14-Mavzu: sakkiz razryadli kompyuter protsessorining tuzilishi

^14-Mavzu: SAKKIZ RAZRYADLI KOMPYUTER PROTSESSORINING TUZILISHI.

Reja:

1. 
   Kompyuter markaziy protsessorining vazifasi
   
2. 
   Asosiy, ya’ni tezkor xotirada yozilgan dasturlarni bajarish.
   
3. 
   Markaziy protsessorning jarayonini qisqacha ifodalash
   

Kompyuter protsessorining, va umuman kompyuterning tuzilishi va qanday ishlashini o‘rganish jarayonida – protsessor, xotira va ma’lumotlarni kiritish- chiqarish qurilmalari degan tushunchalar muhim tushunchalar hisoblanadi. Birinchi bobning 1.1-rasmida keltirilgan chizmada markaziy protsessor, tezkor xotira, diskli xotira va printer, hamda ularni shinalar orqali qanday bog‘langanligi ko‘rsatilgan. Keltirilgan chizmada markaziy protsessor qanday qismlardan iborat ekanligi ham, alohida ko‘rsatib o‘tilgan, bular – boshqarish qurilmasi, arifmetik-mantiqiy qurilma va registrlar to‘plamlaridir.
Kompyuter markaziy protsessorining vazifasi - asosiy, ya’ni tezkor xotirada yozilgan dasturlarni bajarish hisoblanadi. Markaziy protsessorning bu vazifani amalga oshirish jarayonini qisqacha qilib quyidagicha ifodalash mumkin: markaziy protsessor xotirada yozilgan buyruqlarni chaqirib oladi, buyruqlarni qanday buyruqlar ekanligini aniqlaydi va ularni ma’lum bir ketma-ketlikda bajarilishini ta’minlaydi.
Kompyuterni va uning protsessorini tashkil etuvchi qurilmalar - shinalar orqali bog‘langan bo‘ladi. Shina deganda parallel o‘tkazgichlar to‘plamlaridan iborat bo‘lgan, adreslar, ma’lumotlar va boshqarish signallarini uzatib berilishini ta’minlaydigan «qurilmalar» tushuniladi. Ko‘pincha shina deganda parallel o‘tkazgichlar to‘plami tushuniladi, aslida esa shina turli xil ma’lumotlarni uzatish uchun mo‘ljallangan qurilma sifatida ishlab chiqilgandir. Uning tarkibida
ma’lumotlarni uzatish jarayonida kerak bo‘ladigan – registrlar, turli xildagi kombinator elementlar va mantiqiy sxemalar mavjud bo‘ladi.
3.1-rasmda kompyuterlarda ishlatiladigan shinalarning qanday xillari bo‘lishi mumkinligini ko‘rsatuvchi chizma keltirilgan. Unda protsessorning ichida joylashgan shinalar - ichki shinalar, protsessordan tashqarida joylashgan, uni kompyuterning boshqa qurilmalari bilan bog‘lovchi - tashqi shinasi, xotira shinasi va kompyuterga ma’lumotlarni kiritish-chiqarishni amalga oshiruvchi shinalar keltirilgan.

3.1-rasm. Kompyuterlarda ishlatiladigan shinalarning xillari.

Ichki shinalar protsessor tarkibiga kirgan - boshqarish qurilmasi, arifmetik- mantiqiy qurilma va registrlar o‘rtasida ma’lumotlarni uzatib berish uchun xizmat qiladi. Tashqi shina yordamida esa - protsessor, tezkor xotira va ma’lumotlarni kiritish-chiqarish qurilmalari bilan bog‘lanishni amalga oshiriladi.

Avvalgi kompyuterlarda va hozir ham shina orqali ma’lumotlarni uzatish deganda, ko‘pincha ma’lumotlarni parallel tarzda uzatish tushuniladi. Ammo keyingi ishlab chiqarilayotgan kompyuterlarda ma’lumotlarni ketma-ket tarzda uzatuvchi shinalardan ham foydalanilmoqda. Bunday shinalarga misol qilib
tarkibida ma’lumotlarni ham parallel, ham ketma-ket uzatib beruvchi PCI Express (5.10-rasmga qaralsin) va hozirda keng qo‘llanilayotgan ma’lumotlarni ketma-ket uzatuvchi USB shinalarini keltirish mumkin.
3.2-rasmda protsessorning tashkil etuvchi qismlari va uni tezkor xotira bilan kanday bog‘langanligi qo‘rsatilgan. Ushbu rasm asosida protsessor tarkibiga kirgan qurilmalarning bajaradigan vazifalari haqida qisqacha to‘xtalib o‘tamiz.

