Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик процессора).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Сейчас принято говорить, что центральный процессор - это мозг компьютера. На самом деле, процессор - это крошечный чип, подключенный непосредственно к материнской плате, с большим вентилятором (кулером), подключенным непосредственно к нему. Без вентилятора процессор сгорел бы очень быстро.

Сегодня на рынке существует два основных бренда процессоров: Intel и AMD. Есть также два разных процессора: «сокет» и разъем. Сокет подключен непосредственно к материнской плате, также он имеет свой собственный вентилятор, в то время как разъем имеет оболочку, которая удерживается на процессоре, и вентилятор, подключенный к этой оболочке. Невозможно выделить лучший из этих двух типов, но «сокет» становится все популярнее, и таким образом становится легче охлаждать процессор, что является главным фактором производительности компьютера.

Скорость процессора измеряется в мегагерцах (МГц), более 1000 МГц называется гигагерц (ГГц). Одно из основных заблуждений о процессоре заключается в том, что чем больше число (мегагерц/гигагерц), тем быстрее процессор.

Вопросы, касающиеся архитектуры процессоров рассматривались такими учеными как Х. Крейгон, Д. Паттерсон, и другими. В нашей стране данная проблематика получила свое развитие в трудах таких ученых как Задков В. Н., Кирсанов Э. Ю. и других.

Целью данной курсовой работы является изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик процессора.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучите архитектуру процессора

2. Исследуйте функционирование процессора

3. Провести сравнительный анализ основных характеристик процессоров.

Структурно работа состоит из введения, заключения, трех глав и списка использованных источников.

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОЦЕССОРА

Центральный процессор (ЦПУ), или CPU, или процессор ПК - это специальный чип, который выполняет все основные вычислительные операции и выполняет обработку информации. Процессор ПК выполняет программный код-последовательность команд (инструкций), каждая из которых кодируется и помещается в память [6].

В общем случае каждая команда содержит операционную и операндную части. Первый содержит информацию о действиях, которые должен выполнить процессор, а второй указывает процессору операнды - на что процессор должен «работать». Часть операнда описывает до двух операндов инструкции. Это могут быть значения операндов, явные или неявные ссылки на регистры процессора, в которых хранятся операнды, адрес ячейки памяти, регистры процессора и т. д. длина инструкции выражается в байтах.

Логический адрес выполняемой команды (инструкции) хранится в регистре InstructionPointer (указатель инструкции) - счетчике команд. После выполнения значение счетчика увеличивается на длину инструкции, указывая на начало следующей инструкции [9].

Существует два типа инструкций:

- линейный. Выполняются в соответствии с их размещением в памяти в порядке возрастания;

- передача контроля. К ним относятся операторы перехода и вызовы процедур, содержащие адрес следующего исполняемого оператора.

Хотя последовательность выполнения команд четко прописана в коде команды, она может быть нарушена исключениями и прерываниями. Исключения - это особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (управляемых ОС) [12]. Аппаратные прерывания представляют собой процедуру вызова электрических сигналов в специальных выводах на процессоре. Источниками аппаратных прерываний являются, например, контроллеры устройств, системы управления питанием. Кроме того, последовательность команд может быть изменена сигналом перезапуска процессора [12].

При выполнении инструкции процессор извлекает два двоичных числа из указанных в ней мест (регистр, Память, константа) и записывает результат действия над ними на место одного из них. Процессор выполняет арифметические функции (сложение, вычитание, умножение, деление) над целочисленными данными (знаковыми и беззнаковыми, двоичными и двоично-десятичными).

Работа над числами с плавающей запятой (в виде мантиссы и порядка) поручается математическому сопроцессору. Это набор 80-битных регистров и арифметическое устройство, которое помимо четырех арифметических операций вычисляет значение квадратного корня, логарифмы, степени чисел и тригонометрические функции [9].

Архитектура процессора ПК определяется набором команд, регистрами и структурой данных, а микроархитектура является схемотехнической реализацией его архитектуры. Новые микроархитектуры были созданы для производства высокопроизводительных процессоров, таких как IntelNetBurst в процессорах Pentium, или P6 в старых процессорах.

