Цикл команд в ЦП: как работают выборка, декодирование и выполнение

Чтобы упростить и сделать концепции, описанные в этой статье, более понятными, мы решили описать чрезвычайно простой процессор для текущего времени, поэтому в этой статье вы увидите объяснение того, что такое циклы команд в обобщенном виде, который можно применить. от первых 8-битных процессоров до самых сложных, доступных сегодня

Визуализация цикла обучения

Процессоры не отличаются с определенной точки зрения от двигателя внутреннего сгорания, который всегда осуществляет непрерывный процесс взрыва топлива на разных стадиях, будь то 2-тактный или 4-тактный. Причина этого в том, что в простейшей версии процессоры работают в три разных этапа, а именно:

• Получить или захватить: В котором инструкция захватывается из ОЗУ и копируется в процессор.
• Декодирование или декодирование: В котором ранее захваченная инструкция декодируется и отправляется исполнительным блокам.
• Выполнили: Если инструкция разрешена, а результат записан во внутренние регистры процессора или в адрес памяти RAM

Эти три этапа выполняются в каждом процессоре. Существует четвертый этап, который является обратной записью, когда исполнительные блоки записывают результат, но это обычно учитывается на этапе выполнения цикла команд.

Первый этап цикла обучения: выборка

Первый этап цикла инструкций отвечает за захват инструкций в Оперативная память память, назначенная процессору через ряд модулей и регистров, которые являются следующими:

1. Программный счетчик или Программный счетчик: Что указывает на следующую строку памяти, где находится следующая инструкция процессора. Его значение увеличивается на 1 каждый раз, когда завершается полный цикл команд или когда команда перехода изменяет значение программного счетчика.
2. Регистр адреса памяти: MAR копирует содержимое ПК и отправляет его в ОЗУ через адресационные контакты ЦП, которые соединены с адресными контактами самого ОЗУ.
3. Регистр данных памяти или регистр данных памяти : В случае, если ЦП должен выполнить чтение памяти, MDR копирует содержимое этого адреса памяти во внутренний регистр ЦП, который является временным регистром передачи, прежде чем его содержимое будет скопировано в регистр команд. MDR, в отличие от MAR, подключается к выводам данных RAM, а не к контактам адресации, и в случае инструкции записи содержимое того, что вы хотите записать в RAM, также записывается в MDR.
4. Реестр инструкций: Заключительной частью этапа выборки является запись инструкции в регистр инструкций, из которого блок управления процессором копирует ее содержимое для второго этапа цикла инструкций.

Эти 4 подэтапа происходят во всех процессорах, независимо от их полезности, архитектуры и двоичной совместимости или того, что мы называем ISA.

Блок

Блок управления является наиболее сложной частью процессора, и его задачи заключаются в следующем:

• Они отвечают за координацию движения и порядок, в котором данные перемещаются внутри и вне процессора, а также за различные подблоки, которые за это отвечают.
• В общем, считается, что блоки этапа захвата или Fetch являются частью оборудования, которое мы называем блоком управления, и это оборудование также называется Front-End процессора.
• Он интерпретирует инструкции и отправляет их различным исполнительным устройствам, к которым он подключен.
• Он передается различным ALU и исполнительным блокам процессора, которые действуют
• Он отвечает за захват и декодирование инструкций, а также за запись результатов в регистры, кеши или в соответствующий адрес ОЗУ.

Блок управления декодирует инструкции, и он делает это, потому что каждая инструкция на самом деле является своего рода предложением, в котором сначала идет глагол, а затем прямой объект или объект, на котором выполняется действие. Субъект в конечном итоге исключается на этом внутреннем языке компьютеров, поскольку понимается, что это сам компьютер выполняет его, поэтому каждое число битов представляет собой предложение, в котором первые 1 и 0 соответствуют действию, а единицы Далее идут данные или расположение данных, которыми нужно управлять.

Второй этап: декодирование

Существуют разные типы инструкций, и не все они делают одно и то же, поэтому в зависимости от типа инструкции нам нужно знать, в какие исполнительные единицы будут отправляться, и самый классический способ сделать это - использовать то, что мы называем декодером. , который принимает каждую инструкцию, делит ее внутри в соответствии с кодом операции или инструкцией и данными или адресом памяти, где она расположена.

Например, на диаграмме выше у нас есть диаграмма процессора всего с 8 инструкциями, которые могут быть закодированы только 3 битами. Каждая из инструкций после декодирования отправляется различным исполнительным блокам, которые их разрешат.

Этот цикл команд является самым сложным из всех и определяет тип архитектуры. В зависимости от того, есть ли у нас сокращенный или сложный набор инструкций, это повлияет на характер блока управления, в зависимости от формата инструкции или от того, сколько одновременно обрабатывается на этапе декодирования, и, следовательно, блок управления будет иметь разная природа. Другой.

Самый простой способ визуализировать происходящее - представить инструкции как поезда, движущиеся по сложной железнодорожной сети, и блок управления, направляющий их к конечной станции, которая является исполнительным блоком, который будет отвечать за выполнение инструкции.

Третий этап: Выполнить

Последний этап - выполнение инструкций, на этом этапе инструкции разрешаются, но не все типы инструкций разрешаются одинаково, поскольку способ использования оборудования будет зависеть от функции каждой из них. их, в целом у нас есть четыре типа инструкций:

• Инструкции по перемещению долота: В котором осуществляется управление порядком битов, содержащих данные.
• Арифметические инструкции: Там, где выполняются математические и логические операции, они решаются в так называемых ALU или арифметико-логических устройствах.
• Инструкции по прыжкам: В котором изменяется следующее значение программного счетчика, что позволяет использовать код рекурсивно.
• Инструкция к памяти: Они используются процессором для чтения и записи информации из системной памяти.

Другой момент - это форматы инструкций, поскольку инструкция может применяться к данным, скаляру или нескольким данным одновременно, что мы знаем как SIMD. В заключение и в зависимости от формата данных существуют разные типы ALU для выполнения арифметических инструкций, например, сегодня у нас есть целые числа и блоки с плавающей запятой как дифференцированные блоки.

После того, как инструкция завершена, результат записывается в определенный адрес памяти, и выполняется следующий. Некоторые инструкции управляют не значениями памяти, а определенными регистрами. Таким образом, регистр программного счетчика модифицируется инструкциями перехода, если мы хотим читать или записывать данные, то управляются регистры MAR и MDR.