3.2-rasm. Protsessorning tashkil etuvchi qismlari va uni tezkor xotira bilan qanday bog‘langanligi.

Boshqarish qurilmasi - buyruqlarni xotiradan chaqirish va ularni qanday buyruqlar ekanligini aniqlash vazifalarini bajaradi.

Arifmetik-mantiqiy qurilma esa arifmetik - qo‘shish, ayrish, ko‘paytirish va mantiqiy - mantiqiy qo‘shish, mantiqiy ko‘paytirish, inkor kabi amallarni bajaradi.
Har qanday protsessor - Intel 8080 (K580), Intel 8088, Pentium 4, UltraSPARS III, 8051, …, Intel Core i7 lar ham o‘zining ichki holatini aks ettiruvchi muhim axborotlar to‘plamlariga ega bo‘ladi. Har bir protsessor tarkibida ushbu axborotlar to‘plamlarini saqlash va ishlash, hamda ma’lum bir vazifalarni bajarish uchun mo‘ljallangan registralar to‘plamlariga ega bo‘ladi.
Protsessor ichida joylashgan registrlar to‘plamlari - uning ichki xotirasi deb ataladi. Ichki xotira - dasturlarni bajarilishi davomida hosil bo‘ladigan oraliq
natijalarni va boshqarish buyruqlarini vaqtincha saqlash vazifalarini bajaradi. Bu xotira har biri ma’lum bir vazifalarni bajarish uchun mo‘ljallangan, bir-nechta registrlar to‘plamlaridan iboratdir. Odatda ushbu registrlarning uzunliklari bir xil - 8, 16 yoki 32 razryadga ega bo‘ladi. Registrlar protsessorning ichida joylashganligi sababli, ularga ma’lumotlarni yozish (o‘qish) juda tez amalga oshiriladi.
Protsessor tarkibidagi muhim registrlardan biri PC (Program Counter) - buyruqlar sanagichi registridir, ushbu registr IP (Instruction Pointer) - buyruqlarni ko‘rsatuvchi registri ham deb ataladi. Bu registr tartib bo‘yicha bajarilishi kerak bo‘lgan buyruqlarning xotiradagi adresini ko‘rsatib turadi.
Muhim registrlardan yana biri, bu buyruqlar registri (Instruction Register - IR) hisoblanadi. Unda tartib bo‘yicha bajarilishi kerak bo‘lgan buyruq yozilgan bo‘ladi. Ko‘pgina kompyuterlarning protsessorlari, tarkibida turli xil vazifalarni bajarish uchun mo‘ljallangan turli xil registrlar to‘plamlariga ega bo‘ladi.
Yuqorida keltirilgan tushunchalarni va umuman kompyuterlar arxitekturasiga oid bo‘lgan boshqa muhim tushunchalarni, Intel protsessorlari oilasiga mansub, dastlabki protsessorlardan biri bo‘lgan Intel 8080 protsessorining analogi hisoblangan - K580VM80 protsessori misolida batafsil kurib chiqamiz [10]. Ushbu protsessor asosida qurilgan kompyuter ham, hozirgi kompyuterlar singari uchta shinaga ega bo‘lgan:
1.Ma’lumotlar shinasi (MSh); 2.Adres shinasi (ASh); 3.Boshqarish shinasi (BSh).
K580BM80 protsessorining so‘z uzunligi 8 razryadga, murojaat qila olishi mumkin bo‘lgan tezkor xotira qurilmasining h÷ajmi 64 Kbaytga va taktli chastotasining qiymati esa 2 MGs-ga tengdir. Ushbu protsessorning chizmalarda ifodalanishi 3.3-rasmda keltirilgan ko‘rinishga ega bo‘lib, uning chiqish oyoqchalarining soni 40-taga tengdir. Protsessorning 3÷10 raqamli chiqish oyoqchalari - ma’lumotlar shinasiga, 1; 25÷40 raqamli oyoqchalari - adres shinasiga va 12÷19; 21÷24 raqamli oyoqchalari esa - boshqarish shinasiga tegishlidir.

