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

5. Сокет (разъём)

Сокет или гнездовой разъем – это вариант крепления процессорного устройства к материнской плате. В широком смысле он представляет собой программный интерфейс для обеспечения обмена данными между процессами, абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения. Каждый разъем допускает установку исключительно конкретного типа процессоров, поэтому нужно сверять сокет выбранного пользователем процессора с определённой материнской платой.

6. Размерность технологического процесса

Технологический процесс, упомянутый в первом разделе, определяет размеры основных составных элементов процессора - транзисторы. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. Также во многом от техпроцесса зависит еще одна важная характеристика процессора – так называемый TDP. Termal Design Point - показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы^[12].

7. Кэш-память процессора

Кэш-память – это одна из главных характеристик центрального процессора, на которую необходимо обращать внимание при его выборе. Как упоминалось ранее, кэш используется для увеличения работы устройства в компьютере, путём создания буферной зоны, хранящей копию последнего массива данных, обработанного процессором^[13]. Это дает возможность быстро выполнить схожую операцию в случае необходимости, без траты времени на обращение к общей памяти персонального компьютера, следовательно, чем больше объем кэш-памяти - тем лучше.

8. Встроенное графическое ядро

Процессор может быть оснащен графическим ядром, которое отвечает за показ изображения на дисплей монитора, тогда он также будет играть роль видеокарты. В последнее десятилетие встроенные видеокарты подобного типа хорошо оптимизированы: они качественно выполняют основные программы и подходят для большинства игр на средних и минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях, выполнения поиска информации в интернете и просмотра высококачественных видео такой видеокарты вполне достаточно^[14].

9. Рабочая температура процессора

Нормальная рабочая температура для любого процессора составляет до 45 ºC в режиме простоя и до 70 ºC при активной работе^[15]. Данные значения сильно усреднены, так как в расчет не берется год производства процессора и используемые технологии. Диапазон рабочих температур процессора, в первую очередь, зависит от его архитектуры, а также от нагрузки на процессор и качество отвода тепла. На данную характеристику необходимо обращать внимание в целях защиты процессора от перегревания.

На основании изучения характеристик современных процессоров можно выделить наиболее важные из них. К ним относятся те характеристики, которые напрямую влияют на производительность процессора: тактовая частота, разрядность и особенности архитектуры – строение кэш-памяти и количество ядер процессора.

В первой главе были изложены общие сведения о процессоре персонального компьютера, который являет собой главную часть аппаратного обеспечения компьютера, выполняющую арифметические и логические операции в соответствии с машинным кодом. Мы выяснили, что в основе процессора лежит микросхема, состоящая из множества транзисторов, а ядро, используемое в микросхеме, влияет на производительность, энергопотребление и тактовую частоту процессора.

После изучения истории создания процессора и его назначения можно сделать вывод о многофункциональности данного устройства и возможности его применения не только в производстве персональных компьютеров, но и во многих других электронно-вычислительных машинах.

ГЛАВА 2. ФУНКЦИИ ПРОЦЕССОРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ЕГО СТРОЕНИЕ

2.1 Основные функции процессора и элементы, отвечающие за их выполнение

В масштабах персонального компьютера в целом можно выделить две основные функции центрального процессора:

1. Обработка данных в соответствии с прописанной программой;

2. Программное управление работой всех устройств компьютера.

Обработка команд всегда включает в себя две составляющие: операционную и операндную. Операционная составляющая указывает, что в конкретный момент должна выполнить компьютерная система, а операндная определяет аргумент операции, то есть то, над чем должен совершить операцию процессор.

Во время совершения операций все современные процессоры следуют четырём основным шагам, которые иногда также рассматриваются как функции процессора: «выборка», «декодирование», «выполнение» и «хранение» (англ. fetch, decode, execute, store)^[16], которые в совокупности представляют собой цикл команд.

Для того, чтобы понять, каким образом выполняются функции процессора, необходимо рассмотреть его устройство со всеми составляющими элементами и распределение функциональных обязанностей между ними.

Функции процессора реализуются двумя основными его компонентами соответственно: арифметико-логическим устройством (АЛУ) и устройством управления (УУ) при использовании регистров процессорной памяти^[17]. Вместе АЛУ и УУ образуют вычислительное ядро процессора, упомянутое в предыдущем разделе^[18]. Принцип взаимодействия этих элементов можно понять благодаря упрощённой схеме процессора ПК, представленной на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Упрощённая схема процессора ПК.

Устройство управления руководит работой всех устройств компьютера, обеспечивая согласованность их функционирования, в соответствии с заданной программой. УУ извлекает последовательную команду из регистра команд, определяет, какие действия с данными необходимо совершить, после чего задает определённую последовательность действий выполнения поставленной задачи.

Арифметико-логическое устройство – это один из блоков процессора, который выполняет одну из главных функций процессора – обработку данных. АЛУ служит для выполнения арифметических и логических преобразований над данными, называемыми операндами.

