигналы и шины мультиплексируются, чтобы уменьшить количество выводов микросхемы процессора.
Важнейшие характеристики процессора — это количество разрядов его шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы.
Кроме выводов для сигналов трех основных шин процессор всегда имеет вывод (или два вывода) для подключения внешнего тактового сигнала или кварцевого резонатора (CLK), так как процессор всегда представляет собой тактируемое устройство. Чем больше тактовая частота процессора, тем он быстрее работает, то есть тем быстрее выполняет команды. Впрочем, быстродействие процессора определяется не только тактовой частотой, но и особенностями его структуры. Современные процессоры выполняют большинство команд за один такт и имеют средства для параллельного выполнения нескольких команд. Тактовая частота процессора не связана прямо и жестко со скоростью обмена по магистрали, так как скорость обмена по магистрали ограничена задержками распространения сигналов и искажениями сигналов на магистрали. То есть тактовая частота процессора определяет только его внутреннее быстродействие, а не внешнее. Иногда тактовая частота процессора имеет нижний и верхний пределы. При превышении верхнего предела частоты возможно перегревание процессора, а также сбои, причем, что самое неприятное, возникающие не всегда и нерегулярно. Так что с изменением этой частоты надо быть очень осторожным.
Рис. 3.1. Схема включения процессора.
Еще один важный сигнал, который имеется в каждом процессоре, — это сигнал начального сброса RESET. При включении питания, при аварийной ситуации или зависании процессора подача этого сигнала приводит к инициализации процессора, заставляет его приступить к выполнению программы начального запуска. Аварийная ситуация может быть вызвана помехами по цепям питания и «земли», сбоями в работе памяти, внешними ионизирующими излучениями и еще множеством причин. В результате процессор может потерять контроль над выполняемой программой и остановиться в каком-то адресе. Для выхода из этого состояния как раз и используется сигнал начального сброса. Этот же вход начального сброса может использоваться для оповещения процессора о том, что напряжение питания стало ниже установленного предела. В таком случае процессор переходит к выполнению программы сохранения важных данных. По сути, этот вход представляет собой особую разновидность радиального прерывания.
Иногда у микросхемы процессора имеется еще один-два входа радиальных прерываний для обработки особых ситуаций (например, для прерывания от внешнего таймера).
Шина питания современного процессора обычно имеет одно напряжение питания (+5В или +3,3В) и общий провод («землю»). Первые процессоры нередко требовали нескольких напряжений питания. В некоторых процессорах предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Вообще, современные микросхемы процессоров, особенно с высокими тактовыми частотами, потребляют довольно большую мощность. В результате для поддержания нормальной рабочей температуры корпуса на них нередко приходится устанавливать радиаторы, вентиляторы или даже специальные микрохолодильники.
Для подключения процессора к магистрали используются буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Иногда протоколы обмена по системной магистрали и по шинам процессора не совпадают между собой, тогда буферные микросхемы еще и согласуют эти протоколы друг с другом. Иногда в микропроцессорной системе используется несколько магистралей (системных и локальных), тогда для каждой из магистралей применяется свой буферный узел. Такая структура характерна, например, для персональных компьютеров.
После включения питания процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на ПДП. Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения.
Таким образом, основные функции любого процессора следующие:
· выборка (чтение) выполняемых команд;
· ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;
· вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;
· обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
· адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;
· обработка прерываний и режима прямого доступа.
Упрощенно структуру микропроцессора можно представить в следующем виде (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Внутренняя структура микропроцессора.
Основные функции показанных узлов следующие.
Схема управления выборкой команд выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию. В первых микропроцессорах было невозможно одновременное выполнение предыдущей команды и выборка следующей команды, так как процессор не мог совмещать эти операции. Но уже в 16-разрядных процессорах появляется так называемый конвейер (очередь) команд, позволяющий выбирать несколько следующих команд, пока выполняется предыдущая. Два процесса идут параллельно, что ускоряет работу процессора. Конвейер представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) записывается несколько команд, следующих за исполняемой. Читаются эти команды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер (это память типа FIFO, First In — First Out, первый вошел — первый вышел). Правда, если выполняемая команда предполагает переход не на следующую ячейку памяти, а на удаленную (с меньшим или большим адресом), конвейер не помогает, и его приходится сбрасывать. Но такие команды встречаются в программах сравнительно редко.