3.3-rasm. K580VM80 protsessorining chizmalardagi ko‘rinishi.

K580VM80 protsessorining ichki tuzilishi 3.4-rasmda keltirilgan. Protsessorni tashkil etuvchi qismlarini tartib bilan batafsil ko‘rib chiqamiz. Tushuntirishlarni Intel protsessorlari oilasiga mansub, so‘z uzunliklari mos holda 16 va 32 razryadga teng bo‘lgan Intel 8088 va Pentium 4 protsessorlarining tuzilishlarini hisobga olgan holda, hamda ularning barchasini o‘zaro taqqoslashlar asosida amalga oshiramiz.
K580VM80 protsessori ma’lumotlarni uzatish uchun mo‘ljallangan 8- razryadli ichki ma’lumotlar shinasiga ega. Protsessorda, tashqi shina bilan ma’lumot almashinish, oraliq registrlar (Buffer Register - BR) yordamida amalga oshiriladi. Ma’lumotlarni va adreslarni vaqtincha saqlash uchun mo‘ljallangan, hamda ularni ikki tomonga uzatib bera oladigan oraliq registrlarining chiqishlari uchta holatdan birida bo‘lishi mumkin. Bular kuchlanishning yuqori (1) va pastki (0) sathlari, hamda kirish qarshiligi yuqori bo‘lgan holat. Uchinchi holatda protsessorni tashqi shinadan uzib quyish mumkin bo‘ladi.
Bunda tashqi qurilmalarni tezkor xotira bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri ulanish (Direct Memory Access - DMA) amalga oshiriladi. Protsessorning 16-razryadli adres shinasi yordamida 64 Kbayt hajmga ega bo‘lgan tezkor xotirani bevosita adreslash amalga oshiriladi. Quyida keltirilgan UMPK-80 stendining vositalarini ko‘rsatuvchi 3.5-rasmda ham, yuqorida aytib o‘tilgan shinalarni ko‘rish mumkin.

3.4-rasm. K580VM80 protsessorining ichki tuzilish chizmasi.

Protsessorning ichki xotirasi sakkizta 8-razryadli - W2, W3, B, C, D, E, H, L va uchta 16-razryadli – buyruqlar sanagichi (PC), stekni ko‘rsatuvchi (SP) va boshqariluvchi adres registrlaridan tashkil topgan. B, C, D, E, H, L registrlari umumiy tayinlanadigan registrlar to‘plami deyiladi. Ulardan, bajarilayotgan buyruqning xiliga qarab mustaqil 8-razryadli registrlar yoki 16-razryadli juft registrlar BC, DE, HL sifatida foydalaniladi. W2, W3 registrlari esa oraliq registrlar hisoblanadi. Ularga dastur orqali murojaat qilish mumkin emas. W2, W3
registrlardan protsessor ichida bajarilayotgan buyruklar bilan ishlash davomida foydalaniladi.

3.5-rasm. UMPK-80 elektron stendi vositalari.

