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协处理器有什么用?协处理器构架原理及类型介绍

IC先生 IC先生 2367 2023-03-08 16:11:27

在微处理器芯片中,添加了新电路来完成特殊任务以及对数字进行运算以卸载CPU核心工作,从而使CPU可以非常快速地运行。例如像协处理器这样的辅助处理器主要用于计算机中,以实现图形显示处理和广泛算术计算等特殊任务。

与CPU相比,协处理器旨在非常有效地执行此类任务,因此可以提高整体计算机速度。本文简单介绍协处理器的架构、工作原理及其应用等相关内容。

基本概念

与计算机的主处理器(如CPU)并排工作的处理器称为协处理器,该处理器也称为辅助计算机处理器。通过使用该处理器,可以进行一些困难的数学计算,如屏幕上显示的图形、信号处理、字符串处理、浮点运算、输入输出接口等。

协处理器

协处理器架构

类似8087协处理器的架构如下图所示。通常情况下,该协处理器与微处理器并行工作。该协处理器由Intel开发,与16位8086系列微处理器一起使用。当处理器与微处理器结合使用时,计算部分仅由处理器处理,这使CPU可以利用资源来执行各种其它任务。

下图表示8087协处理器的体系结构。该体系结构包括两个主要单元,如控制单元和一个数字执行单元,也称为NEU。

8087协处理器架构

在控制单元中,有数据缓冲区、控制和状态字寄存器、共享操作数队列、异常指针、寻址和总线跟踪单元等各种单元。数值执行单元或NEU主要包括微码控制单元、寄存器栈、可编程移位器、临时寄存器、算术模块、指数模块和共享操作数队列。

协处理器中的控制单元是控制数值执行单元负责的指令执行(IE)。大多数情况下,数值执行单元的微码控制单元(CU)从协处理器的控制单元获取数值指令。8087协处理器具有完整的8个80位寄存器,每个寄存器都用于后进先出堆栈。协处理器指令将在其上发生的操作数存在于寄存器堆栈中。

现有堆栈通过3位SP(堆栈指针)指向,它保存范围为000 –111的二进制值,以显示8个堆栈寄存器。它在LIFO模式下以循环堆栈方式工作。但是,一旦发生复位操作,指针就可以用二进制值“000”进行初始化。

协处理器作用的数值数据分为压缩十进制数、实数和二进制整数三类。其中,二进制整数有16位字整数、32位短整数和64位长整数三种类型。80位BCD格式表示压缩十进制数,而实数有3种,包括32位短实数、64位长实数和80位临时实数。

为了在协处理器中传输数字数据,使用了16位指数总线或64位尾数总线。协处理器包括一个16位控制字和一个16位状态字。控制字被写入控制寄存器,这是以协处理器最初将控制字写入内存位置的方式进行的。之后,协处理器简单地使用内存位置读取控制字并将其存储在控制寄存器中。

类似地,状态字的读取方式使得处理器将状态寄存器中的数据发送到存储器的某个位置。此外,该协处理器从内存的特定位置读取状态寄存器。所以这意味着,处理器和微处理器通过主存储器相互通信。

工作原理

8087协处理器主要设计用于8086和8088处理器,协处理器用于通过卸载特定的CPU任务来帮助系统更强大地运行。一旦该处理器与微处理器结合使用,那么在编写程序时,微处理器和协处理器的指令就会集成在其中。汇编语言程序中指令的开头有一个“F”,表示协处理器的指令,而没有“F”前缀的指令表示微处理器的指令。

首先,微处理器从内存所在位置取出指令并顺序加载到队列中,同时8087协处理器也读取指令并将其存储到内部队列中。所以这意味着,每条指令都可以通过协处理器和处理器读取,但是在执行时,协处理器和微处理器都可以执行它们的特定指令。

这意味着,该指令被读取和解码。如果微处理器检查到有协处理器的指令,则该指令将被视为无操作。类似地,如果这个协处理器越过微处理器的任何一条指令,那么它将被视为无操作。

协处理器的类型

根据制造商的不同,目前有不同的协处理器可用,具体如下所述。

英特尔8087协处理器

Intel 8087是一种专门设计的协处理器,用于执行包括浮点和整数值在内的数学计算。有时,它也被称为数字数据处理器和数学处理器。这是用于Intel 80188、8086、80186和8088处理器的数字协处理器。8087协处理器包括八个80位通用寄存器,它们作为堆栈执行。所以,所有的浮点运算都是简单地使用来自堆栈和外部存储器的数据来执行的。

