Как процессор подключен к памяти?
Обновлено: 04.07.2024
Мы разделим наши микроархитектуры на две взаимодействующие части: путь к данным и элемент управления. Datapath работает со словами данных. Он содержит такие структуры, как память, регистры, АЛУ и мультиплексоры. MIPS — это 32-битная архитектура, поэтому мы будем использовать 32-битный путь данных. Блок управления получает текущую инструкцию от канала данных и сообщает каналу данных, как выполнить эту инструкцию. В частности, блок управления выдает сигналы выбора мультиплексора, включения регистра и записи в память для управления работой тракта данных.
Хороший способ спроектировать сложную систему – начать с аппаратного обеспечения, содержащего элементы состояния. Эти элементы включают в себя память и архитектурное состояние (программный счетчик и регистры). Затем добавьте блоки комбинационной логики между элементами состояния, чтобы вычислить новое состояние на основе текущего состояния. Инструкция читается из части памяти; загружать и сохранять инструкции, а затем читать или записывать данные из другой части памяти. Следовательно, часто бывает удобно разделить общую память на две меньшие по размеру области памяти, одна из которых содержит инструкции, а другая — данные. На рис. 7.1 показана блок-схема с четырьмя элементами состояния: программным счетчиком, регистровым файлом и памятью инструкций и данных.
< бр />
Рисунок 7.1. Элементы состояния процессора MIPS
На рис. 7.1 жирные линии используются для обозначения 32-битных шин данных. Средние строки используются для обозначения более узких шин, таких как 5-битные адресные шины в файле регистров. Узкие синие линии используются для обозначения управляющих сигналов, таких как разрешение записи в регистровый файл. Мы будем использовать это соглашение на протяжении всей главы, чтобы не загромождать диаграммы шириной шины. Кроме того, элементы состояния обычно имеют вход сброса, чтобы перевести их в известное состояние при запуске. Опять же, чтобы не загромождать, этот сброс не отображается.
счетчик программ – это обычный 32-битный регистр. Его вывод, PC, указывает на текущую инструкцию. Его вход, PC′, указывает адрес следующей инструкции.
Память инструкций имеет один порт чтения. 1 Он принимает входной 32-битный адрес инструкции, A, и считывает 32-битные данные (т. е. инструкцию) с этого адреса в выходные данные чтения, RD.
32-элементный × 32-битный регистровый файл имеет два порта чтения и один порт записи. Порты чтения принимают входные 5-битные адреса, A1 и A2, каждый из которых указывает один из 2 5 = 32 регистров в качестве исходных операндов. Они считывают 32-битные значения регистров в выходные данные чтения RD1 и RD2 соответственно. Порт записи принимает входной 5-битный адрес, A3; 32-битный ввод данных для записи, WD; вход разрешения записи, WE3; и часы. Если разрешение записи равно 1, файл регистров записывает данные в указанный регистр по переднему фронту тактового импульса.
У памяти данных есть один порт чтения/записи. Если разрешение записи, WE, равно 1, он записывает данные WD в адрес A по переднему фронту тактового импульса. Если разрешение записи равно 0, адрес A считывается в RD.
Сброс ПК
По крайней мере, программный счетчик должен иметь сигнал сброса, чтобы инициализировать его значение при включении процессора. Процессоры MIPS инициализируют ПК до 0xBFC00000 при сбросе и начинают выполнение кода для запуска операционной системы (ОС). Затем ОС загружает прикладную программу по адресу 0x00400000 и начинает ее выполнение. Для простоты в этой главе мы сбросим ПК на 0x00000000 и поместим туда наши программы.
Память инструкций, регистровый файл и память данных читаются комбинационно. Другими словами, если адрес изменяется, новые данные появляются в RD после некоторой задержки распространения; часы не задействованы. Они пишутся только по переднему фронту часов. Таким образом, состояние системы изменяется только на границе тактовой частоты. Адрес, данные и разрешение на запись должны быть установлены за некоторое время до перепада тактовых импульсов и должны оставаться стабильными до времени удержания после перепада тактовых импульсов.
