Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора. (АРХИТЕКТУРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА).pdf

Конкретно алгоритм обработки данных процессором основан на четырёх этапах, которые были рассмотрены во втором разделе: выборке, декодировании, выполнении и хранении.

Данные этапы подразделяются на более точные действия, и алгоритм включает уже следующие шаги:

1. Определение адреса команды^[27].

 Адрес команды хранится в регистре счетчике команд и, в случае линейного выполнения программы, после выполнения каждой команды счетчик команд увеличивает содержимое на количество слов команды. В случае безусловного перехода в счетчик команд записывается адрес перехода. В современных процессорах выборка команд производится целым блоком, который записывается во внутренний КЭШ команд. Команды выполняются конвейером команд, таким образом, что одновременно может выполняться несколько команд на разных ступенях конвейера. Специальное устройство предсказывает последовательность выполнения команд, и производится опережающее выполнение тех команд, операнды которых на данный момент определены. Если действительный порядок выполнения команд отличается от предсказанного, последовательность команд выгружается из конвейера и производится загрузка конвейера новой последовательностью команд.

2. Выборка адреса команды.

Для чтения блока команд из оперативной памяти процессор устанавливает  адрес блока команд на шине адреса и производит выборку.

3. Выборка команды.

Блок сопряжения выполняет ввод блока команд через интерфейс с памятью. Блок команд запоминается в КЭШ команд.

4. Дешифрация команды^[28].

Если команда состоит из нескольких слов, то в дешифратор кода команды передается только первое слово команды, которое содержит код операции и признаки адресации. В этом случае по первому слову определяется длина команды и выбор следующих слов происходит по мере необходимости. Процесс дешифрации может быть разделен на первичную и вторичную. Первичная дешифрация определяет тип команды, ее цель состоит в определении, к какой группе команд относится данная команда. Первичная дешифрация позволяет уменьшить объем алгоритма обработки программ за счет одинаковой обработки команд одного типа. Вторичная дешифрация выполняется на более поздних этапах, обычно после вычисления адресов операндов. Для команд арифметико-логической группы вторичная дешифрация может выполняться непосредственно в АЛУ;

5. Вычисление адресов операндов.

Если команда адресная, то на следующем этапе вычисляются адреса операндов. Вычисление адреса и выборка для каждого операнда чередуются. Адрес операнда, если он является адресом ячейки ОЗУ, помещается в регистр адреса памяти;

6. Выборка операндов.

Выборка операндов производится для большинства адресных команд арифметико-логической группы. Содержимое ячейки памяти вводится в процессор для выполнения операции в АЛУ процессора. Если операнды размещаются во внутренних регистрах процессора, то операция выполняется значительно быстрее, чем при извлечении данных из памяти. Данные из оперативной памяти извлекаются блоками, которые помещаются в КЭШ данных внутри процессора^[29].

7. Исполнение операции.

На этой стадии, если это необходимо, производится вторичная дешифрация команды непосредственно в АЛУ, где и выполняется операция над подготовленными заранее операндами. Кроме арифметических или логических операций могут выполняться операции по пересылке операндов, в этом случае операнд извлекается из соответствующего регистра и пересылается на место операнда-приемника. Если выполняется команда безусловного перехода, то вычисленный адрес перехода записывается в регистр - счетчик команд. Команды вызова подпрограмм требуют запоминания состояния вычислительного процесса. Для этого используется сохранение данных в стеке (области памяти, предназначенной для записи данных в определенной последовательности и их последовательного извлечения). Для записи данных в стек и их извлечения из стека используется специальный адресный регистр, автоинкрементно изменяющий адрес. Указатель стека всегда указывает на следующую после последнего обращения к стеку ячейку памяти.

8. Запись результата.

После выполнения команды результат операции обычно помещается в регистр аккумулятор. Затем он должен быть записан в оперативную память и, если это необходимо, выведен на внешнее запоминающее устройство, на дисплей монитора или передано другому внешнему устройству.  Ввод и вывод информации для освобождения центрального процессора производят  специальные каналы ввода/вывода. При этом канал управляется процессором ввода/вывода, который анализирует ситуацию и осуществляет обмен^[30].

Схематично и наглядно процесс обработки данных процессором изображён на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема рабочего цикла центрального процессора ПК.

Можно рассмотреть алгоритм обработки данных более подробно на примере фрагмента программы со сложением пары чисел. В данной программе задействован такой элемент, как сумматор, однако, он может не использоваться в устройстве определённых процессоров в зависимости от их архитектуры^[31].