Развитием идеи конвейера стало использование внутренней кэш-памяти процессора, которая заполняется командами, пока процессор занят выполнением предыдущих команд. Чем больше объем кэш-памяти, тем меньше вероятность того, что ее содержимое придется сбросить при команде перехода. Понятно, что обрабатывать команды, находящиеся во внутренней памяти, процессор может гораздо быстрее, чем те, которые расположены во внешней памяти. В кэш-памяти могут храниться и данные, которые обрабатываются в данный момент, это также ускоряет работу. Для большего ускорения выборки команд в современных процессорах применяют совмещение выборки и дешифрации, одновременную дешифрацию нескольких команд, несколько параллельных конвейеров команд, предсказание команд переходов и некоторые другие методы.
Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического «И», «ИЛИ», «Исключающего ИЛИ» и т.д.) то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении.
Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-процессоры). Другой путь повышения производительности процессора — использование нескольких параллельно работающих АЛУ.
Что касается операций над числами с плавающей точкой и других специальных сложных операций, то в системах на базе первых процессоров их реализовали последовательностью более простых команд, специальными подпрограммами, однако затем были разработаны специальные вычислители — математические сопроцессоры, которые заменяли основной процессор на время выполнения таких команд. В современных микропроцессорах математические сопроцессоры входят в структуру как составная часть.
Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.
По отношению к назначению внутренних регистров существует два основных подхода. Первого придерживается, например, компания Intel, которая каждому регистру отводит строго определенную функцию. С одной стороны, это упрощает организацию процессора и уменьшает время выполнения команды, но с другой — снижает гибкость, а иногда и замедляет работу программы. Например, некоторые арифметические операции и обмен с устройствами ввода/вывода проводятся только через один регистр — аккумулятор, в результате чего при выполнении некоторых процедур может потребоваться несколько дополнительных пересылок между регистрами. Второй подход состоит в том, чтобы все (или почти все) регистры сделать равноправными, как, например, в 16-разрядных процессорах Т-11 фирмы DEC. При этом достигается высокая гибкость, но необходимо усложнение структуры процессора. Существуют и промежуточные решения, в частности, в процессоре MC68000 фирмы Motorola половина регистров использовалась для данных, и они были взаимозаменяемы, а другая половина — для адресов, и они также взаимозаменяемы.
Регистр признаков (регистр состояния) занимает особое место, хотя он также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора (ССП, PSW — Processor Status Word). Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате предыдущей команды. Например, есть бит нулевого результата, который устанавливается в том случае, когда результат выполнения предыдущей команды — нуль, и очищается в том случае, когда результат выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) используются командами условных переходов, например, командой перехода в случае нулевого результата. В этом же регистре иногда содержатся флаги управления, определяющие режим выполнения некоторых команд.
Схема управления прерываниями обрабатывает поступающий на процессор запрос прерывания, определяет адрес начала программы обработки прерывания (адрес вектора прерывания), обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды и сохранения в памяти (в стеке) текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти (из стека) значениями внутренних регистров. Подробнее о стеке будет рассказано в следующем разделе.
Схема управления прямым доступом к памяти служит для временного отключения процессора от внешних шин и приостановки работы процессора на время предоставления прямого доступа запросившему его устройству.
Логика управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.
Таким образом, в ходе работы процессора схема выборки команд выбирает последовательно команды из памяти, затем эти команды выполняются, причем в случае необходимости обработки данных подключается АЛУ. На входы АЛУ могут подаваться обрабатываемые данные из памяти или из внутренних регистров. Во внутренних регистрах хранятся также коды адресов обрабатываемых данных, расположенных в памяти. Результат обработки в АЛУ изменяет состояние регистра признаков и записывается во внутренний регистр или в память (как источник, так и приемник данных указывается в составе кода команды). При необходимости информация может переписываться из памяти (или из устройства ввода/вывода) во внутренний регистр или из внутреннего регистра в память (или в устройство ввода/вывода).
