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

В этой главе мы описали основные функции процессора - обработку команд и управление узлами компьютера, перечислили основные элементы, составляющие устройство процессора, и осуществляющие действия, необходимые для его функционирования. Главными составляющими процессора являются арифметическое логическое устройство и устройство управления, совокупность которых образует ядро процессора.

Мы поэтапно рассмотрели основной алгоритм работы процессора персонального компьютера, на основе которого выполняются функции процессора. Также для лучшего понимания алгоритма была более подробно изучена операция выборки-выполнения, которую называют циклом выборки-выполнения, или машинным циклом. 

Проведённая нами классификация процессоров даёт возможность наглядно представить разнообразие характеристик, функций и применений процессоров, что подчёркивает их универсальность и незаменимость в современной жизни.

ГЛАВА 3. АРХИТЕКТУРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА

3.1 Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, как правило, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Рисунок 3.1 – Схематичное изображение процессора фон Неймана (память, УУ, АЛУ, аккумулятор, ввод/вывод)^[43].

Циклический процесс обработки информации фон Неймана включает следующие этапы^[44]:

1. Процессор выставляет номер, который хранится в регистре счетчика команд на адресной шине, и дает памяти команду чтения^[45];
2. Выставленный номер является адресом для памяти. Память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, которое хранится по этому адресу на шине данных, и объявляет о готовности;
3. Процессор получает номер от шины данных, интерпретирует его как команду (инструкцию) из командной системы и выполняет ее;
4. Если последняя команда не нарушает последовательность, процессор увеличивает число, которое хранится в счетчике команд, на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице). В результате там формируется адрес следующей команды;
5. Цикл начинается заново с первого пункта.

Этот цикл выполняется стабильно, и его называют процессом, откуда и пошло название устройства^[46].

Архитектура фон Неймана была построена в соответствии со следующими принципами:

1. Принцип однородности памяти.

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и различить их можно только по методу использования, то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему^[47].

Такое строение памяти процессора позволяет производить над командами те же операции, что и над числами. Такой приём называют модификацией команд, но с позиций современного программирования он не приветствуется^[48]. Причиной является то, что совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана^[49], заключающееся в ограничении пропускной способности между процессором и памятью.

На схеме, изображённой на рисунке 3.2, показано расположение оперативной памяти (RAM) относительно центрального процессора персонального компьютера (CPU), при котором можно с лёгкостью заметить это «узкое место»^[50].

Рисунок 3.2 – Представление оперативной памяти в соответствии с архитектурой фон Неймана.

Вследствие того, что память программ и память данных не могут быть доступны в один и тот промежуток времени, пропускная способность канала «процессор-память» существенно ограничивает скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах^[51].

Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат выполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык низкого уровня конкретной вычислительной машины^[52].

2. Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

3. Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая из них. Двоичные коды разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса^[53].

3. Принцип программного управления.

Все вычисления, которые предусматриваются алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов — команд. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена^[54].

Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были^[55]:

1. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;
2. EDSAC — Кембриджский университет,1949 год;
3. BINAC — США, 1949 год;

К разновидностям архитектуры фон Неймана относятся конвейерная архитектура, суперскалярная архитектура, CISC- и RISC-архитектуры процессора.

Архитектура конвейера была введена в центральный процессор с целью его ускорения^[56]. 

Обычно для выполнения каждой команды требуется выполнить некоторое количество одних и тех же операций, например: выбор команды ОЗУ, расшифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выбор операнда ОЗ, выполнение команды, регистрация результата в ОЗУ. Каждая из этих транзакций сравнивается с одним этапом конвейера. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности за счёт возможности выполнения нескольких машинных команд за один тактовый период процессора.

Сравнительная схема последовательного и конвейерного процессоров представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема последовательного процессора и процессора с конвейером команд.

Грубо говоря, конвейерная архитектура представляет собой несколько параллельно выполняемых действий за один такт^[57].  Увеличение количества однообразных действий, выполняемых одновременно, позволяет повысить производительность процессора. В идеальном случае производительность процессора с N - ступенчатым конвейером команд в N раз больше производительности последовательного процессора, т.е. без конвейера команд^[58]. Однако, существует определенный естественный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность процессора практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают.