Итак, первая команда:

1. Устройство управления определяет, что находится в счетчике команд. 

2. Двоичный код из соответствующей ячейки ОЗУ записывается в регистр команд. В процессе его декодирования устройство управления распознаёт команду вызова другой ячейки оперативной памяти в сумматор. 

3. Номер ячейки - первого операнда (первого слагаемого) - записывается в регистр адреса. 

4. Устройство управления считывает данные из оперативной памяти в сумматор, согласно регистру адреса.  

К тому моменту, как выборка и выполнение первой команды закончились, значение в счётчике команд автоматически увеличивается на единицу. 

Следующий цикл:

1. Устройство управления переписывает содержимое следующей ячейки оперативной памяти, на которую указывает счётчик команд, в регистр команд. 

2. Это оказалась команда сложения сумматора с ячейкой оперативной памяти. Её адрес располагается в регистре адреса, который уже изменился в процессе декодирования команды сложения устройством управления. 

3. Данные из оперативной памяти из ячейки, на которую указывает регистр адреса, считываются и складываются с сумматором. Результат остается в сумматоре. 

Закончились выборка и выполнение второй команды. Получена сумма двух чисел, и она располагается в сумматоре, далее цикл может начинаться заново^[32].

2.3 Классификация процессоров персонального компьютера

На основании характеристик процессоров, рассмотренных в предыдущих главах, а также на сновании дополнительных показателей, можно провести классификацию процессоров ПК.

Необходимо заметить, что классификация современных процессоров носит весьма условный характер, так как большинство удачных технических решений переносится с процессоров одного класса на другой, придавая им всё новые и новые свойства^[33]. Однако, разделение процессоров по классам отражает принципы их построения и конструктивные особенности, что немаловажно.

Итак, классифицировать процессоры персонального компьютера можно:

1.По назначению

1.1 Универсальные

1.2 Специализированные

Универсальные микропроцессоры применяются для решения широкого спектра задач. Их эффективность мало зависит от специфики поставленной задачи, так как при их производстве используется большое количество передовых технологий и средств, как правило, они предназначены для управления дорогостоящими системами связи.

Специализация процессора, то есть его проблемная ориентация на ускоренное выполнение строго определенных функций позволяет увеличить эффективную производительность благодаря сужению круга решаемых задач^[34]. Специализированные процессоры, в свою очередь, могут подразделяться на микроконтроллеры, которые используют для управления недорогими малогабаритными устройствами, и сигнальные процессоры, содержащие упрощённый набор команд^[35].

2. По количеству выполняемых программ

2.1 Однопрограммные

2.2 Мультипрограммные

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа, переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей^[36]. В много- или мультипрограммных процессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль над состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

3. По объёму набора инструкций

3.1CISC
3.2RISC

Complete Instruction Set Computer (CISC) – это процессоры с полным набором инструкций . Данный класс процессоров предоставляет широкие возможности для программирования, но, с другой стороны, сложная система команд затрудняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты процессора. Reduced Instruction Set Computer (RISC) – это процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время – в пределах 1 такта^[37].

4.По числу больших интегральных схем (БИС)

4.1 Однокристалльные
4.2 Многокристалльные
4.3 Многокристалльные секционные

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы)^[38]. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются, но их возможности ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Микропроцессорная секция – это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций.^[39].

5. По виду обрабатываемых сигналов

5.1 Цифровые
5.2 Аналоговые

Сами микропроцессоры представляют собой цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Входные аналоговые сигналы в цифровой форме передаются в процессор через преобразователь, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь^[40].

6. По характеру временной организации работы

6.1 Синхронные
6.2 Асинхронные
6.3 Комбинированные

В синхронных процессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления. Время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов.
Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции^[41].

7. По организации структуры

7.1 Одномагистральные
7.2 Многомагистральные

В одномагистральных процессорах все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов. В многомагистральных устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

8. В зависимости от функционального назначения (процессоры узкого назначения):

8.1 Арифметический процессор
8.2 Буферный процессор
8.3 Интерфейсный процессор
8.4 Лингвистический процессор
8.5 Процессор передачи данных
8.6 Терминальный процессор и др^[42].

Буферный процессор — это процессор, реализующий промежуточную обработку данных, которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами ввода-вывода.

Лингвистический процессор – это компьютерная программа, которая каким-либо образом преобразует входной текст на естественном языке.