Функції пристроїв магістралі
У цій лекції розповідається про функції основних пристроїв мікропроцесорної системи: процесора, пам'яті, пристроїв введення-виведення, про принципи їх пристрій і з'єднуватися з магістралі.
Лекція 3. Функції пристроїв магістралі
Ключові слова: інтерфейс, регістри, буфери, АЛУ, ОЗУ, ПЗУ, стек,
Розглянемо тепер, як взаємодіють на магістралі основні пристрої мікропроцесорної системи: процесор, пам'ять (оперативна і постійна), пристрої введення / виводу.
Крім висновків для сигналів трьох основних шин процесор завжди має висновок (або два висновки) для підключення зовнішнього тактового сигналу або кварцового резонатора (CLK), так як процесор завжди є Тактируемого пристрій. Чим більше тактова частота процесора, тим він швидше працює, тобто тим швидше виконує команди. Втім, швидкодія процесора визначається не тільки тактовою частотою, але і особливостями його структури. Сучасні процесори виконують більшість команд за один такт і мають засоби для паралельного виконання кількох команд. Тактова частота процесора не пов'язана прямо і жорстко зі швидкістю обміну по магістралі, так як швидкість обміну по магістралі обмежена затримками поширення сигналів і спотвореннями сигналів на магістралі. Тобто тактова частота процесора визначає тільки його внутрішнє швидкодію, а не зовнішнє. Іноді тактова частота процесора має нижній і верхній межі. При перевищенні верхньої межі частоти можливо перегрівання процесора, а також збої, причому, що саме неприємне, що виникають не завжди і нерегулярно. Так що зі зміною цієї частоти треба бути дуже обережним.
Мал. 2.16. Схема включення процесора.
Іноді у мікросхеми процесора є ще один - два входи радіальних переривань для обробки особливих ситуацій (наприклад, для переривання від зовнішнього таймера).
Шина харчування сучасного процесора зазвичай має одне напруга живлення (+ 5В або + 3, ЗВ) і загальний провід ( «землю»). Перші процесори нерідко вимагали декількох напруг харчування. У деяких процесорах передбачений режим зниженого енергоспоживання. Взагалі, сучасні мікросхеми процесорів, особливо з високими тактовими частотами, споживають досить велику потужність. В результаті для підтримки нормальної робочої температури корпусу на них нерідко доводиться встановлювати радіатори, вентилятори або навіть спеціальні мікрохолодильників.
Для підключення процесора до магістралі використовуються буферні мікросхеми, що забезпечують, якщо необхідно, демультиплексирование сигналів і електричне буферізування сигналів магістралі. Іноді протоколи обміну по системній магістралі і по шинам процесора не збігаються між собою, тоді буферні мікросхеми ще і узгодять ці протоколи один з одним. Іноді в мікропроцесорної системі використовується кілька магістралей (системних і локальних), тоді для кожної з магістралей застосовується свій буферний вузол. Така структура характерна, наприклад, для персональних комп'ютерів.
Таким чином, основні функції будь-якого процесора наступні:
• вибірка (читання) виконуваних команд;
• введення (читання) даних з пам'яті або пристрою введення / виводу;
• висновок (запис) даних в пам'ять або в пристрої введення / виводу;
• обробка даних (операндів), в тому числі арифметичні операції над ними;
• обробка переривань і режиму прямого доступу. Спрощено структуру мікропроцесора можна представити в наступному вигляді (рис. 2.17).
Мал. 2.17. Внутрішня структура мікропроцесора.
Основні функції показаних вузлів наступні.
Розвитком ідеї конвеєра стало використання внутрішньої кеш-пам'яті процесора, яка заповнюється командами, поки процесор зайнятий виконанням попередніх команд. Чим більше об'єм кеш-пам'яті, тим менше ймовірність того, що її вміст доведеться скинути при команді переходу. Зрозуміло, що обробляти команди, що знаходяться у внутрішній пам'яті, процесор може набагато швидше, ніж ті, які розташовані в зовнішній пам'яті. У кеш-пам'яті можуть зберігатися і дані, які обробляються в даний момент, це також прискорює роботу. Для більшого прискорення вибірки команд в сучасних процесорах застосовують поєднання вибірки і дешифрування, одночасну дешифрацию декількох команд, кілька паралельних конвеєрів команд, прогноз команд переходів і деякі інші методи.
Арифметико-логічний пристрій (або АЛУ, ALU) призначене для обробки інформації відповідно до отриманої процесором командою. Прикладами обробки можуть служити логічні операції (типу логічного «І», «АБО», «виключає АБО» і т.д.) тобто побітно операції над операндами, а також арифметичні операції (типу додавання, віднімання, множення, ділення і т. д.). Над якими кодами проводиться операція, куди поміщається її результат - визначається виконуваної командою. Якщо команда зводиться всього лише до пересилання даних без їх обробки, то АЛУ не бере участі в її виконанні.
Швидкодія АЛУ багато в чому визначає продуктивність процесора. Причому важлива не тільки частота тактового сигналу, яким тактується АЛУ, а й кількість тактів, необхідне для виконання тієї чи іншої команди. Для підвищення продуктивності розробники прагнуть довести час виконання команди до одного такту, а також забезпечити роботу АЛП на можливо більш високій частоті. Один із шляхів вирішення цього завдання полягає в зменшенні кількості виконуваних АЛ У команд, створення процесорів зі зменшеним набором команд (так звані RISC-процесори). Інший шлях підвищення продуктивності процесора - використання декількох паралельно працюючих АЛП.
Що стосується операцій над числами з плаваючою точкою і інших спеціальних складних операцій, то в системах на базі перших процесорів їх реалізували послідовністю більш простих команд, спеціальними (подпрограммами, проте потім були розроблені спеціальні обчислювачі - математичні співпроцесори, які замінювали основний процесор на час виконання таких команд. у сучасних мікропроцесорах математичні співпроцесори входять в структуру як складова частина.
Схема управління прямим доступом до пам'яті служить для тимчасового відключення процесора від зовнішніх шин і припинення роботи процесора на час надання прямого доступу запит його пристрою.
Логіка управління організовує взаємодію всіх вузлів процесора, перенаправляє дані, синхронізує роботу процесора з зовнішніми сигналами, а також реалізує процедури введення і виведення інформації.
Внутрішні регістри будь-якого мікропроцесора обов'язково виконують дві службові функції:
У різних процесорах для кожної з цих функцій може відводитися один або два внутрішніх регістра. Ці два покажчика відрізняються від інших не тільки своїм специфічним, службовим, системним призначенням, а й особливим способом зміни вмісту. Їх вміст програми можуть змінювати тільки в разі крайньої необхідності, так як будь-яка помилка при цьому загрожує порушенням роботи комп'ютера, зависанням і псуванням вмісту пам'яті.
Про стеку буде докладніше розказано в наступному розділі.