Понятие процессора в современном смысле появилось в вычислительной технике не сразу. В компьютерах первого поколения устройством обработки данных являлось АЛУ, которое было связано с памятью и устройствами ввода-вывода (рис. 2. 1). Команды выполняемой программы дешифровались блоком управления, который формировал управляющие сигналы для всех устройств ЭВМ. Блок управления представлял собой цифровой автомат с жесткой логикой.
Рис. 2.1
Такая архитектура объяснялась сравнительно простым набором машинных команд, малой номенклатурой внешних устройств, а также отсутствием жестких требований стандартизации форматов данных и команд, протоколов обмена.
В 1965 г. компанией DEC была выпущена машина PDP-8 – первый компьютер с общей шиной (рис. 2.2). В архитектуре PDP-8 и последующих моделей мини-ЭВМ к существующим функциям АЛУ добавились новые, связанные с организацией обмена по общей шине. Другими словами в этом проекте АЛУ вместе со своим устройством управления было локализовано в виде нового устройства – процессора. Кроме того, управление периферийными устройствами было организовано автономно с помощью собственных устройств управления – контроллеров. На рис. 2.2 в качестве примера внешних устройств того времени приведены устройство на магнитных дисках (НМЛ) и устройство на магнитных лентах (НМЛ).
Другим глобальным фактором, повлиявшим на архитектуру процессоров, была эволюция набора машинных команд. По мере совершенствования ЭВМ состав машинных команд расширялся в первую очередь за счет реализации сложных команд таких, как команды с плавающей точкой. Это позволяло повышать производительность ЭВМ за счет сокращения обращений к памяти, но одновременно приводило к экстенсивному росту сложности и стоимости блока управления. Такая тенденция до определенного времени была приемлема для больших и супер-ЭВМ высокой производительности. В то же время она была серьезным препятствием в стремлении выпускать недорогие компьютеры, которые могли бы найти широкое применение в различных отраслях.
Рис. 2.2
Решением обостряющейся проблемы стала интерпретация машинных команд с помощью микропрограмм, хранящихся в ПЗУ вместо использования автоматов с жесткой логикой. Компьютеры с интерпретацией команд имеют много преимуществ, основными их которых являются следующие:
возможность исправления ошибок в микропрограммах, а также добавления новых микропрограмм без перестройки аппаратуры;
возможность фиксации случаев неправильного выполнения команд;
структурированная организация реализации команд позволила значительно проще и дешевле разрабатывать, тестировать и документировать микропрограммы;
снизилась зависимость архитектурных решений от состава машинных команд.
Единственный недостаток этой технологии – это снижение быстродействия по сравнению с аппаратной реализацией устройств управления, т.к. дополнительно к задержкам распространения данных в АЛУ добавились циклы выборки микрокоманд из ПЗУ.
Первоначально интерпретация применялась в процессорах дешевых миникомпьютеров, таких как PDP. С выпуском машин IBM серии 360 интерпретация стала применяться практически во всех SISC-процессорах.
Снижение
влияния состава команд повлияло на архитектурные решения. Появилась
возможность в зависимости от цели проекта либо до
биваться
снижения стоимости, либо – большего быстродействия процессора
за счет использования большего объема оборудования.
Локализация процессоров в составе компьютеров повлияла и на их архитектуру. Так типичной организацией тракта данных (блока обработки) стало использование АЛУ, связанного одной или несколькими шинами с регистрами общего назначения (РОН) (рис. 2.3). Достоинством этой универсальной структуры является возможность обработки данных при выполнении любых команд, что позволяет снизить зависимость архитектуры процессора от состава команд.
В то же время при выполнении машинных команд многие регистры имеют предопределенное назначение, что упрощает разработку микропрограмм.
В недорогих процессорах РОН и АЛУ используются как для обработки данных, так и для обработки адресов. В современных высокопроизводительных процессорах тракты обработки данных и адресов разделены, что позволяет распараллелить эти процессы.