Внутренние регистры любого микропроцессора обязательно выполняют две служебные функции:
определяют адрес в памяти, где находится выполняемая в данный момент команда (функция счетчика команд или указателя команд);
определяют текущий адрес стека (функция указателя стека).
В разных процессорах для каждой из этих функций может отводиться один или два внутренних регистра. Эти два указателя отличаются от других не только своим специфическим, служебным, системным назначением, но и особым способом изменения содержимого. Их содержимое программы могут менять только в случае крайней необходимости, так как любая ошибка при этом грозит нарушением работы компьютера, зависанием и порчей содержимого памяти.
Содержимое указателя (счетчика) команд изменяется следующим образом. В начале работы системы (при включении питания) в него заносится раз и навсегда установленное значение. Это первый адрес программы начального запуска. Затем после выборки из памяти каждой следующей команды значение указателя команд автоматически увеличивается (инкрементируется) на единицу (или на два в зависимости от формата команд и типа процессора). То есть следующая команда будет выбираться из следующего по порядку адреса памяти. При выполнении команд перехода, нарушающих последовательный перебор адресов памяти, в указатель команд принудительно записывается новое значение — новый адрес в памяти, начиная с которого адреса команд опять же будут перебираться последовательно. Такая же смена содержимого указателя команд производится при вызове подпрограммы и возврате из нее или при начале обработки прерывания и после его окончания.
Функции памяти
Память микропроцессорной системы выполняет функцию временного или постоянного хранения данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемых системой алгоритмов, а также в некоторой степени и скорость работы системы в целом. Модули памяти выполняются на микросхемах памяти (оперативной или постоянной). Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. — flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого.
Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми (например, 8, 16, 32, 64). Допустимое количество ячеек памяти определяется количеством разрядов шины адреса как 2N, где N — количество разрядов шины адреса. Чаще всего объем памяти измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти. Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт — 210 или 1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт — 220 или 1 048 576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт — 230 байт (обозначается Гбайт), терабайт — 240 (обозначается Тбайт) Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памяти системы.
Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 3.3).
Оперативная память общается с системной магистралью в циклах чтения и записи, постоянная память — только в циклах чтения. Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS) и сигналы разрешения записи в память (WR). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти.
В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции.
Память программы начального запуска всегда выполняется на ПЗУ или флэш-памяти. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET.
Рис. 3.3. Структура модуля памяти.
Память для стека или стек (Stack) — это часть оперативной памяти, предназначенная для временного хранения данных в режиме LIFO (Last In — First Out).
Особенность стека по сравнению с другой оперативной памятью — это заданный и неизменяемый способ адресации. При записи любого числа (кода) в стек число записывается по адресу, определяемому как содержимое регистра указателя стека, предварительно уменьшенное (декрементированное) на единицу (или на два, если 16-разрядные слова расположены в памяти по четным адресам). При чтении из стека число читается из адреса, определяемого содержимым указателя стека, после чего это содержимое указателя стека увеличивается (инкрементируется) на единицу (или на два). В результате получается, что число, записанное последним, будет прочитано первым, а число, записанное первым, будет прочитано последним. Такая память называется LIFO или памятью магазинного типа (например, в магазине автомата патрон, установленный последним, будет извлечен первым).
Принцип действия стека показан на рис. 3.4 (адреса ячеек памяти выбраны условно).
Пусть, например, текущее состояние указателя стека 1000008, и в него надо записать два числа (слова). Первое слово будет записано по адресу 1000006 (перед записью указатель стека уменьшится на два). Второе — по адресу 1000004. После записи содержимое указателя стека — 1000004. Если затем прочитать из стека два слова, то первым будет прочитано слово из адреса 1000004, а после чтения указатель стека станет равным 1000006. Вторым будет прочитано слово из адреса 1000006, а указатель стека станет равным 1000008. Все вернулось к исходному состоянию. Первое записанное слово читается вторым, а второе — первым.
