Разработка процессора ЭВМ Единой системы заданной производительности

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.

1. Выбрать логическую структуру процессора (состав устройств, их функции и принципы взаимодействия), исходя из принципов работы ЭВМ Единой системы (ЭВМ общего назначения).

2. Обосновать выбор технических параметров процессора с целью обеспечения достижения заданного значения производительности

— производительность П = млн. оп/с):

— машинный такт Т = 10−100 нс;

— цикл локальной памяти Тл = 10−100 нс;

— время выборки из основной памяти Тп = 100−1000 нс.

3. Разработать временные диаграммы и определить длительность выполнения основных команд процессора.

4. Оптимизировать технико-экономические параметры процессора для достижения максимальной его эффективности: максимальной производительности при минимальной стоимости устройства, исходя из объема оборудования устройства (количество используемых элементов) или объема памяти, статистики использования памяти и следующего соотношения: стоимость элементов устройства обратно пропорциональна техническим параметрам.

В В Е Д Е Н И Е

Центральный процессор выполняет основную работу по преобразованию данных в вычислительной системе и, кроме того, осуществляет в ней функции автоматизированного управления в соответствии с алгоритмами управляющей программы операционной системы. В частности, центральный процессор взаимодействует с каналами ввода-вывода, запуская операции ввода-вывода и получая информацию о результатах их выполнения, а также о состоянии системы ввода-вывода.

Центральный процессор — это устройство, обеспечивающее обработку данных по заданнной программе. Центральный процессор производит следующие основные виды операций: выполнение команд, прерывание, сброс, регистрацию состояния (запись информации о состоянии вычислительной системы в целом или ее отдельных компонентов в определенные области основной памяти). Программу и обрабатываемые по ней данные процессор выбирает из основной (оперативной) памяти.

Процессор включает в себя, в большенстве случаев, одно или несколько операционных (или арифметическо-логических устройств), устройство управления, локальную память, средства контроля и диагностики.

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции преобразования данных. Оно включает в себя один или несколько сумматоров и регистры для хранения промежуточных данных и результатов преобразований.

Арифметическо-логическое устройство может быть расширино специализированными операционными устройствами: сдвигателем, быстрым умножителем, десятичным сумматором, конвертером и др.

Устройство управления (УУ) — автомат управляющий процессами передачи и обработки информации в процессоре. Это устройство принимает команды и формирует последовательность управляющих сигналов, проверяет и т. п. Оно входит в работы функциональных узлов путем выдачи синхронизирующих и управляющего сигналов.

В составе процессора может находится локальная память различного функционального назначения: рабочие регистры, РОН, регистры указатели, управляющие регистры, регистры служебных слов и т. п. Служебная память может использоваться для буферизации данных и команд, хранения таблиц преобразования адреса, ключей защиты и др.

Процессор может включать в себя набор специальных системных средств: службу времени (суточные часы, таймер и т. п.), средства межпроцессорной связи, пульт управления системой и др.

Средства контоля и диагностики позволяют обнаруживать и устранять неисправности без потери производитетьности процессора.

ЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРОЦЕССОРА.

Процессор выполняет программу, выбираемую из основной (оперативной) памяти, в нескольно этапов: выборка команды, распаковка команды и выборка операндов, выполнение операции и запись результатов в основную память, а, при необходимости, и обработку прерывания, изменение состояния процессора или системы в целом. Логическую структуру ЦП (рис.1) включает ряд функциональных средств: средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления каналами и основной памятью, системные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с фиксированной и плавающей запятой, операций с десятичными данными и полями переменной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

Средства управления каналами обеспечивают хранение данных (буфер данных канала), подготовленных к передаче или принятых из канала, а также управление приоритетными доступам обрабатывающей подсистемы через канал ввода/вывода к перефирийному оборудованию.

Центральный процессор ЕС ЭВМ включает в себя следующие базовые средства принципов работы ЕС ЭВМ:

— локальная память: регистры общего назначения (16×32 р), регистры плавающей запятой (4×64 р), управляющие регистры (16×32 р);

— полный набор команд: команды арифметики с фиксированной и плавающей запятой, команды десятичная арифметика;

— системные средства: прямое управление, интервальный таймер, часы, компаратор, защита памяти, средство условного обмена и т. д.

Для хранения текущей информации обрабатываемой программы в центральном процессоре имеется локальная память: 16 регистров общего назначения, 4 регистра (для операндов) с плавающей точкой (по 64 двоичных разряда). Процессор также использует область основной памяти, которая является постоянно распределенной областью процессора для хранения управляющей информации, информации прерывания и контроля.