Процессорные исполнительные устройства (для обработки целых чисел и чисел с плавающей запятой) должны непрерывно получать необходимые команды. В микроархитектуре Intel NetBurst применено несколько новинок, обеспечивающих постоянную нагрузку исполнительных блоков. Среди них-системная шина с частотой 400 МГц, кэш L2 с улучшенной передачей данных (AdvancedTransferCache), кэш L1 с отслеживанием выполнения и уменьшенной задержкой для данных, улучшенное динамическое выполнение [7].

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции обработки данных и управляет периферийными устройствами компьютера. В компьютерах четвертого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащий несколько миллионов элементов, конструктивно созданных на полупроводниковом кристалле с использованием сложной микроэлектронной технологии [21].

Основные характеристики процессора включают в себя:

- скорость (вычислительная мощность) - среднее число операций процессора в секунду;

- тактовая частота в Мгц. Тактовая частота равна числу циклов в секунду.

Такт - это временной интервал между началом текущего импульса ГТЧ и началом следующего. Типичные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц,333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и др. [8]. Тактовая частота до 3 ГГц отражает уровень промышленной технологии, на которой был изготовлен этот процессор. Он также характеризует компьютер, поэтому название модели микропроцессора может быть достаточно полным представлением о том, к какому классу принадлежит компьютер [3]. Поэтому компьютерам часто дают названия микропроцессоров, которые их составляют. Ниже приведены названия самых популярных процессоров, выпущенных компанией Intel, и годы их создания: 8080 (1974), 80286 (1982), 80386DX (1985), 80486DX (1989), 80586 или Pentium (1993), Pentium Pro (1995), Pentium II (1997), Pentium III (1999), Pentium IV (2001). Как видим, увеличение частоты является одной из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров ведущее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. Им было присвоено основное имя, переходящее от модели к модели. У Intel - это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD - это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron [19].

Разрядность процессора - это максимальное количество битов информации, которое может быть обработано и передано процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; Если 8 байт, то 64 [9].

Существует множество различных подходов к реализации структурной схемы (архитектуры) центрального процессора (ЦП). В нашей стране наибольшее распространение получила архитектура, предложенная американской фирмой Intel. Именно поэтому мы сосредоточимся на изучении процессоров, построенных на идеологии Intel, и компьютеров, реализованных на базе этих процессоров фирмой IBM.

При разработке Intel8086 были применены интересные архитектурные решения, которые, в частности, включают разделение функций интерфейса шины и выполнение команд. Согласно этому, структура процессора (рисунок 1) можно разделить на две части: блок интерфейса шины (BSSH) и исполнительный блок (IB) [5].

Рассмотрим назначение и работу отдельных узлов микропроцессора Intel 8086. Он имеет четырнадцать 16-битных регистров, которые можно разделить на три группы в соответствии с их назначением. Регистры AH, BX, CX, DX образуют группу регистров общего назначения (POH) [9].

Эти регистры могут участвовать в арифметических и логических операциях без ограничений. Некоторые другие операции, такие как операции над цепочками байтов и слов, предписывают специальное использование регистрам этой группы: AH-накопитель, BX - база, CX - счетчик, DX - данные. В отличие от регистров других групп, РОН обладают свойством раздельной адресации высоких и низких байтов. Поэтому RON можно рассматривать как набор из двух наборов 8-битных регистров: набор H, содержащий АН, ВH, CH, DH, и набор L, содержащий AL, BL, CL, DL. Регистры всех остальных групп являются неделимыми и работают на 16-битных словах, даже если используется только самый высокий или самый низкий байт [11].