Рис. 3.4. Принцип работы стека.
Необходимость такой адресации становится очевидной в случае многократно вложенных подпрограмм. Пусть, например, выполняется основная программа, и из нее вызывается подпрограмма 1. Если нам надо сохранить значения данных и внутренних регистров основной программы на время выполнения подпрограммы, мы перед вызовом подпрограммы сохраним их в стеке (запишем в стек), а после ее окончания извлечем (прочитаем) их из стека. Если же из подпрограммы 1 вызывается подпрограмма 2, то ту же самую операцию мы проделаем с данными и содержимым внутренних регистров подпрограммы 1. Понятно, что внутри подпрограммы 2 крайними в стеке (читаемыми в первую очередь) будут данные из подпрограммы 1, а данные из основной программы будут глубже. При этом в случае чтения из стека автоматически будет соблюдаться нужный порядок читаемой информации. То же самое будет и в случае, когда таких уровней вложения подпрограмм гораздо больше. То есть то, что надо хранить подольше, прячется поглубже, а то, что скоро может потребоваться — с краю.
В системе команд любого процессора для обмена информацией со стеком предусмотрены специальные команды записи в стек (PUSH) и чтения из стека (POP). В стеке можно прятать не только содержимое всех внутренних регистров процессоров, но и содержимое регистра признаков (слово состояния процессора, PSW). Это позволяет, например, при возвращении из подпрограммы контролировать результат последней команды, выполненной непосредственно перед вызовом этой подпрограммы. Можно также хранить в стеке и данные, для того чтобы удобнее было передавать их между программами и подпрограммами. В общем случае, чем больше область памяти, отведенная под стек, тем больше свободы у программиста и тем более сложные программы могут выполняться.
Следующая специальная область памяти — это таблица векторов прерываний.
Вообще, понятие прерывания довольно многозначно. Под прерыванием в общем случае понимается не только обслуживание запроса внешнего устройства, но и любое нарушение последовательной работы процессора. Например, может быть предусмотрено прерывание по факту некорректного выполнения арифметической операции типа деления на ноль. Или же прерывание может быть программным, когда в программе используется команда перехода на какую-то подпрограмму, из которой затем последует возврат в основную программу. В последнем случае общее с истинным прерыванием только то, как осуществляется переход на подпрограмму и возврат из нее.
Любое прерывание обрабатывается через таблицу векторов (указателей) прерываний. В этой таблице в простейшем случае находятся адреса начала программ обработки прерываний, которые и называются векторами. Длина таблицы может быть довольно большой (до нескольких сот элементов). Обычно таблица векторов прерываний располагается в начале пространства памяти (в ячейках памяти с малыми адресами). Адрес каждого вектора (или адрес начального элемента каждого вектора) представляет собой номер прерывания.
В случае аппаратных прерываний номер прерывания или задается устройством, запросившим прерывание (при векторных прерываниях), или же задается номером линии запроса прерываний (при радиальных прерываниях). Процессор, получив аппаратное прерывание, заканчивает выполнение текущей команды и обращается к памяти в область таблицы векторов прерываний, в ту ее строку, которая определяется номером запрошенного прерывания. Затем процессор читает содержимое этой строки (код вектора прерывания) и переходит в адрес памяти, задаваемый этим вектором. Начиная с этого адреса в памяти должна располагаться программа обработки прерывания с данным номером. В конце программы обработки прерываний обязательно должна располагаться команда выхода из прерывания, выполнив которую, процессор возвращается к выполнению прерванной основной программы. Параметры процессора на время выполнения программы обработки прерывания сохраняются в стеке.
