Structura microprocesoarelor

  • Microprocesorul

    Unitatea centrala a unui microcalculator este realizata fizic in jurul unui microprocesor. Microprocesor nu reprezinta un calculator ci numai o parte a sa , īnglobīnd īn general dispozitivul aritmetic si dispozitivul de comanda . Pentru a realiza un calculator cu ajutorul unui microprocesor , denumit īn mod obisnuit microcalculator sau microsistem de calcul este necesar a se reuni microprocesorul cu elemente de memorie si circuite de interfata . Sistemele pe baza de microprocesor necesita existenta unei memorii iar procesarea informatiei se face la nivel de cuvīnt . Cuvintele adresate pot exprima o instructiune pentru procesor sau o data pentru procesare . In fiecare locatie a memoriei este stocat un cuvīnt cu o lungime de n biti . Pentru un microprocesor , lungimea n a cuvīntului , este o caracteristica principala acesta exprimīnd capacitatea uzuala de procesare . Exista microprocesoare care lucreaza cu lungimi de 8, 16 32 sau 64 de biti . Fiecare locatie a memoriei este adresata cu un cuvīnt de adresare de m biti , deci pot fi selectate īn total 2m locatii ale memoriei. Microprocesoarele sunt realizate pe un chip de siliciu de cativa milimetri patrati.


    Fotografia la microscop a procesorului Motorola PowerPC604e

  • Unitatea Arithmetico-logica

    ALU efectueaza operatiile aritmetice si logice Operatiile tipice executate de ALU sunt:


    ALU lucreaza de obicei cu doi operanzi.Adesdeori unul dintre operanzi se gaseste in locatiile interne in timp ce celalalt operand este adus din memoria sistem.In cazul cind ambii operanzi se afla inauntrul procesorului instructiunea aritmetica sau logica se executa mult mai repede. In cazul in care ciclul de fetch nu este prea performant este mai potrivita incarcarea in prealabil a operanzilor in niste locatii de memorare numite latch-uri dupa care lansata instructiunea aritmetica sau logica.

    Destinatia ALU este efectuarea de operatii aritmetice sau logice.



    Unitatea ALU este "inima" oricarui procesor este unitatea care efectueaza calculele. O unitate ALU are doua intrari (A si B) , un port rezultat (Y) , o unitate de control care selecteaza operatia pe care trebuie s-o execute (add, subtract, and, or, etc) si iesiri aditionale pentru semnalizarea codurilor de conditie (carry, overflow, negative, zero ). ALU trebuie sa execute cel putin urmatoarele operatii :aritmetice pe intregi (adunare, scadere), logice (and, or, complement) si deplasari (stinga, dreapta, rotire). Astfel de unitati ALU simple pot fi gasite in microprocesoare de 4 sau 8 biti utilizate de obicei in sisteme specializate (embedded systems). Multe
    procesoare foarte cunoscute nu se gasesc in PC-uri dar se folosesc la controlul diferitor sisteme incepind cu masinile de spalat,telefoane ,diferite aparate casnice si terminind cu controlul functionarii autovehiculelor. Unitatile ALU mai complexe suporta o gama mai larga de operatii cu intregi(inmultire impartire),operatii cu numere in virgula flotanta ,chiar si functii matematice cum ar fi (radical,sin,cos,log, etc. Pina acum citva ani o mare parte din procesoare nu aveau suport pentru inmultire impartire sau operatii cu numere in virgula flotanta.Piata importanta a programelor este detinuta de programele comerciale unde adunarea si scaderea sunt operatiile aritmetice mai importante.Operatiile aritmetice de inmultire si impartire (care iau mult timp de executie necesitind pentru o inmultire de numere pe 32 biti 32 de adunari si siftari) fiind rar folosite duc la cresterea nesemnificativa a performantelor generale.Din aceasta cauza designerii de procesoare aloca altor resurse care au un impact mai mare asupra performantelor generale ale procesoarelor si dupa cum se poate vedea si in figura o mare parte din suprafata cipului este alocata cache-ului si unitatii aritmetice in virgula flotanta.Recent,folosindu-se tehnologii moderne s-a reusit integrarea unui numar de tranzistoare in jur de107 intr-un singur chip. A fost posibila astfel includerea ALU in virgula flotanta
    La procesoarele simple ,ALU este realizata din arii de circuite combinationale care implementeaza registrii pentru aoperanzii A si B si au ca intrare codurile operatiilor ,iesirea circuitelor operationale este iesirea Y si iesirile de conditii.Operanzii si codul de operatie se aplica la intrare pe primul front al clock-ului iar uc produce rezultatul pina la urmatorul front al clock-ului deci clock-ul nu poate depasi o anumita frecventa.
    La procesoarele avansate ALU este ajutat de pipeline instructiunile trecind prin pipeline astfel se pot utiliza clock-uri mai rapide intrucit operatiile mai complexe (ex operatii in virgula flotanta cu stagii multiple se pot realiza in mai multe stagii fiecare stagiu fiind mai mic si mai rapid).