Buyruqlar sanagichi - PC registrida bajarilish navbati kelgan buyruqning xotiradagi adresi yozilgan bo‘ladi. Bu registrning qiymati buyruqlarning har bir sikli bajarilganda avtomatik ravishda o‘zgartiriladi. K580VM80 protsessorining buyruqlari - bir, ikki yoki uch bayt uzunlikka ega bo‘lishi mumkin. Kompyuterda dasturning ishlashi davomida qanday buyruq bajarilishiga qarab, uning uzunligiga mos holda PC-ning qiymati, 1-ga, 2-ga yoki 3-ga orttiriladi. 3.6-rasmda UMPK-80 elektron stendiga o‘rnatilgan K580BM80 protsessorining ichki registrlari keltirilgan.
Ctekni ko‘rsatuvchi (Stack Pointer - SP) registr asosiy xotiraning stek sifatida ishlatilishi mumkin bo‘lgan qismining boshlang‘ich adresini ko‘rsatib turadi (3.6-rasm). Kompyuterda ishlayotgan dasturda uzilish sodir bo‘lsa, protsessor ichki registrlarining holatlarini vaqtincha saqlab turish uchun stekdan foydalaniladi. Uzilish deganda - kompyuterda bajarilayotgan bir dasturni, boshqa bir dasturni bajarilishini ta’minlash maqsadida, vaqtincha
to‘xtatib turish tushuniladi. Bunda avval bajarilayotgan dasturga tegishli bo‘lgan, protsessorning ichki registrlarida yozilgan ma’lumotlarni vaqtincha stekka yozib turish amalga oshiriladi.
3.6-rasm. UMPK-80 elektron stendiga o‘rnatilgan K580VM80 protsessorining ichki registrlari.

Protsessor tarkibiga kiruvchi - boshqariluvchi adres registriga ham, W2, W3 registrlariga o‘xshab dastur yordamida murojaat qilish mumkin emas. Ushbu registrdan ham protsessor ichida, buyruqlarni bajarish paytida foydalaniladi.

K580BM80 protsessorida arifmetik va mantiqiy amallarni bajarilishi uchun kerak bo‘ladigan sonlar - operandalar, akkumulyatorda va W1 registrida saqlab turiladi. Ko‘shish, ayrish, mantiqiy qo‘shish, mantiqiy ko‘paytirish va shularga o‘xshash boshqa bir amal bajarilganda, natija qaytib akkumulyatorga yoki protsessorning boshqa bir ichki registriga yozib qo‘yiladi. So‘ngra esa, kerak bo‘lsa natijani asosiy xotiraga ko‘chirib yozish mumkin bo‘ladi. Akkumulyatordagi
sonni ikkilik ko‘rinishdan, ikkilik-o‘nlik ko‘rinishga o‘tkazish kerak bo‘lsa, o‘nlik korreksiyalash sxemasidan foydalaniladi.
Har bir amalning bajarilishi natijasida, dastur buyruqlarini bajarilish ketma- ketligiga ta’sir qilishi mumkin bo‘lgan turli xil belgilar shakllanadi. Bunday belgilar qatoriga - natijaning ishorasi, natijani nolga teng bo‘lib qolishi, xosil bo‘lgan natijadagi 1-lar sonini juft yoki toqligi va shularga o‘xshash boshqa belgilarni kiritish mumkin. K580BM80 protsessorida bu belgilar - belgilar registriga yozib qo‘yiladi. Belgilar registri (rus tilida – registr priznakov) 3.6-rasmning yukori qismida tasvirlangan. Keyinchalik ishlab chiqilgan Intel protsessorlarida, jumladan Intel 8088 va Pentium 4 protsessorlarida ushbu registr - bayroqlar registri deb atalgan.
Buyruqlar registri (Instruction Register - IR) va buyruq deshifratori, buyruqni qabul qilish va deshifratsiyalash uchun ishlatiladi. Buyruq xotiradan o‘qilganida, uning buyruq kodidan iborat bo‘lgan birinchi bayti buyruqlar registriga kelib tushadi. Keyin esa bu kod deshifratorga uzatiladi. Deshifrator - boshqarish sxemasi va φ₁, φ₂ sinxrosignallari bilan birgalikda, protsessorning ichki qismlariga tegishli boshqarish signallarini, hamda protsessordan tashqariga chiquvchi boshqarish signallarini shakllantiradi. Har qanday kompyuterda dastur buyruqlarini bajarilishini fizik jihatdan ta’minlash, uning shinalari orqali uzatiladigan boshqarish signallari yordamida amalga oshiriladi.
Boshqarish sxemasida protsessorga kiruvchi 6-ta va undan chiquvchi 6-ta boshqarish signallari mavjud.
Protsessorga kiruvchi boshqarish signallari:

• 
  ^φ1 ^{va φ}2 ^{– taktlovchi impulslar, protsessorga taktlovchi generatordan doimiy} ravishda berib turiladigan va uni taktlashni ta’minlaydigan impulslar.
  
•