Пусть, например, процессор (рис.3.5) выполнял основную программу и команду, находящуюся в адресе памяти 5000 (условно). В этот момент он получил запрос прерывания с номером (адресом вектора) 4. Процессор заканчивает выполнение команды из адреса 5000. Затем он сохраняет в стеке текущее значение счетчика команд (5001) и текущее значение PSW. После этого процессор читает из адреса 4 памяти код вектора прерывания. Пусть этот код равен 6000. Процессор переходит в адрес памяти 6000 и приступает к выполнению программы обработки прерывания, начинающейся с этого адреса. Пусть эта программа заканчивается в адресе 6100. Дойдя до этого адреса, процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Для этого он извлекает из стека значение адреса (5001), на котором его прервали, и бывшее в тот момент PSW. Затем процессор читает команду из адреса 5001 и дальше последовательно выполняет команды основной программы.
Рис. 3.5. Упрощенный алгоритм обработки прерывания.
Прерывание в случае аварийной ситуации обрабатывается точно так же, только адрес вектора прерывания (номер строки в таблице векторов) жестко привязан к данному типу аварийной ситуации.
Программное прерывание тоже обслуживается через таблицу векторов прерываний, но номер прерывания указывается в составе команды, вызывающей прерывание.
Такая сложная, на первый взгляд, организация прерываний позволяет программисту легко менять программы обработки прерываний, располагать их в любой области памяти, делать их любого размера и любой сложности.
Во время выполнения программы обработки прерывания может поступить новый запрос на прерывание. В этом случае он обрабатывается точно так же, как описано, но основной программой считается прерванная программа обработки предыдущего прерывания. Это называется многократным вложением прерываний. Механизм стека позволяет без проблем обслуживать это многократное вложение, так как первым из стека извлекается тот код, который был сохранен последним, то есть возврат из обработки данного прерывания происходит в программу обработки предыдущего прерывания.
Отметим, что в более сложных случаях в таблице векторов прерываний могут находиться не адреса начала программ обработки прерываний, а так называемые дескрипторы (описатели) прерываний. Но конечным результатом обработки этого дескриптора все равно будет адрес начала программы обработки прерываний.
Наконец, еще одна специальная область памяти микропроцессорной системы — это память устройств, подключенных к системной шине. Такое решение встречается нечасто, но иногда оно очень удобно. То есть процессор получает возможность обращаться к внутренней памяти устройств ввода/вывода или каких-то еще подключенных к системной шине устройств, как к своей собственной системной памяти. Обычно окно в пространстве памяти, выделяемое для этого, не слишком большое.
Все остальные части пространства памяти, как правило, имеют универсальное назначение. В них могут располагаться как данные, так и программы (конечно, в случае одношинной архитектуры). Иногда это пространство памяти используется как единое целое, без всяких границ. А иногда пространство памяти делится на сегменты с программно изменяемым адресом начала сегмента и с установленным размером сегмента. Оба подхода имеют свои плюсы и минусы. Например, использование сегментов позволяет защитить область программ или данных, но зато границы сегментов могут затруднять размещение больших программ и массивов данных.
В заключение остановимся на проблеме разделения адресов памяти и адресов устройств ввода/вывода. Существует два основных подхода к решению этой проблемы:
выделение в общем адресном пространстве системы специальной области адресов для устройств ввода/вывода;
полное разделение адресных пространств памяти и устройств ввода/вывода.
Первый подход хорош тем, что при обращении к устройствам ввода/вывода процессор может использовать те же команды, которые служат для взаимодействия с памятью. Но адресное пространство памяти должно быть уменьшено на величину адресного пространства устройств ввода/вывода. Например, при 16-разрядной шине адреса всего может быть 64К адресов. Из них 56К адресов отводится под адресное пространство памяти, а 8К адресов — под адресное пространство устройств ввода/вывода.
Преимущество второго подхода состоит в том, что память занимает все адресное пространство микропроцессорной системы. Для общения с устройствами ввода/вывода применяются специальные команды и специальные стробы обмена на магистрали. Именно так сделано, например, в персональных компьютерах. Но возможности взаимодействия с устройствами ввода/вывода в данном случае существенно ограничены по сравнению с возможностями общения с памятью.
