A központi egység

A központi egység

A számítógép legegyszerűbb és legáltalánosabb tömbvázlata mindössze a központi egységből, a tárolóból és a beviteli-kiviteli eszközökből áll, amelyek a sínrendszeren keresztül vannak egymással kétoldalú kapcsolatban (1. ábra).

1. ábra. A számítógép általános tömbvázlata

Minthogy egyik egység sem kezelhető elszigetelten, ezért először néhány rendszertechnikai kérdést fogunk érinteni.

E jegyzetben megtalálható alapismeretek jórészt általánosak, de a kifejtés során főként a személyi számítógépek jellemzőire fogunk koncentrálni.

1. A rétegmodell

A hardver általános és átlátható leírására általában a hierarchikus szintekből felépülő rétegmodellt szokták használni. A hardver rétegmodelljében leggyakrabban öt szintet különböztetnek meg: rendszerszint, algoritmikus szint, funkcionális blokkok szintje, logikai szint és az áramkörök szintje. A rétegmodell ún. Y-diagrammmja a 2. ábrán látható. A rendszers 656j94g zinttől az áramköri szintig az építőelemek mérete fokozatosan csökken. Az egyes rétegek az absztrakció szintjében is különbözőek.

2. ábra. A hardver rétegmodellje

Számítógép architektúrának a számítógép funkcionális felépítését, a részegységek kommunikációs kapcsolatait, valamint a rendszer specifikációjának együttesét nevezik. Az architektúra három fő területet fog át: a számítási modellt, az értelmezés szintjét és a leírás irányultságát. Az architektúra fejlesztésének legfőbb oka a teljesítmény növelése. Ezért célszerű áttekinteni azokat a legfontosabb tényezőket, amelyek a számítógépek teljesítményét döntően befolyásolják. Lényegében minden jellemző, amely a teljesítményre kihatással van, az idővel áll kapcsolatban. Ezek az órajel frekvencia, a másodpercenként végrehajtott lebegőpontos műveletek száma és a teljesítményről összetettebb képet adó "Benchmark" tesztek futási ideje.

E mutatók mindig átlagteljesítményt fejeznek ki.

A számítógépek/számítógéprendszerek változatos szempontok szerint osztályozhatók. Ezek közül a lényegesebbek:

Teljesítmény szerint

Az utasítás és adatfolyam száma szerint

Az utasításkészlet szerint (CISC, RISC)

A működési elv szerint (Neumann elvű, nem Neumann elvű)

Az egy időben kiszolgált felhasználók száma és a kiszolgálás időbelisége szerint

A teljesítmény növelésének két alapvető módszere van: a nem strukturális és a strukturális teljesítménynövelés. Az első esetben az órajel frekvenciájának a növelése, vagy a programok optimizált fordítása említhető. A másodikhoz viszont olyan fogalmak tartoznak, mint szuperskalár processzorok, adatcsatornás feldolgozás megvalósítása, vektorszámítógépek, multiprocesszoros architektúrák használata.

A Neumann elvű, azaz hagyományos számítógépek legfontosabb jellemzői:

közös tároló, amely egyaránt tartalmazza a program utasításait és az adatokat is

a tárolt program utasításait sorba véve oldja meg

az aritmetikai és logikai műveleteket egy önálló egység, a műveletvégző egység hajtja végre

az adatok és a program bevitelére-kivitelére önálló egységek szolgálnak

2. A központi egység

A központi egységek elemzését a következő témák érintésével szokták elvégezni: felépítése, részei és ezek kapcsolata; üzemmódjai és állapotai; regiszterkészlete; utasítás-felépítése, utasításkészlete, utasítás-végrehajtás; memóriakezelése; megszakítások és kivételek kezelése.

A következőkben elfogadjuk azt az állítást, miszerint a mikroprocesszor egy olyan nagybonyolultságú áramkör, amely önmaga képes a központi egység feladatainak az ellátására. E szemlélet szerint a központi egység jellemzését és a processzor jellemzését első közelítésben egyenértékűnek fogadhatjuk el.

Egy manapság jellegzetesnek tekinthető központi egység logikai felépítését a 3. ábrán tüntettük fel.

3. ábra. A központi egység logikai felépítése

Az ábrán a következő fő alegységek figyelhetők meg: vezérlőegység, végrehajtó egység, címszámító egység, sínillesztő egység, regiszterkészlet, belső gyorsító tároló és belső sínrendszer.

A nemrég még hagyományosnak mondott értelmezésben a vezérlőegységet, az aritmetikai logikai egységet és a regisztereket tekintették a központi egység részeinek.