Поскольку элементы состояния меняют свое состояние только по переднему фронту тактового сигнала, они представляют собой синхронные последовательные схемы. Микропроцессор построен из элементов синхронизированного состояния и комбинационной логики, поэтому он также представляет собой синхронную последовательную схему. Действительно, процессор можно рассматривать как гигантский конечный автомат или как набор более простых взаимодействующих конечных автоматов.
Практический пример: проектирование системы с использованием сердцевины Gumnut
22.1 Обзор Gumnut
22.1.1 Архитектура набора инструкций
В таблице 22.1 приведен полный набор инструкций Gumnut в формате языка ассемблера.В таблице rd и rs — регистры, op2 — регистр ( rs2 ) или непосредственное значение ( immed ), count – это количество позиций, на которые нужно сдвинуть или повернуть, disp – это смещение от адреса следующей инструкции, а addr — целевой адрес перехода.
Таблица 22.1. Набор инструкций Gumnut
| Арифметические и логические инструкции | ||||
| добавить rd, rs, op2 | Добавить rs и op2 , в результате получится rd | |||
| addc rd, rs, op2 | Добавить rs и op2 с переносом, в результате получится rd | |||
| sub < em>rd, rs, op2 | Вычесть op2 из rs , результатом будет rd | |||
| subc rd, rs, op2 | Вычесть op2 из rs с переносом, получится rd | |||
| и rd, rs, op2 | Логическое И rs и op2 , результат rd | |||
| или rd, rs, op2 | Логическое ИЛИ rs и op2 , результат rd | |||
| xor rd, rs, op2 | Логическое исключающее ИЛИ < эм>рс< /em> и op2 , результатом будет rd | |||
| mask rd, rs, op2 | Логическое И rs и НЕ op2 , приводит к rd< /em> | |||
| Инструкции по смене | ||||
| shl rd , rs, count | Сдвинуть значение rs влево на count места, результат rd | |||
| shr rd, rs, count | Сдвинуть значение rs вправо на количество мест, в результате получится rd | |||
| rol rd, rs, count | Повернуть значение rs влево количество мест, результат rd | |||
| ror rd, rs , count | Повернуть значение rs вправо на count места, в результате получится rd | |||
| Инструкции по работе с памятью и вводом-выводом | ||||
| ldm rd, (rs)±смещение | Загрузить в rd из памяти | |||
| stm rd, (rs)±смещение < /td> | Сохранить в памяти из rd | |||
| inp rd, (rs)±смещение | Ввод в rd из регистра контроллера ввода | |||
| out rd, (rs)±смещение | Вывод в регистр выходного контроллера из rd | |||
| Инструкции по ответвлениям | ||||
| bz ± disp | Ветвление, если Z установлено | |||
| bnz ± disp | Ветвление, если Z не установлено | |||
| bc ± disp | Переход, если C установлен | |||
| bnc ± < em>disp | Ветвь, если C не установлена | |||
| Инструкции перехода | ||||
| jmp addr | Перейти к addr | |||
| Перейти к подпрограмме по адресу addr | ||||
| < em>Разные инструкции | ret | Возврат из подпрограммы | ||
| reti | Возврат из прерывания | enai | Включить прерывания | |
| disi | Отключить прерывания | |||
| wait | Ждать прерывания | |||
| stby | Входить в режим ожидания с низким энергопотреблением | |||
| Начало темы | Похожие темы | Форум | Ответы | Дата |
|---|---|---|---|---|
| Вопрос Как узнать, какая окончательная пробная версия конфиденциального процессора? | ЦП | 1 | Понедельник в 5:18 PM | |
| C | Вопрос Планируется перейти с шестиядерного процессора AMD Ryzen 5 1600 на шестиядерный процессор AMD Ryzen 5 5600X 4-го поколения, нас выборочная проверка | ЦП | 10 | Понедельник в 00:04 |
