Számítógép architektúrák - SZSZK 21 - CPU

Számítógép-rendszerek részletes elemzése
----------------------------------------

CPU (Central Processing Unit)
-----------------------------

CPU felépítése:

- Vezérlő egység (CU - Control Unit)
- Aritmetikai és logika egység (ALU - Arithmetic Logical Unit)
- Regiszterkészlet
- Buszillesztő egység (BIU - Bus Interface Unit)
- Címszámító és védelmi egység (AU - Address Unit)
- Belső gyorsítótár (Cache)

ALU
---
A CPU-n belül az utasításkódokban előírt számítási és logikai műveleteket

végzi el. Ezek a műveletek általában bináris műveletek.

Működéséhez a következő 2 regiszter mindig kell:

    - AC (Accumulator Register) - művelet végrehajtáskor az adatok

átmenti tárolására szolgál
    - FLAG regiszter - állapotjelző regiszter -> a végrehajtott

utasítás következtében megváltozott állapotok kerülnek bitenként

kódolásra

CU
--
Feladata a programban lévő utasítások alapján a teljes számítógép

részegységeinek irányítása, összehangolása

Műveleti vezérlés:

    - huzalozott logika - minden utasításhoz külön digitális áramkör

tartozik
    - mikroprogramozott mód - itt a műveletek végrehajtásakor

létrejön egy mikroprogram, aminek segítségével hajtjuk végre az

utasításokat

Regiszterkészlet
----------------

- A regiszterek gyors írható és olvasható munkatárak. A belső

sínrendszeren keresztül tartanak kapcsolatot a processzor más részeivel.

A regiszterkészlet processzor függő.

- A regiszterek a felhasználói programok szempontjából 3 kategóriába

sorolhatók:
    1., Rendszerregiszterek - ezek a felhasználói programok számára

nem elérhetőek
    2., Speciális célú regiszterek - felhasználói programokban csak

meghatározott utasításokban szerepelnek
    3., Általános célú regiszterek - felhasználói programokban

korlátozás nélkül használhatóak

- A regiszterek fajtái:
    - Akkumulátor regiszter (AC) - műveletek eredményeit tárolja
    - Utasítás regiszter (IR) - a vezérlő egységhez tartozik, ebben

tárolódik a memóriából kiolvasott utasítás
    - Utasításszámláló regiszter - (PC) - A soron következő utasítás

címét tárolja.
    - Bázis (cím) regiszter (BR) - Nem minden processzorban

használják. Az operandusok címzéséhez felhasznált regiszter.
    - Indexregiszter - Ez sincs minden processzrorban, és ez is az

operandusok címzéséhez használatos, különösen adatsorok feldolgozásánál.
    - Állapotregiszterek, vezérlőregiszterek - Vezérlő és ellenőrző

jeleket tárolnak.

Buszillesztő egység (BIU)
-------------------------
- A BIU biztosítja a processzor kapcsolódását a külső sínrendszerhez.

Címszámító és védelmi egység
----------------------------
- Feladata a programutasításokban található címek leképzése a főtár

fizikai címeire és a tároló - védelmi - hibák felismerése.

Belső sínrendszer
-----------------
- A CPU-n belüli adatforgalmat lebonyolító áramkörök összessége.

Belső gyorsítótár (Cache)
-------------------------
- A főtárból kiolvasott utasítások és adatok átmeneti tárolására szolgál.



A processzorok üzemmódjai
-------------------------
- Azért van szükség különböző üzemmódokra, mert:

    - védelmi szempont, biztonságos futás
    - meg kell különböztetni az operációs rendszer és a felhasználói

programok futását
    - korábbi programok, régebbi processzorokra írt programok

futtatásának lehetősége (kompatibilitás)
- Megkülönböztetünk a processzorok felhasználása esetében úgyn.

supervisor és user állapotokat, melyek elkülönítik egymástól az operációs

rendszehez tartozó programokat és a felhasználói programokat. A

legmagasabb jog a privilegizált supervisor üzemmód.

Példaként nézzünk Pentium processzor üzemmódokat:

1., Valós üzemmód - ilyenkor "régi" processzorként működik, úgy, mint egy

8086-os (példa: 32 bit-es regisztereknek csak 8 bit-et enged, stb.)

2., Védett üzemmód - ez multitasking 32 bit-es üzemmód ebben a módban a

legnagyobb a teljesítmény

3., Védett valós üzemmód - amiben a processzor a 8086-os processzor módot

csak egy task-ban emulálja. (Pl.: ilyen eset, amikor egy régi DOS

program, window ablakban fut.)

4., Rendszermenedzselő mód - (SMM -System Management Mode), ami független

az op.rendszertől és a programoktól és egyben ez a mód a processzor

energiatakarékos módja.


A processzorok utasításkészlete
-------------------------------

- Az utasítás végrehajtás a gépi kódú utasításokra vonatkozik, amelyk a processzor számára közvetlenül értelmezhetőek. A gépi utasítások csak egyszerű műveletek illetve lépések előrására alkalmasak. Ilyenek például: összeadás, kivonás, memóriahely kiolvasása, írása.

- Az utasítások nem önmagukban álló teendők, hanem műveletek a hozzájuk tartozó adatokkal. Az adatok meghatározásának módját hívjuk címzési módnak.

==> egy adott processzortípus által értelmezhető műveletek kódolt csoportját hívjuk a processzorok utasításkészletének. Ezek típustól függően eltérőek, de gyakorlatban csaknem ugyanazokat a műveleteket végzik el.

Megjegyzés: gépi kódok (1011 1000 0011 ...), gépi kód közeli 1. genrációs programozási nyelvekkel lehet legkönyebben előállítani a gép kódokat. Ilyen nyelv például az Assembly.