Рисунок 1. Архитектура центрального процессора Intel 8086 и его регистры [7]

Регистры SP, BP, SI и DI образуют группу индексных и индексных регистров, предназначенную для хранения значений смещения, используемых для адресации в текущем сегменте памяти. В этом случае указательные регистры SP и BP хранят смещения адресов в текущем сегменте памяти, выделенном для стека, а индексные регистры SI и DI содержат смещения адресов в текущем сегменте памяти, выделенном для данных. С этим связаны обозначения регистров: SP-указатель стека, BP-указатель основания, SI-индекс источника и DI-индекс назначения. Регистры этой группы также могут использоваться в качестве регистров общего назначения [7].

Регистры CS, DS, SS и ES, которые образуют группу сегментных регистров, играют важную роль во всех действиях по адресации памяти процессора. Обозначения регистров расшифровываются следующим образом: CS-кодовый или программный сегмент, DS-сегмент данных, SS-сегмент стека и ES-дополнительный сегмент [2]. Содержимое любого из этих регистров определяет текущий начальный адрес сегмента памяти, выделенного Пользователем для информации, соответствующей имени регистра.

Содержимое регистра CS определяет начальный адрес сегмента памяти, в котором находится объектный код программы. Следующая команда извлекается относительно содержимого CS с помощью значения указателя команды IP. Содержимое регистра DS определяет начальный адрес текущего сегмента данных, так что доступ к данным в памяти процессора осуществляется относительно содержимого DS. Для доступа к остальным трем сегментам-необязательному, стековому или программному-используется специальный указатель, который называется префиксом замены сегмента и находится в соответствующих командах [6].

Содержимое регистра SS определяет текущий сегмент, выделенный для организации стека. Все обращения к памяти, которые используют регистры BP или SP прямо или косвенно для вычисления адреса, выполняются относительно содержимого регистра SS. Такие вызовы включают, например, все операции стека, включая операции вызова подпрограмм, прерывания и операции возврата. Доступ к данным с использованием регистра BP (но не SP) также может быть осуществлен против одного из трех других сегментных регистров с помощью префикса замены сегмента [11].

Содержимое регистра ES определяет начальный адрес сегмента, рассматриваемого как дополнительный сегмент данных. В частности, доступ к данным в операциях с байтовыми или словесными цепочками осуществляется относительно ES, а содержимое DI берется в качестве смещения.

Помимо этих регистров, существуют два 16-разрядных регистра: IP-указатель команды и регистр F-флага. В IP регистре, формируется относительный (по отношению к CS) - адрес команды, которая должна быть выполнена. В регистре F используются следующие девять цифр: CF-перенос, PF-четность, AF-вспомогательный перенос, ZF-нулевой результат, SF-знак, TF-шаговый режим, IF-разрешение прерывания, DF-направление, OF-переполнение. Неиспользуемые биты на рисунке заштрихованы [9].

Флаги AF, CF, PF, SF и ZF характеризуют признаки результата последней арифметической, логической или иной операции, влияющей на эти флаги. Флаг устанавливается в следующих случаях:

AF - при выполнении операции «1» переносится из младшей байтовой тетрады в старшую или» 1 « заимствуется из старшей тетрады;

CF - при передаче «1» из старшего бита байта (слова) или при заимствовании одного из них в старший бит;

PF - если представление результата операции содержит четное число единиц измерения;

SF - при получении «1» в самом высоком бите результата;

ZF - если результат операции равен нулю [2].

В эту группу флагов также входит флаг OF, который устанавливается при переполнении в результате арифметических операций над знаковыми числами.

Флаги DF, IF и TF используются для управления работой процессора. Флаг DF управляет направлением обработки данных в операциях цепочки байтов или слов. При DF=1 цепочка обрабатывается снизу вверх, т. е. происходит автоматическое уменьшение (автоинкремент) адреса текущего элемента цепочки. При DF=0 цепочка обрабатывается сверху вниз, т. е. происходит автоматическое увеличение (автоинкремент) адреса [12].

Основные операции обработки данных выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), которое связано со схемой коррекции результатов (СКР), используемой при работе с данными, представленными в двоично-десятичных кодах. Связь внутренних процессорных узлов с шиной SHA/D осуществляется через шинный буфер BS, состоящий из двунаправленных усилителей с тремя стабильными выходными состояниями.