英特尔8087协处理器

Intel 8087协处理器仅支持BCD、整数、单精度和双精度浮点数以及扩展精度浮点数。一旦8087处理器从内存中加载数据,它就会在内部进行转换以扩展精度数,并进一步通过该数执行所有计算。

因此,从双精度数切换到单精度数,否则从64位整数切换到32位/16位整数不会显着提高性能。8087协处理器不仅由Intel制造,而且AMD、Cyrix和IBM也制造这些协处理器。

摩托罗拉68881

摩托罗拉6888是一款协处理器,主要用于第二代摩托罗拉 68K微处理器,如摩托罗拉 68030和68020。理论上,该协处理器作为外围设备与早期的68000或68010 CPU一起使用。

摩托罗拉68881

摩托罗拉 68881协处理器的功能类似于内存映射设备,主CPU加载协处理器的指令后,将指令代码写入CIR(协处理器接口寄存器)映射到CPU的地址空间,然后读取协处理器的响应来自CIR寄存器之一的协处理器。

摩托罗拉68881/68882协处理器用于IBM RT PC工作站、Sun Microsystems Sun-3工作站、NeXT Computer、Apple Computer Macintosh II系列、Amiga 3000、Sharp X68000、Convergent Technologies MightyFrame、TT、Atari Mega STE和Falcon。这些处理器也用于某些第三方Atari和Amiga产品,例如 68000的内存映射设备。

Apple运动协处理器

Apple的M系列协处理器被称为运动协处理器,用于Apple移动设备。第一个协处理器设计于2013年,用于从集成的陀螺仪、加速度计和指南针收集传感器数据,并使用主CPU卸载收集到的传感器数据。

Apple运动协处理器

M系列Apple协处理器简单地收集过程并存储传感器数据,即使设备处于休眠状态,应用程序也可以在设备再次启动后恢复数据。因此,这会减少从设备汲取的功率并延长电池寿命。

处理器和协处理器之间的区别

处理器和协处理器之间的区区别主要体现在以下几个方面:

处理器 协处理器
处理器是计算机中的主要处理单元,它根据指令执行不同的算术、逻辑和控制操作。 协处理器是为主处理器提供支持的特殊处理器。
处理器负责所有主要工作。 协处理器只处理一些次要工作,比如图形和算术计算。
处理逻辑运算和数学计算,并向其他组件生成控制信号以同步任务。 根据类型执行信号处理、数学运算、网络和密码学。
处理器维持整个计算机的正常运行。 有助于提高系统性能并减轻CPU繁重的工作任务。

优缺点

协处理器的优点包括以下几点内容

  • 与核心CPU相比,协处理器可以更快地处理更专业的任务。
  • 易于使用且最很受欢迎。
  • 通过从CPU接管特殊处理任务来降低微处理器的压力,使其以更高的速度运行。
  • 该处理器有助于通过扩展指令集或提供配置寄存器来扩展CPU的处理功能。

协处理器的缺点包括以下几点内容:

  • 无法从内存中恢复指令、直接执行指令、管理内存、执行I/O操作。
  • 取决于主处理器来重新获得协处理器指令并处理与协处理器无关的所有其它操作。
  • 不是系统的主要处理器。
  • 没有主微处理器,协处理器就无法单独工作。

主要应用

协处理器的应用包括以下内容。

  • 用于执行一些更专业的任务,例如图形显示处理或复杂的数学计算。
  • 只是用来减轻计算机CPU的负担。
  • 该处理器与计算机的CPU并排工作。
  • 与根、对数、三角函数等主处理器相比,该处理器执行高级数学运算的速度要快得多。
  • 协处理器增加了主处理器的附属功能。
  • 协处理器执行不同的操作,如信号处理、浮点运算、字符串处理、图形、通过外围设备的 I/O 接口、加密等。
  • 这些处理器是连接到主板的早期台式计算机中的独立芯片。
  • 协处理器帮助处理CPU任务以提高整体性能。

总结

协处理器也称为数学处理器,与核心CPU相比,协处理器可以更快地执行不同的任务。因此,计算机系统的整体速度增加。该处理器可以连接到ARM处理器,添加后,需要增加核心CPU的指令集或包括可配置的寄存器数量以提高处理能力。

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