Структура микропроцессора

Задача процессора — выполнять про¬граммы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, опре¬деляет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым пере¬даются адреса, данные и сигналы управления (Рис.4.1). Шины могут быть внешними (свя¬зывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рисунок 4.1

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно . Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства процессоров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессора иллюстрирует рис. 4.2. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства (АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис. 4.2 обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления.

Рисунок 4.2

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохранятся в памяти, если это необходимо. Рисунок 4.2 иллюстрирует операцию сложения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех процессоров.

Большинство команд можно разделить на две группы: типа регистр-память и типа регистр-регистр. Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ (слова — это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами). Словом может быть целое число. Другие команды этого типа помещают регистры обратно в память.

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров.

Этот процесс называется циклом тракта данных. В какой-то степени он определяет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.