  • Pointerul de instructiuni /Numaratorul program

    Procesorul utilizeaza un numarator intern pentru a pastra adresa instructiuni ce a fost adusa din memorie si urmeaza a fi executata.

    In timpul ciclului de fetch , procesorul plaseaza continutul pointerului de instructiuni pe magistrala de adrese.Semnalul de Read este lansat pe magistrala de comenzi pentru citirea din memorie intr-un registru intern din procesor numit registrul de instructiuni .

    In timpul ciclului de decodificare, pointerul de instructiuni este ajustat pentru a marca urmatoarea instructiune ce urmeaza a fi executata(ea este calculata din actuala adresa la care se adauga 1 sau valoarea saltului in cazul instructiunilor se salt).

    Scopul pointerului de instructiuni este de a tine adresa din memorie a instructiunii pe care procesorul este in curs s-o execute.


  • Registrul de instructiuni /Decodificatorul

    Odata ce instructiunea a fost copyata din memoria sistem in registrul de instructiuni din interiorul procesorului,este startat ciclul de decodificare.Instructiunea este decodificata deci procesorul stie exact tote secventele de operatii care trebuie executate atit inauntrul procesorului cit si in exterior.

    Instructiunea decodificata trebuie sa fie in genul:

    Scopul registruli de instructiuni este de a tine o copie a instructiunii pe care procesorul este in curs sa o execute .


  • Registrii generali

    Pentru a memora temporar variabile,operanzi,rezultate,toate procesoarele au inglobate un anumit numar de locatii de memorie interne numite registre.Numarul registrelor generale poate fi de la unu la citeva sute.

    Motivul pentru care se utilizeaza registrele interne este viteza.Datele dinauntrul procesorului sunt prelucrate mult mai rapid decit cele din memoria sistem din cauza ca nu mai este nevoie de ciclii de fetch pentru extragerea datelor in vederea prelucrarii

    De exemplu pentru a inmulti valorile a doua locatii de memorie este nevoie de trei ciclii de fetch .

    Scopul registrelor interne de destinatie generala este de a furniza temporar locatii de memorie pentru variabile si operanzi.

    • Procesoarele din familia Intel pe 32 biti au urmatoarea structura de registrii generali:




  • Unitatea de executie

    Unitatea de executie contine registrii de date si ALU.Ea selecteaza registrii pentru a lucra cu ei ,alimenteaza ALU ,selecteaza rezultatul si il trimite inapoi in registrii.In incarcare sau memorare datele pot ocoli ALU si datele pot trece din memorie in registrii sau din registrii in registrii nemodificate.Alu poate servi si la calcularea adreselor de salt.



    In cazul setului de instructiuni RISC ,selectia registrelor sursa si destinatie este un pic mai ciudata din cauza ca operanzii sura sau destinatie au pozitii fixe in cadrul registrului de instructiuni IR si este o simpla treaba de conectare a registrului IR cu registrii gemnerali. In cadrul setului de instructiuni CISC,sursa si destinatia pot fi precizate in diferite parti ale instructiunii deci ale IR ului sau chiar in diferite cuvinte.Deaceea cimpurile registrului IR trbuie trecute printr-un selector care este controlat de UC -unitatea de control.

    In cadrul setului RISC exista doar citeva tipuri de instructiuni de tipul regisru registru,sau incarcare memorare.In cadrul arhitecturii CISC sursa ALU poate veni din memorie sau din registrii gemnerali la fel si rezultatul poate fi pus in registrii sau in memorie deci e nevoie de multiplexoare suplimentare pentru a putea realiza astfel de instructiuni. Arhitecturile CISC au un numar mare de moduri de adresare si deci rezulta un circuit complex pentru calcularea adreselor.Procesoarele RISC pot specifica registrul impreuna cu cu adresa intr-o singura instructiune.


  • Unitatea de control UC

    Unitatea de control este un automat cu numar finit de stari care are ca intrare IR ul , registrul de stari care este de fapt iesirea de stari ale ALU si starea ciclului in curs. Programul pe care il ruleaza UC este fie cablat utilizind porti logice fie inscris intr-un PLA. Iesirile UC-ului sunt trimise prin procesor fiecarui punct care necesita coordonare sau directionare din partea UC -ului.



    Astfel:
    Architecturile CISC utilizeaza UC complexe din cauxa setului complicat de instructiuni.
    In architecturile RISC , registrii sunt uniform accesati deci un simplu decodor poate accesa registrul dorit.