Функционирование АЛУ регулируется устройством управления и в совокупности с ним логически образует собственно процессор ПК.
В состав «классических» систем АЛУ+УУ, как правило, входят регистры, сумматор и схемы управления.

Регистры - это внутренняя память процессора, состоящая из быстродействующих ячеек памяти. При использовании регистров процессор производит необходимые расчеты и сохраняет промежуточные результаты.

У каждого регистра есть определенное назначение, при этом существует несколько отдельных ценных регистров. Рассмотрим их по порядку.

1. Аккумулятор – это главный регистр процессора, большинство логических и арифметических операций осуществляется с его помощью. Любая из таких операций над двумя операндами предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого – в памяти или еще каком-либо регистре.

2. Сумматор – это регистр АЛУ, выполняющий процедуру сложения поступающих двоичных кодов и участвующий в выполнении каждой операции^[19];

3. Счетчик команд – это регистр УУ, который отслеживает, какие инструкции процессор должен выполнить в следующий раз при обработке данных, он служит для автоматической выборки программы из каждых последовательных ячеек памяти. Говоря простым языком, счётчик команд сообщает процессору, из какой именно ячейки оперативной памяти считывать очередную команду. После извлечения из оперативной памяти данная команда помещается в ячейку - регистр команд.

4. Регистр команд – это регистр УУ, который предназначен для хранения кода команды на тот отрезок времени, который необходим для ее выполнения. Полученный после выполнения команды результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

Ранее упомянутая схема управления – это устройство, которое принимает управляющие сигналы от УУ и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. Таким образом, главная функция схем управления – это декодирование команды, находящейся в регистре команд, посредством дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для выполнения команды. Можно сказать, что схемы управления – это маленький микропроцессор внутри микропроцессора^[20].

Все перечисленные устройства процессора обмениваются между собой информацией при помощи внутренней шины данных – она соединяет между собой АЛУ и регистры, осуществляя передачу данных внутри процессора. Каждый функциональный блок процессора всегда подключен к ней, но может воспользоваться размещёнными там данными только после получения соответствующего сигнала от схем управления^[21].

Перечисленные выше элементы считаются многими программистами минимальным набором, необходимым для функционирования процессора, но его деятельность невозможно представить без первичной памяти. К ней, как правило, относят постоянные и оперативные запоминающие устройства (ПЗУ и ОЗУ), а также кэш-память.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM, англ.) – это энергонезависимая память, которая используется для хранения массива неизменяемых данных – программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Энергонезависимость ПЗУ означает, что записанная в ней информация остаётся неизменной после выключения компьютера.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM, англ.) – это энергозависимая память, предназначенная для хранения информации, изменяющейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке, используется как для чтения, так и для записи информации. Энергозависимость ОЗУ обусловлена использованием микросхем динамической и статической памяти, для которых сохранение бита информации означает сохранение электрического заряда^[22].

Также современные процессоры имеют свою внутреннюю кэш-память. Она используется для уменьшения времени простоя процессора и подгружает информацию из ОЗУ. Непосредственно с ядром связана сверхбыстрая но самая маленькая L1, потом идет промежуточная L2, и на внешнем уровне находится большая по объему, но менее скоростная L3^[23].

В общем случае обмен информацией между процессором и внутренней кэш-памятью производится из регистра в ячейку и обратно. Адрес ячейки, в которую направляется информация, передаваемая по шине данных, передается процессором по адресной шине.

Как мы видим на схеме, изображённой на рисунке 2.1, кэш-память процессора разделена на кэш данных и командную кэш-память. Такое разделение присутствует не везде, но используется для повышения скорости обмена информацией, касающейся инструкций. Оно основывается на предположении о том, что если инструкция была загружена из памяти, она, вероятно, будет использоваться снова. Для повышения производительности используется предварительно заданный шаблон доступа к командной кэш-памяти, который помогает обойти задержки, обеспечивая более быстрое и качественное выполнение инструкций^[24].

Блок предварительной выборки и блок предварительной декодировки, изображённые на рисунке 2.1, относятся к подсистеме выборки команд. Блок предвыборки кодов осуществляет заполнение очереди команд, а блок предшифрации команд осуществляет саму предшифрацию, определяет тип и формат команд, выделяет поле, содержимое которого поступает в блок для вычисления линейного адреса. Другими словами, дешифратор отвечает за преобразование цифровых данных из памяти компьютера в поток сигналов, понятных процессору^[25]. Команды, прошедшие этап выборки, хранятся в очереди команд^[26].

2.2 Алгоритм работы процессора

В масштабах всего компьютера схему работы процессора можно описать следующим образом:

1. Используя данные с жесткого диска или из сети, процессор выполняет программу и выдает конечный результат в виде файла или картинки, отображаемой на мониторе;

2. В процессе выполнения программы процессор обеспечивает взаимодействие с устройствами ПК посредством операционной системы и определенных инструкций (драйверов).

Например, процессор производит сложные расчеты, занося промежуточные и конечные результаты в оперативную память, а также параллельно дает команды видеокарте визуализировать их.