A vezérlőegység (Control Unit) fő feladata az összes részegység irányítása és összehangolása. A vezérlőegység két fontos regisztere az utasításszámláló, amely a következő utasítás címét tartalmazza, illetve az utasítás regiszter, amely az épp kiolvasott utasítást tárolja. A műveleti kódot dekódolva határozza meg a vezérlőegység a végrehajtásra kerülő műveletet.

A végrehajtó egység (Execution Unit) az előírt aritmetikai és logikai műveleteket hajtja végre. Kiemelt jelentőségű az ún. akkumulátor regisztere, amely a műveletben résztvevő operandusokat átmenetileg tárolja. Ugyancsak nagyfontosságú az állapotregisztere, amelyben az adott művelet végrehajtása során megváltozott állapotok (pl. átvitel, túlcsordulás) kerülnek egy-egy bit formájában tárolásra.

A címszámító egység (Address Unit) feladata mindenekelőtt a címmezőben megjelenő címek leképezése a tárolóban fizikailag létező címekre. A korszerű rendszerekben a címszámító egységnek egyéb fontos feladatai is vannak a tárolókezeléssel kapcsolatban (pl. védelmi hibák felismerése)

A sínillesztő egység (Bus Interface Unit) biztosítja a központi egység kapcsolódását a külső rendszersínhez. A rendszersín az adatsín (adatvonalak), a címsín (címvonalak) és a vezérlősín összessége. A sínillesztő rendszerint saját sínvezérlőt, valamint az adatok és címek számára átmeneti tárolókat (puffer) tartalmaz.

A központi egység regiszterei három csoportba sorolhatók. A rendszerregiszterek a felhasználói programok számára nem hozzáférhetőek (pl. utasításregiszter). A speciális célú regiszterek csak bizonyos utasításokban szerepelhetnek (pl. állapotregiszter). Az általános célú regisztereket a felhasználói programok korlátozás nélkül használhatják. Ezen kívül a legmodernebb processzorok külön regiszterkészletet használnak, amikor a CISC utasításokat RISC utasításokra bontják.

A gyorsító tároló (Cache) a rendszer központi tárolója egy részének a tükre. Célszerű ugyanis, hogy a soron következő utasítások és a hozzátartozó adatok a sorra kerülés pillanatában már a processzoron belül legyenek. Ezáltal gyorsul a végrehajtás.

A belső sínrendszer (Internal Bus) a központi egység részegységei között biztosítja a kétirányú kapcsolatot.

A processzorok különböző üzemmódjaira védelmi szempontok figyelembevétele, az operációs rendszer és a felhasználói programok elkülönített üzemeltetése és az előző processzorokkal való programkompatibilitás biztosítása miatt van szükség. Például a Pentium processzoroknak négy üzemmódjuk van.

Valós üzemmódban úgy működik, mint egy 8086-os processzor.

A védett üzemmódban megvalósul a többfeladatos (multitaszkos) funkció és kihasználhatók a processzor összes lehetőségei.

Védett valós üzemmódban a processzor a 8086-ost egy taszkban emulálja.

A rendszermenedzselő üzemmód a processzor energiatakarékos működési módja.

Utasításszerkezet alatt a gépi kódú, a processzor számára közvetlenül értelmezhető utasítások felépítését értjük. Ez határozza meg, hogy az utasítás egyes részeit hogyan kell értelmezni. Az utasításszerkezet leglényegesebb részei:

műveleti rész (meghatározza a művelet típusát)

operandus hivatkozások (milyen operandusokkal kell a műveletet végrehajtani és ezek hol találhatók)

kiegészítő rész

Utasításkészlet az elemi szintű, gépi kódú utasítások összessége, amelyek végrehajtására a processzor hardver szinten képes, és amelyre a fordítóprogram a programokat lefordítja. A különböző utasításokat több szempont szerint lehet csoportokba sorolni. Leggyakrabban adatmozgató, műveletvégző és vezérlő utasításokról beszélünk. Esetleg külön említhetők az ún. multimédiás és 3D utasítások (SIMD utasítások), amelyekkel a 3D grafikákhoz és a képfeldolgozáshoz szükséges vektoros adatokat dolgozzák fel.

A központi egység utasítás-feldolgozása az ALU műveletvégrehajtásától, a feldolgozás műveleti vezérlésétől és az utasításfeldolgozás gyorsításától függ. Az ALU működése és képességei a műveletekben résztvevő adatok alapján értékelhető (fixpontos, lebegőpontos, BCD, MMX adatok, karakteres mezők, bitmezők stb.).

A vezérlőegység legfontosabb jellemzője maga a vezérlés megoldása, amely huzalozott, vagy mikroprogramozott lehet.