| A | Вопрос: стоит обновить процессор или всю систему? | ЦП | 2 | 9 марта 2022 г. |
| B | Вопрос «Процессор Intel» в Speecy с процессором 12-го поколения | ЦП | 4 | 8 марта 2022 г.< /td> |
| Z | Вопрос Мой новый процессор 5800x не работает? вчера работало нормально, но сегодня он внезапно умирает, ни POST, ни звуковых сигналов | CPU | 9 | 8 марта 2022 г. | Вопрос ЦП всегда в максимальном состоянии процессора | ЦП | 11 | 7 марта 2022 г. |
| Z | Вопрос Как проверить, поддерживает ли процессор Steam Deck Zen 2 H265? | ЦП | 1 | Mar 5, 2022 |
| P | [РЕШЕНО] Инструмент диагностики процессоров Intel сообщает «Сбой» на этапе простого числа? | ЦП< /td> | 6 | 28 февраля 2022 г. |
| Вопрос Гиперпоточность отключена в утилите идентификации процессоров Intel | ЦП | 4 | 28 февраля 2022 г. | |
| [РЕШЕНО] Терминология ЦП -- объясните, пожалуйста. | ЦП | 2 | 24 сентября 2021 г. |
ПОПУЛЯРНЫЕ ТРЕКИ
- Инициировано raeanthony.
- Сегодня в 15:57
- Ответов: 19
- Инициатор Vulcain1911
- Сегодня в 15:49
- Ответов: 4
- Инициатор: Матьеб.
- Сегодня в 12:40
- Ответов: 18
- Инициатор: Cottoneyesergo.
- Сегодня в 12:56
- Ответов: 8
- Инициировано Perceval21
- Сегодня в 14:57
- Ответов: 7
- Инициировано TheFlash1300
- Сегодня в 17:06
- Ответов: 3
- Инициатор MagMan27
- Сегодня в 16:42
- Ответов: 2
Последние сообщения
- Последнее: JohnBonhamsGhost
- 21 минута назад
Модераторы онлайн
Поделиться этой страницей
Tom's Hardware является частью Future plc, международной медиа-группы и ведущего цифрового издателя. Посетите наш корпоративный сайт.
© Future Publishing Limited Quay House, Амбери, Бат BA1 1UA.
Все права защищены. Регистрационный номер компании в Англии и Уэльсе 2008885.
Tom's Hardware является частью Future plc, международной медиа-группы и ведущего цифрового издателя. Посетите наш корпоративный сайт.
© Future Publishing Limited Quay House, Амбери, Бат BA1 1UA. Все права защищены. Регистрационный номер компании в Англии и Уэльсе 2008885.
ЦП и блок питания защищены от непогоды и животных закрытой дверцей.
Связанные термины:
Скачать в формате PDF
Об этой странице
Рабочие процедуры промышленной системы управления
(1) адресные пространства PCI
ЦП и все устройства PCI должны иметь доступ к общей памяти. Драйверы устройств управляют устройствами PCI и передают информацию между ними, используя эту память. Как правило, эта разделяемая память содержит регистры управления и состояния устройства, которые используются для управления устройством и чтения его состояния. Например, драйвер устройства PCI SCSI может прочитать свой регистр состояния, чтобы узнать, готово ли устройство к записи блока информации, или он может записать в управляющий регистр, чтобы запустить устройство после его включения.
Системная память ЦП может использоваться для этой общей памяти, но в этом случае каждый раз, когда устройство PCI обращается к памяти, ЦП должен будет останавливаться, ожидая завершения. Доступ к памяти обычно ограничивается одним системным компонентом за раз.Это замедлит работу системы. Это не позволяет периферийным устройствам системы бесконтрольно обращаться к основной памяти. Это было бы очень опасно; неисправное устройство может сделать систему очень нестабильной.