3.2 Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана в любой своей форме имеет один недостаток, который состоит в её последовательности. Независимо от размеров массива данных, который требуется обработать, каждый его байт должен пройти через центральный процессор, даже если по всем байтам массива требуется выполнить одну и ту же операцию – это ранее упомянутое «узкое место» архитектуры фон Неймана.

Для решения этой проблемы были предложены альтернативные варианты архитектур процессоров, среди которых была классификация Флинна - одна из самых ранних и наиболее известных классификаций архитектур вычислительных систем. В основу классификации положено понятие потока - последовательности, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором.

Рассматривая число потоков данных и потоков команд, Флинн предложил рассматривать следующие классы архитектур: MIMD, SIMD, SISD, MISD.

Архитектура SISD (Single Instruction - Single Data)  - "один поток команд, один поток данных". Это описание архитектуры компьютерной системы, подразумевающее исполнение одним процессором одного потока команд, который обрабатывает данные, хранящиеся в одной памяти.

Архитектура SIMD (Single Instruction - Multiple Data) - "один поток команд, много потоков данных" - архитектура, подразумевающая исполнение одной текущей команды несколькими процессорами. Эта команда выбирается из памяти центральным контроллером SIMD-системы, b работает над разными элементами данных. Для этого каждый процессор имеет ассоциированную с ним память, где хранятся массивы однородных данных.

Архитектура MISD (Multiple Instruction - Single Data) - "много потоков команд, один поток данных" – архитектура, в которой данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет свою программу их обработки. Подобная архитектура ещё никогда не была реализована.

Архитектура MIMD (Multiple Instructions - Multiple Data) - "много потоков команд, много потоков данных". В этой архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на системы с распределённой памятью, к которым относятся кластеры и системы с совместно используемой памятью^[59]. У этой классификации есть очевидные недостаток – данный класс очень перегружен, так как в него вошли все многопроцессорные системы. При этом они существенно отличаются по ряду признаков (числом процессоров, природе и топологией и видами связей между ними, способами организации памяти и технологиями программирования).

В данной главе мы рассмотрели две основные архитектуры процессора – последовательную архитектуру или архитектуру Джона фон Неймана, а также параллельную архитектуру, которая представляет собой многопроцессорную структуру, призванную ускорить функционирование процессора посредством параллельного выполнения нескольких операций. Были выявлены сильные и слабые стороны каждой из архитектур: замедление работы процессора из-за прохождения всей информации через канал «процессор-память» в архитектуре фон Неймана и невозможность реализации всех идей в параллельной архитектуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внедрение и широкое использование средств вычислительной техники является одним из главных факторов ускорения научно-технического, и на данный момент широко распространено во всём мире. Наиболее значимым среди прочей вычислительной техники является персональный компьютер, прочно укоренившийся в повседневной жизни практически каждого городского жителя. Именно массовое производство и постоянное усовершенствование его главного функционального элемента – процессора – сделало персональный компьютер столь популярным.

В ходе данной курсовой работы мы изучили историю создания процессора персонального компьютера, основные понятия, определяющие его работу, и определили его назначение.

Центральный процессор (ЦП) – это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера.

Также в данной работе были рассмотрены основные функции центрального процессора ПК, которые состоят в обработке данных в соответствии с прописанной программой и программном управлением работой всех устройств компьютера. Были перечислены функциональные элементы процессора, благодаря которым осуществляется работа алгоритма обработки данных: арифметико-логическое и управляющее устройства, которые вместе образуют ядро процессора, блок регистров, кэш-память процессора, схема управления и внутренняя шина данных.

Мы изучили характеристики процессоров, среди которых выявили наиболее значимые: производительность, которая основана на тактовой частоте, разрядности и количестве ядер процессора, а также особенностях архитектуры. На основании данных характеристик была составлена и изучена классификация процессоров, дающая представление о разнообразии характеристик и направлений применения процессоров.