Az utasításvégrehajtás pl. adatcsatornás, szuperskalár szervezéssel gyorsítható.

A tárolókezelés egyik legfontosabb eleme a különböző címzési módok megvalósítása. A másik fontos elem a védelmi rendszer, amely a biztonságos működést alapvetően befolyásolja.

A Harvard architektúrájú számítógépek felépítése ugyanaz, mint a Neumann elvű gépeké, azzal a különbséggel, hogy külön program- és külön adattárolót használ a központi egység. E két tárolási feladat szétválasztásával csökken a közös tároló és közös sínrendszer használatából eredő szűk keresztmetszet és így növelhető a gép teljesítménye.

A programvégrehajtást időszakosan felfüggesztő okok a megszakítások és a kivételek (processzoron belül fellépő esemény miatti megszakítás) lehetnek. A megszakítási rendszert a megszakítások kiszolgálásának lépései, a maszkolhatóság és nem maszkolhatóság, a megszakításkezelés hardver megvalósítása, illetve a vektoros és nem vektoros kezelés jellemzi.

A központi egységen belül (akár a processzoron belül is), de a számítógép egységei között is a kommunikáció a sínrendszeren keresztül valósul meg. A sínrendszert három sín alkotja, amelyek mindegyikének a legfontosabb jellemzője a sín szélessége.

A hagyományos felépítésű központi egység legnagyobb hátránya, hogy a rendelkezésre álló erőforrásokat rosszul használja ki, adott időben csak egy program végreghajtására kerülhet sor és az erőforrások nem megoszthatók. Hátrány továbbá a processzor és a tároló közötti adatátvitel viszonylag alacsony sebessége. A hagyományos gépeknél a sebesség növelésére csak kevés lehetőség kínálkozik az erőforrások bizonyos párhuzamosítása révén. E célt szolgálja a többfeladatos feldolgozás (multitaszkos), a felhasználói programok és a beviteli-kiviteli műveletek egyidejű elvégzése, a mikroprocesszor egyes egységeinek a többszörözése, valamint az egyes végrehajtási folyamatok átlapolt feldolgozása.

Az erőforrások szétosztása tekintetében többféle módszer alkalmazható: a prioritásos elv a feladatok fontosságát veszi tekintetbe, az időosztásos üzemmódban az erőforrások egyenlő időközönként férnek hozzá a processzorhoz, valós idejű üzemmódban egy feladat kiemelt fontossága azt eredményezi, hogy amennyiben igényli a processzor, vagy más erőforrás használatát akkor ezeket azonnal át kell számára engedni.

A rendelkezésre álló erőforrások jobb kihasználását megfelelő szervezéssel az operációs rendszeren keresztül is lehet javítani.

3. Műveleti vezérlés

Műveleti vezérlés alatt a gépi utasítások elemi lépéseinek végrehajtásához a számítógép hardver részeinek a gépi utasítás alapján történő irányítását értjük.

Az utasítások elemi lépései a következők:

Utasításlehívás - az utasításszámláló regiszter alapján az utasítás a főtárból az utasításregiszterbe kerül

Az utasításszámláló tartalmának növelése

Az utasítás dekódolása - a műveleti kód és az utasításszerkezet értelmezése, az operandusok címének kiszámítása

Operandusok kiolvasása a főtárból

A művelet végrehajtása az előkészített operandusokkal

Az eredmény beírása az előírt tárolóhelyre

Az elemi lépések áramköri szinten további részekre bonthatók.

A vezérlőegység működése során vezérlőjeleket ad ki az egész rendszer számára. A belső vezérlőjelek a központi egységen/mikroprocesszoron belüli részegységek működését irányítják. A külső vezérlőjelek a processzor és a beviteli-kiviteli eszközök közötti adatátvitelt, a megszakításkezelést, a sínvezérlést stb. irányítják. A vezérlőjelek az ún. vezérlési pontokban fejtik ki hatásukat.

A műveleti vezérlést huzalozott, vagy mikroprogramozott módon lehet megvalósítani.

A huzalozott vezérlés a műveletvégrehajtás közvetlen kapcsolatokon keresztüli irányítását jelenti.

A mikroprogramozott műveleti vezérlés esetében az utasítás elemi lépéseit egy mikroprogram tárolóban (ROM típusú tároló) található mikroprogram vezérli. Ebben az esetben a gépi kódú utasítás műveleti része egy mikroprogram lefutását eredményezi. A mikroutasítások végrehajtása sorrendben történik.

Az említett két műveleti vezérléstípus közül a huzalozott gyorsabb, ennek ellenére elterjedtebb a mikroprogramozott műveleti vezérlés, mindenekelőtt a rugalmassága miatt.

