Разработка программной эмуляции процессора с заданными параметрами

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования – центральный процессор.
Цель работы – создание программной реализации определённого процессора с применением языка описания аппаратуры.
Цель курсовой работы по предмету «ЭВМ и периферийные устройства» заключается в изучении основных принципов функционирования центральных процессоров (ЦП) и понимании принципов обработки команд процессорами.
Микропроцессоры, являющиеся сложными микроэлектронными устройствами, основаны на самых передовых достижениях инженерии. Разработка новых моделей микропроцессоров часто связана с научными, конструкторскими и технологическими инновациями, что обусловлено высокой конкуренцией и значительными инвестициями в этой отрасли.
Основные задачи курсовой работы включают изучение основных элементов архитектуры процессора на примере MIPS, понимание языка ассемблера и преобразование его в машинный код процессора, а также углубление знаний в области дисциплины «ЭВМ и периферийные устройства».
Вариант задания:


 
1. Устройство центрального процессора
Центральный процессор — ключевой элемент компьютера, отвечающий за выполнение программ, хранящихся в оперативной памяти. Он извлекает команды из памяти, определяет их тип и поочерёдно их обрабатывает.
Составляющие процессора соединены шиной, которая представляет собой набор параллельных проводников на печатной плате процессора. По этим линиям передаются адреса, данные и управляющие сигналы. Шины могут быть внешними (обеспечивают связь процессора с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.
Архитектура процессора состоит из трёх ключевых компонентов: арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти (набора регистров) и блока управления командами ассемблера.
Для функционирования процессора требуются память инструкций (memory instruction) и память данных (memory data), а также адрес текущей исполняемой инструкции, контролируемый счётчиком программы (program counter — pc). Общая схема работы процессора представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Общая схема работы процессора

На каждом такте процессора инструкция с адресом pc извлекается из памяти инструкций. Затем, в зависимости от типа инструкции и её параметров, данные считываются из файла регистров и/или из памяти данных. С этими данными выполняются необходимые операции, после чего они возвращаются обратно в файл регистров и/или в память данных, изменяя значение счётчика команд pc. В результате, текущее состояние процессора определяется значениями, хранящимися в файле регистров, памяти данных и счётчике команд, а логика переходов между различными состояниями процессора определяется командами, выбираемыми из памяти инструкций.
1.1 Счетчик команд и память инструкций
Память инструкций — это адресное пространство памяти, включающее последовательность команд, обрабатываемых процессором одна за другой. Адресуемость памяти указывает на то, что каждое 32-разрядное слово (состоящее из четырёх байт) имеет свой порядковый номер, то есть адрес. В 32-битной архитектуре длина адреса также составляет 32 бита (4 байта). Следовательно, память инструкций может содержать максимум 2^32 адресов памяти.
Счётчик программы (program counter — pc) содержит 32-разрядный адрес команды, обрабатываемой процессором в текущий момент. Поскольку каждая команда занимает 4 байта, допустимыми значениями счётчика программы являются только адреса, которые делятся на 4. Такая адресация слов обеспечивает доступ к каждому из их байтов.
1.2 Память данных
Память данных (memory data) — это адресуемый участок памяти, который хранит случайные данные, доступные для обработки процессором во время выполнения программы. Длина адреса для 32-битной архитектуры также равна 32 битам, что позволяет программе обращаться максимум к 232 адресам памяти данных. Байт логически разделён на слова по 4 байта на слово (для 32-битной архитектуры). Таким образом, физический объём памяти для 32-битных слов будет представлен массивом размером 232 x 32 бит.
1.3 Файл регистров
Регистровый файл — это часть памяти процессора MIPS32, состоящая из массива 32×32 бита (разрядность может быть другой). Каждый регистр в регистровом файле содержит 32 бита информации и имеет индивидуальный адрес от 0 до 31. Таким образом, количество адресов регистрового файла равно 25 = 32, а длина адреса каждого регистра составляет 5 бит информации. Для удобства регистры разделены на группы, им присвоены символьные имена и конкретные функции, что отражено в таблице 1.
В отличие от памяти данных, регистровая память доступна процессорному блоку напрямую и расположена на одном кристалле с ним, поэтому операции с регистрами выполняются быстро, но их количество ограничено. Из-за этих ограничений работа с регистрами обычно происходит по такой схеме: данные загружаются в один или несколько регистров из памяти инструкций или внешней памяти, процессор обрабатывает их и отправляет результаты обратно во внешнюю память или в регистровый файл, но никогда в память инструкций.
Таблица 1 - Регистры процессора MIPS32

В курсовой работе используются следующие регистры процессора MIPS32: $0, t0−t7, s0−s7. Их адреса представлены в таблице 2. Если необходимо, двоичные значения других регистров можно легко вычислить самостоятельно, используя недостающие комбинации пятиразрядного кода.
Таблица 2 - Двоичные индексы используемых регистров процессора MIPS32 в работе