Периферийные устройства имеют собственные области памяти. ЦП может получить доступ к этим пространствам, но доступ устройств к системной памяти очень строго контролируется с помощью каналов DMA (прямой доступ к памяти). Устройства ISA имеют доступ к двум адресным пространствам; ISA I/O (ввод/вывод) и память ISA. В большинстве современных микропроцессоров PCI должен состоять из трех элементов: ввода-вывода PCI, памяти PCI и пространства конфигурации PCI.
Некоторые микропроцессоры, например процессор Alpha AXP, не имеют естественного доступа к адресным пространствам, отличным от системного адресного пространства. Этот процессор использует наборы микросхем поддержки для доступа к другим адресным пространствам, таким как пространство конфигурации PCI, с помощью схемы разреженного отображения адресов, которая крадет часть большого виртуального адресного пространства и сопоставляет его с адресными пространствами PCI.
Кластерные вычисления
IV.A Оборудование узла кластера
Узел обработки кластера включает в себя все средства и функции, необходимые для выполнения полных вычислений. Узлы чаще всего структурированы либо как однопроцессорные системы, либо как SMP, хотя некоторые кластеры, особенно группы, включают узлы, которые были системами с распределенной общей памятью (DSM). Узлы различаются архитектурой используемых микропроцессоров, количеством и организацией микропроцессоров, емкостью первичной и вторичной памяти и внутренней логической структурой межсоединений. Узлы стандартных кластеров, продаваемых в первую очередь для основных вычислительных сред, должны также включать стандартные интерфейсы для внешних устройств, которые обеспечивают взаимодействие с множеством компонентов, разработанных сторонними поставщиками. Использование интерфейса с высокой пропускной способностью позволяет настраивать кластеры практически без изменений в подсистеме узла, сводя к минимуму любые дополнительные затраты, связанные с каждым узлом. Ключевые элементы узла кратко обсуждаются ниже. Следует понимать, что эта технология быстро развивается и что конкретные устройства, представленные в качестве примеров, скорее всего, будут улучшены по своим эксплуатационным характеристикам или будут полностью заменены в ближайшем будущем.
Центральный процессор . ЦП представляет собой одиночный микропроцессор с интегральной схемой СБИС, возможно объединенный в MCM (многочиповый модуль) с одной или несколькими микросхемами кэш-памяти. ЦП выполняет последовательности двоичных инструкций, работающих с двоичными данными, обычно 32- или 64-битной длины. Хотя многие инструкции выполняются над внутренними данными, хранящимися в регистрах, получение новых данных из системы памяти является важным аспектом работы микропроцессора, требующим наличия одной или нескольких высокоскоростных кэш-памятей для минимизации среднего времени загрузки/сохранения. В кластерах используются как 32-разрядные, так и 64-разрядные архитектуры, самые популярные из которых основаны на семействе 32-разрядных процессоров Intel X86, а наиболее производительные — на базе 64-разрядных семейств Compaq Alpha или IBM RS6000. Первые товарные кластеры класса Beowulf включали микропроцессоры Intel 80486, работающие на частоте 100 МГц. Сегодня потомки этого чипа, включая Intel Pentium III и AMD K7 Athelon, имеют тактовую частоту более 1 ГГц. ЦП подключается к внутренней шине памяти для высокоскоростной передачи данных между памятью и ЦП, а также к внешней шине ввода-вывода, которая обеспечивает интерфейсы для вторичного хранилища и сетевых модулей управления.
Основная память. Хранит рабочие данные и программные инструкции для обработки ЦП. Это часть более крупной иерархии памяти, которая включает в себя высокоскоростную кэш-память, расположенную ближе к ЦП, и постоянное запоминающее устройство высокой плотности, из которого он получает исходные данные и сохраняет окончательные результаты. В течение последних двух десятилетий в оперативной памяти доминировала технология DRAM, представляющая собой плотно упакованные массивы коммутируемых емкостных ячеек, встроенных в кремниевые пластины. Чипы DRAM, содержащие 256 Мбит данных, доступны с гигабитными чипами, которые станут обычным явлением в ближайшем будущем. Типичные узлы кластера поддерживают емкость основной памяти от 64 Мбайт до 1 Гбайт, хотя большие узлы SMP или DSM предоставляют больше. В последние годы DRAM претерпела значительные изменения, обеспечив более высокую пропускную способность, а также более высокую плотность, уменьшив, если не устранив узкое место между ЦП и его основной памятью.