A mikroprogramozott vezérlés horizontális, vagy vertikális lehet. Itt a horizontális mikroprogramozás elvét fogjuk kissé részletesebben megvizsgálni. A mikroprogramtár minden sora egy mikroutasítás. A mikroutasítás a vezérlővonalakat állítja be és kijelöli a következő mikroutasítás címét. Az új cím a címregiszteren és a dekódolón keresztül címezi a következő mikroutasítás sorát. A külső feltételek figyelembe vételét a döntési logika teszi lehetővé. Egy tetszőleges feltétel teljesülése, vagy nem teljesülése esetén, más-más sor fogja a következő mikroutasítás helyét kijelölni. A horizontális mikroprogramvezérlés vázlatát a 4. ábrán tüntettük fel.

4. ábra. A horizontális mikroprogramvezérlés vázlata

A vezérlési mező minden egyes bitje az áramkörök egy-egy vezérlési pontját állítja be.

A vertikális mikroutasítás felépítése a gépi kódú utasításhoz hasonlít.

4. Az utasításvégrehajtás gyorsítása

Mint már említettük a gyorsítás nemstrukturális, vagy strukturális módszerekkel valósítható meg. Mivel az órajelfrekvencia növelésének a mindenkori technológia korlátokat szab, előtérbe kerültek azok a módszerek, amelyek a gyorsabb műveletvégrehajtást rendszertechnikai eszközökkel oldják meg. Ezek közül az egyik legjelentősebb módszer az utasításvégrehajtás szintjén átlapolt feldolgozás (pipelining). Ennek elvét szemlélteti az 5. ábra. Az összehasonlíthatóság végett ugyanez az ábra tartalmazza a soros végrehajtás elvét is.

5. ábra. A soros és az átlapolt feldolgozás elve

Feltételezzük, hogy a gépi utasítás elemi lépései a következők: utasításkiolvasás (F), dekódolás (D), operandus kiolvasás (R), végrehajtás (E), eredményvisszaírás (W). Az átlapolásos feldolgozás elve azon a felismerésen alapul, hogy az első utasítás egyes lépése befejezésekor, mihelyt áttérnek a második lépésre, azonnal megkezdődhet a második utasítás első lépésének a végrehajtása.

Három utasítás esetében fogjuk a folyamatot vizsgálni az ábra szerint. Megfigyelhető, hogy a t - t+1 időintervallumban mindhárom utasításból egy-egy lépés épp feldolgozás alatt van. Az is észrevehető, hogy a módszer jelentős időmegtakarítást eredményez.

5. Tárolókezelés

A tárolószervezésnek az egyik legfontosabb elve, hogy az adatokat, amelyekre a műveletvégrehajtás során gyakran szükség van gyors elérésű tárolón kell elhelyezni. Mivel a nagyon gyors tárolók igen drágák, ezeket csak kisebb kapacitású egységekben szerelik be. Emiatt a számítógép tároló felépítése hierarchikus, éspedig a processzor közelében a gyors elérésű kis kapacitású tároló (cache) helyezkedik el. Távolodva a processzortól a tárolók hozzáférési ideje és a kapacitása nő. A tárolóhierarchia egységei (szintjei) a hozzáférési idő növekvő sorrendjében a következők: regiszter tárolók, gyorsítótár, főtár, háttértár (merevlemez), adatmentő tárak (pl. mágnesszalag).

A tárolókezelés alapvető feladatai:

biztosítja a processzor műveletvégrehajtásához a szükséges adatokat

összehangolja és irányítja a tárolóhierarchia egyes szintjein levő tárolók működését

E feladatok végrehajtását a központi egység tárolókezelője végzi. A tárolókezelő rendszerint a processzorba beépített egység (pl. a címszámító egység), vagy önálló hardver elem.

A tárolókezelés módja minden korszerű mikroprocesszor/központi egység esetében az ún. virtuális tárkezelés. Itt az alapfeladat az, hogy hogyan lehet olyan nagy tárolóigényű programfolyamatot futtatni, amely nem fér be a főtárba. Ennek az ismertetése azonban meghaladja e jegyzet kereteit.

Irodalomjegyzék

Németh, Horváth: Számítógép architektúrák, Akadémiai, Budapest, 1993.

Budai A.: Mikroszámítógép rendszerek, LSI, Budapest, 1999.

Czerny L.: Mikroszámítógépek, LSI, Budapest, 1996.

Agárdi, Hadi: A Pentium, LSI, Budapest, 1998.

Czerny L.: RISC processzorok, LSI, Budapest 1996.