Количественные характеристики
Лекция 7 Внутренняя организация процессора
Арифметико-логическое устройство (АЛУ): назначение и классификация.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - это многофункциональное устройство, которое выполняет над входными числами различные арифметические и логические операции.
В общем случае многофункциональное АЛУ включает операционную часть (ОУ) и устройство управления (УУ), которое осуществляет вторичную дешифрацию кода команды и определяет выполняемую в АЛУ операцию.
. 
Структура АЛУ
Набор выполняемых в АЛУ операций должен обладать функциональной полнотой. Чтобы обеспечить функциональную полноту достаточно четырех операций :
· обращение к памяти для записи/чтения данных;
· инкремент/декремент;
· сравнение (реализует возможность условного перехода);
· останов работы устройства.
В первых процессорах количество операций ограничивалось шестнадцатью, теперь достигает нескольких сотен.
Количество выполняемых операций является важной характеристикой АЛУ.
Классификация АЛУ
АЛУ можно классифицировать по ряду признаков, приведенных ниже.
1. Классификация по способу представления данных :
· с фиксированной запятой;
· с плавающей запятой.
2. Классификация по способу действия над операндами :
· ·последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;
· ·параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;
|
|
|
· ·последовательно - параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.
3. Классификация по использованию систем счисления :
· двоичная;
· двоично- десятичная;
· восьмеричная;
· шестнадцатеричная;
· и т.д.
4. Классификация по характеру использования элементов и узлов :
· блочные - для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;
· конвейерные- в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;
· многофункциональные- это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.
Классификация по временным характеристикам.
По временным характеристикам АЛУ делятся на:
· синхронные- в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.
|
|
|
· асинхронные- не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.
6.Классификация по структуре устройства управления :
· АЛУ с жесткой логикой устройства управления;
· АЛУ с микропрограммным управлением.
Основные функции и характеристики АЛУ
Основные функции АЛУ
Современные АЛУ выполняют:
· функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой;
· функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой;
· функции арифметики двоично-десятичного представления данных;
· логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические);
· операции пересылки данных;
· работу с символьными данными;
· работу с графическими данными.
Основные характеристики АЛУ
Основные характеристики АЛУ можно разделить на количественные и качественные.
Количественные характеристики
Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций, время выполнения одной операции, точность представления данных, количество выполняемых операций.
Среднюю скорость выполнения операций Vср. в АЛУ можно определить как отношение N(T)- количества операций, выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени:
|
|
|
Vср = N(T)/T
Среднее время, которое АЛУ тратит на выполнение операции равно:
Tср = 1/Vср
Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных.
Качественные характеристики АЛУ:
К качественным характеристикам АЛУ относятся:
· структурные особенности АЛУ;
· форматы представления данных (с фиксированной или плавающей точкой);
· способы кодирования данных.
Развитие структуры АЛУ
АЛУ первого поколения строились по принципу распределения микроопераций и их закрепления за отдельными элементами устройства, для выполнения операций в регистрах они дополнялись логическими схемами. В АЛУ первого поколения использовался сумматор накапливающего типа. Сумматор накапливающего типа строится на триггерах и для выполнения операций в нем данные должны подаваться в виде импульсных сигналов последовательно, например, сначала подается первое слагаемое, затем второе, затем перенос из предыдущего (младшего) разряда. Понятно, что такой сумматор не может обеспечить высокое быстродействие АЛУ. На рисунке показана структура АЛУ первого поколения.
|
|
|
структура АЛУ первого поколения
АЛУ имеет сложное устройство управления, выполненное по жесткой схеме, т.е. такое устройство формирует все управляющие сигналы при помощи специальных комбинационных схем. Операции выполняются над числами, представленными в формате с фиксированной точкой.
В АЛУ 2-го поколения используется сумматор комбинационного типа, обеспечивающий более высокое быстродействие по сравнению с сумматором накапливающего типа, большее количество регистров, используется формат данных с плавающей точкой, для управления потоками данных введено большее количество мультиплексоров, введены буферные регистры для связи с оперативной памятью, но по прежнему много операций выполняется в регистрах.
АЛУ 3-го поколения выполняются на БИС и СБИС, технология требует, чтобы структура АЛУ была более однородной, внутренняя структура делится на крупные блоки. Арифметико-логические операции выполняются в отдельном логико- суммирующем модуле, соединение между блоками осуществляется с помощью внутреннего интерфейса, используется 2-х и 3-х шинная организация. При интегральной технологии шины занимают большой объём кристалла, но введение дополнительных связей повышает быстродействие АЛУ, возможно выполнение операции за 1 такт. Достоинства АЛУ 3-го поколения в компактности, высокой надёжности, однородности структуры.
В современных АЛУ широко используются принципы временного и пространственного параллелизма при выполнении операций.
Развивается 2 направления:
· использование блочных АЛУ (пространственный параллелизм);
· использование конвейерных АЛУ (временной параллелизм).
Интерфейсная часть МП
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав
· адресные регистры микропроцессорная память (МПП),
· узел формирования адреса,
· блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП,
· внутреннюю интерфейсную шину МП
· схемы управления шиной
· схемы управления портами ввода-вывода.
Адресные регистры микропроцессорная память (МПП) - микропроцессорная память - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами - тысячными долями микросекунды) .
Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях, МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков регистров разной длины у МП Pentium.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные.
Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например) , признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.
Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.
Узел формирования адреса вычисляет полный исполнительный адрес ячейки памяти или регистра внешнего устройства по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП. Он находится в интерфейсной части микропроцессора.
Кодовые шины данных, адреса и инструкций также являются частью внутреннего интерфейса микропроцессора; они сопрягаются с шинами системной магистрали с помощью соответствующих схем управления.
Порты ввода-вывода - это пункты системного интерфейса ПЭВМ, через которые микропроцессор обменивается данными с другими устройствами. Каждый порт, подобно ячейкам памяти, имеет свой адрес (номер). Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Всего портов у микропроцессора может быть 65536. Многие типовые устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовых шип инструкций (КШИ), адреса (КША) и данных (КШД) системной магистрали. Для организации обмена данными микропроцессор посылает по КШИ сигнал, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает с посланным по КША адресом, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 74; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!