Цифровое оборудование

Структура процессора

Выбираем разрядность и тип системы команд.

Для проведения мысленного эксперимента по построению процессора можно выбрать разрядность в 32 бита, трехадресную систему команд и объем регистрового файла равный 256 регистрам. В этом случае формат команды получается наиболее простым и красивым – команда состоит из четырех байт, один из которых определяет код операции, а три других – регистры, участвующие в этой операции.

Одновременная выборка двух аргументов

Возвращаясь к блок-схеме процессора, следует обратить внимание еще на некоторые обстоятельства. Первое из них заключается в том, что перед выполнением каждой команды необходимо извлечь оба ее аргумента из регистрового файла, а поскольку за один прием можно извлечь из регистрового файла только одно слово, придется это делать в два приема, что потребует лишнего шага при выполнении каждой команды. Чтобы избежать этого, можно предусмотреть две копии регистрового файла, имеющих одинаковое содержимое. Тогда станет возможно извлекать из регистрового файла одновременно оба аргумента – один из одной его копии, а другой – из другой. Соответственно, в каждую копию регистрового файла должен быть передан адрес регистра из соответствующего байта регистра команд. Запись в регистровый файл должна осуществляться одновременно в обе копии, по одному и тому же адресу. Для коммутации адресов регистрового файла нужно предусмотреть дополнительно два селектора адресов регистров.

Путей данных недостаточно

Также следует вспомнить про второе обстоятельство, которое заключается в том, что для некоторых из необходимых дополнительных узлов, необходимо предусмотреть возможность не только передачи данных из основного тракта данных в эти узлы, но и в обратном направлении. С одной стороны, если выбрать вариант построения схемы с использованием дополнительных селекторов, для этого потребуется два дополнительных селекторных входа, поскольку остались два узла, для которых не предусмотрена возможность передачи данных из этих узлов в основной тракт данных: счетчик команд и регистр входных данных шины. С другой стороны, входные регистры АЛУ можно использовать не только в качестве временного хранилища при передаче данных из регистрового файла в АЛУ, но и из других узлов процессора, а также для временного хранения данных в процессе выполнения команды. Если между регистровым файлом и входными регистрами АЛУ предусмотреть два 32-разрядных селектора, можно решить обе этих задачи.

И вот теперь, с учетом этих обстоятельств можно нарисовать более полную блок-схему тракта данных процессора с подключенными к нему необходимыми дополнительными узлами:

Такой тракт данных, уже должен позволять выполнять большинство необходимых действий. Конечно, этот вариант не является окончательным – в процессе разработки полной системы команд и пошагового разбора выполнения каждой команды может потребоваться внесение каких-либо изменений и дополнений.