Цифровое оборудование

Основные узлы процессора

Основной узел процессора - АЛУ

Теперь мы знаем, как можно управлять какими-либо устройствами, в зависимости от условий и формировать последовательности управляющих сигналов. Теперь необходимо изучить технологию выполнения простейших арифметических и логических операций. В нашем распоряжении имеется узел, который может выполнять такие операции – АЛУ. АЛУ представляет собой комбинационную схему, состояние выхода которой соответствует какой-либо логической или арифметической функции от входных данных. Когда данные на входе есть – на выходе есть результат, когда нет – нет и результата. Соответственно, пока АЛУ выполняет операцию над данными, они должны где-то храниться. Например, в регистре. Для выполнения большинства операции, АЛУ необходимо два аргумента и для них в нем  имеется два входа. Соответственно, и регистров для входных данных АЛУ должно быть два.

Устройство для сдвига данных

Для организации вычислений и обработки данных очень часто бывает необходимо сдвигать слово данных на заданное число разрядов в ту или иную сторону. При помощи АЛУ можно сдвинуть слово данных в сторону старшего разряда, если сложить число с самим собой (В двоичной системе исчисления сдвиг на один разряд влево дает тот же результат, что и умножение на 2 или сложение числа с самим собой). Однако необходим сдвиг и в обратную сторону, а при помощи АЛУ его выполнить нельзя. Также может быть необходим сдвиг данных и на большее число разрядов за один раз. Поэтому имеет прямой смысл объединить АЛУ с параллельным сдвигателем в один блок, и получать результат операции не с выхода АЛУ, а с выхода сдвигателя, расположенного следом за ним.

Регистровый файл

Когда мы получим результат операции над двумя аргументами, хранящимися во входных регистрах, прежде чем переходить к следующей операции необходимо этот результат где-то сохранить.

Вообще говоря, данные можно сохранять и в оперативной памяти, внешней по отношению к процессору. Однако обращение к внешней памяти представляет собой не самое простое действие, и занимает некоторое, сравнительно большое время. Поэтому внутри процессора почти всегда делают регистровый файл, состоящий из нескольких регистров. Причем чем больше регистров будет внутри процессора, тем лучше.

Основной тракт данных

В регистровом файле должен сохраняться результат выполненной операции. Но при этом, для выполнения операции необходимо извлекать данные, хранящиеся в регистровом файле для использования в качестве аргументов для операции. Получается, что выход сдвигателя должен быть соединен с входом регистрового файла, а выход регистрового файла с входом входных регистров АЛУ. Таким образом, мы пришли туда, откуда начали, т.е. у нас образовалось кольцо из узлов обработки и хранения данных. Это кольцо мы будем называть основным трактом данных.

Какие еще нужны узлы?

Однако мы упомянули далеко не все узлы, которые нужны для обработки данных в процессоре. Необходимы и другие, вспомогательные узлы и необходима возможность передавать данные в эти узлы из тракта данных, и наоборот, из этих узлов в тракт данных:

1. Необходим счетчик команд для хранения адреса текущей команды, с возможностью автоматического увеличения, а также считывания и записи данных.
2. Необходим специальный регистр состояния для хранения признаков результата выполнения операции, таких как равенство операндов, перенос при сложении, перенос при сдвиге.

Кроме того, необходимо иметь возможность приема и передачи данных в оперативную память и внешние устройства. Обычно для этого используют внешнюю шину. Для организации взаимодействия процессора с внешней шиной, необходимо иметь следующие возможности:

3. Принимать данные с внешней шины, и сохранять их, для дальнейшей передачи другим узлам – необходим регистр входных данных шины.
4. Принимать данные от других узлов процессора, для передачи на шину данных – необходим регистр выходных данных шины.
5. Принимать данные от других узлов процессора, для передачи на шину адреса при обращении к аргументам команд, хранящимся в оперативной памяти – необходим регистр адреса шины.
6. Передавать на шину адреса содержимое регистра адреса шины при обращении к памяти в процессе выполнения команды и содержимое счетчика команд при выборке самой команды – необходим селектор адреса шины.

Ну и наконец, необходим регистр для хранения самой команды в процессе выполнения. Этот регистр должен принимать данные с шины и передавать их управляющим схемам.

Часть содержимого регистра команд – адреса регистров, в которых хранятся операнды, должна коммутироваться и передаваться в регистровый файл. Для этого необходимо специальное коммутационное устройство.