3. Архитектура внутренних устройств персонального компьютера
3.1. Архитектура процессора
Под архитектурой микропроцессора понимается его программная модель, т.е. программно-видимые устройства. Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой программной модели. Следует иметь в виду, что различные фирмы могут использовать одну и ту же архитектуру, например, 32-разрядную IA-32, но реализовывать её разными способами.
Как уже говорилось выше, различают следующие типы процессоров:
CISK (с полным набором команд);
RISK (с ограниченным набором быстрых команд и реализацией остальных команд через быстрые);
MISK (быстродействующие процессы с минимальным набором быстрых команд).
Для современных микропроцессоров характерно наличие двух режимов работы: режим реальной адресации и защищённый режим. В режиме реальной адресации процессору доступно около 1Мб памяти. В защищённом режиме доступны 4Гб физической памяти, через которую можно получить доступ к 64Тб виртуальной памяти. Отдельные области памяти объявляются защищёнными от записи. Это сделано для того, чтобы в мультипрограммном режиме программы не влияли друг на друга.
На рис. 3.1 показан один из вариантов структурной схемы микропроцессора фирмы Intel. Все внутренние устройства микропроцессора объединены в единую систему внутренней магистралью, которая присоединяется к системной шине компьютера через специальное устройство – интерфейс системной шины. Толстыми белыми стрелками показаны направления движения информации, тонкими чёрными – линии передачи управляющих сигналов.
Все вычисления ведутся двумя арифметико-логическими устройствами (АЛУ). АЛУ команд обрабатывает команды, АЛУ данных выполняет вычислительные операции над данными. Управляет всеми процессами внутри микропроцессора устройство управления, состоящее из множества блоков. Внутреннюю память процессора образует множество регистров.
Регистром называется несколько ячеек памяти (их число кратно восьми), которые имеют два устойчивых состояния и позволяют выполнять над данными, помещёнными в них такие операции как инкремент и декремент1, а также арифметический и циклический сдвиг2 данных на одну позицию. Поскольку количество регистров в процессоре невелико, то их стоимость не имеет значения, и регистры имеют более высокое быстродействие, чем основная память.
Как известно при запуске программы для неё выделяется определённая область памяти, которая делится на отдельные части (сегменты). Примерами сегментов являются сегменты кода программы (CS) и данных (DS). Для работы с данными используются также сегменты ES, FS и GS. Кроме того, для организации временной передачи управления для организации подпрограмм, процедур и функций выделяются специальный сегмент стека (SS) адресов возврата и регистр IP указателя вершины стека адресов возврата. Таким образом, часть регистров микропроцессора выделяется для хранения адресов начала сегментов. Эти сегменты называются регистрами сегментов. Именно через них АЛУ команд общается с внутренней магистралью.
Рис. 3.1. Вариант структурной схемы микропроцессора фирмы Intel
Микропроцессор имеет также множество регистров общего назначения. С ними работает АЛУ данных. Из регистров общего назначения регистр SP содержит указатель вершины стека, т.е. адрес данного, которое должно быть записано при следующем обращении к стеку.
Регистр флагов – специальный регистр, биты которого не зависят друг от друга и не могут быть использованы для операций обработки данных Они содержат информацию о состоянии процесса и наступивших событиях.
На рис. 4.1 показаны 16-битовые регистры общего назначения. Каждый из регистров АХ, ВХ, СХ и DX разбивается на старший и младший байты. Названия байтов регистра образуются из названия регистра посредством замены буквы Х буквой L для младшего байта и буквой H – для старшего. В частности, в регистре АХ старший и младший байты называются соответственно AH и AL.
Современные микропроцессоры имеют уже 64-битные регистры, поэтому к их именам слева добавляется буква Е. Например регистр АХ получил название ЕАХ
В процессе работы программы очередная команда выбирается из ОЗУ и через регистр команды поступает в устройство управления. Устройство управления опознаёт команду, распознаёт способ адресации данных, организует вычисления адресов АЛУ команд и управляет работой АЛУ данных и всех остальных устройств. Внутри устройства управления имеется множество различных блоков, часть которых управляют выполнением арифметических операций, а часть повышает производительность системы.
В устройстве управления имеется короткая очередь команд. Это позволяет параллельно с обработкой данных выбирать последующие команды и подготавливать данные к исполнению команд. Вторым способом повышения производительности процессора является конвейеризация. Она предполагает организацию из блоков устройства управления последовательной технологической цепочки. Каждая операция по обработке инструкции выполняется своим элементом конвейера и продвигается по технологической цепочке от начала к концу. Это позволяет запустить на обработку несколько инструкций программы. В процессоре может быть несколько конвейеров. Процессор с одним конвейером называется скалярным.
Устройство управления позволяет реализовать технологию продвижения данных, которая предусматривает возможность начала выполнения инструкции до окончания подготовки всех необходимых данных.
Интересные возможности повышения производительности обеспечивают технологии предсказания переходов и исполнение по предположению. Они обрабатывают ветвящиеся алгоритмы. Первая технология в статическом варианте считает, что одни переходы произойдут, другие – нет, и направляют поток выборки и декодирования инструкций по ветви, которая, по мнению процессора, будет выполняться. В динамическом варианте накапливается статистика осуществления переходов, и предсказание оказывается более точным. В данном случае процессор рискует тем, что при неверном предсказании будут сделаны несколько лишних шагов.
Исполнение по предположению является развитием предсказания переходов и предусматривает не только декодирование инструкций, но и их исполнение, не дожидаясь фактического выполнения перехода.
Для обеспечения лучших возможностей обработки данных в классическую архитектуру микропроцессоров вводятся расширения. Наиболее ранним по времени расширением является введение в микропроцессор математического сопроцессора, выполняющего операции с плавающей точкой и вычисляющий различные математические функции. Для этого в микропроцессор добавлен блок FPU (он же NPX), который содержит стек из восьми 80-битных регистров.
Более поздним расширением является поддержка приложений мультимедиа, т.е. операций с 2D- и 3D-графикой. Эта технология называется ММХ и предусматривает использование младших битов регистров FPU для выполнения операций над целыми комплектами операндов, включающих в себя 1, 2, 4 и 8 операндов. В этой технологии используется арифметика с насыщением, которая игнорирует перенос единиц из самого старшего и самого младшего разряда, теряя эти единицы как ненужные.
В процессорах старше Pentium-III для этой цели используются дополнительные восемь 128-битные регистры, которые позволяют выполнять операции над одним комплектом операндов (скалярные инструкции) и четырьмя комплектами данных (векторные инструкции). Такое расширение называется потоковым расширением SSE.
Технология 3Dnow! расширяют возможности блока ММХ и позволяют использовать операции с упакованными в FP-формат числами с плавающей точкой. При этом задействованными оказываются регистры блока ММХ. Это существенно повышает быстродействие при обработке графики и открывает возможность расширить наборы инструкций ММХ и кэширования, а также ввести новый комплект команд, ориентированных на обработку сигналов.