Вторичное хранилище. Включает в себя набор устройств, обеспечивающих постоянное хранение большого объема данных. Вторичное хранилище служит нескольким целям в зависимости от использования содержащихся в нем данных. Он предоставляет все функции, как пользовательские приложения, так и инструменты операционной системы, которые управляют работой и вычислениями ЦП. Он предоставляет наборы данных, с которыми должны работать пользовательские задачи, и является основным хранилищем окончательных результатов пользовательских вычислений.Он поддерживает данные конфигурации, касающиеся настройки и рабочих параметров вычислительного узла, а также информацию об остальных устройствах кластера и их реляционных ролях. Поскольку большинство систем памяти поддерживают абстракцию виртуальной памяти, предоставляя логическую память, во много раз превышающую фактическую установленную физическую основную память, вторичное хранилище временно содержит те сегменты логического адресного пространства и связанные данные, которые не помещаются в существующую физическую основную память. В отличие от основной памяти, данные, хранящиеся на дополнительных устройствах хранения, сохраняются даже при отключении питания системы. Это энергонезависимое свойство позволяет архивировать данные на неопределенный срок. Основным типом компонента, обеспечивающим вторичное хранилище, является почтенный жесткий диск с его ранним происхождением в конце 1950-х годов, основанный на магнитном хранении (например, кассетной ленте) одного или нескольких дисков, вращающихся на одном шпинделе с высокой скоростью, доступ к которым осуществляется с помощью магнитной детекторной головки. радикально перемещался внутрь и наружу по поверхности диска, напоминая рычаг старого проигрывателя грампластинок. Современные жесткие диски обеспечивают много десятков гигабайт при умеренной стоимости и времени доступа порядка нескольких миллисекунд. Другие технологии используются для обеспечения более специализированных форм вторичного хранения, особенно для переносимости данных и безопасного постоянного архивного хранения. CD-ROM, созданные на основе исходных цифровых музыкальных носителей, обеспечивают примерно 600 Мбайт памяти по цене менее 1 доллара за диск, а возможность чтения-записи в настоящее время становится обычным явлением, хотя для кластерных систем это не так важно. Долговечные и относительно миниатюрные гибкие диски, содержащие всего 1,4 МБ, по-прежнему используются даже в кластерах, главным образом для первоначальной установки, настройки и загрузки.
Внешние интерфейсы. Выполняют три важные роли, связанные с работой кластеров и управлением ими. Они обеспечивают прямой пользовательский интерактивный доступ и контроль, они позволяют вводить данные приложений и передавать результаты на устройства за пределами системы, и они подключаются к сети взаимосвязи кластера и, таким образом, к другим узлам в кластере. Несмотря на то, что существует множество различных типов интерфейсов (просто посмотрите на количество сокетов на задней панели типичного ПК), PCI универсален как для ПК, так и для мейнфреймов, соединяя ЦП с множеством устройств управления интерфейсом. Шина PCI имеет четыре различные конфигурации, использующие 32- или 64-битные соединения с тактовой частотой 33 или 66 МГц и пиковой пропускной способностью 4 Гбит/с. Большинство контроллеров сетевого интерфейса (NIC) совместимы с одной или несколькими из этих форм PCI. Вполне вероятно, что в будущем новый стандарт внешнего интерфейса Infiniband заменит PCI, чтобы обеспечить более высокую пропускную способность и меньшую задержку между ЦП и внешними устройствами.
Читайте также:
- Просмотр температуры процессора Linux
- Как подключить прикуриватель к блоку питания компьютера
- Как узнать серийный номер компакт-диска
- Насколько должен загружаться процессор в играх
- Windows не поддерживает этот формат cd r попробуйте другой диск