Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Арифметико-логическое устройство).pdf

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире, где царят информационные технологии и где электронно-вычислительные устройства основательно закрепились в жизни человека, уже практически невозможно найти область человеческой деятельности, где не понадобилось бы электронно-вычислительное устройство.

Область использования данных электронных устройств безгранична и активно расширяется, что в свою очередь значительно влияет жизнь и деятельность человеческого общества.

С тех пор, как человечество осознало понятие количества, разрабатывались и применялись различные приспособления для отображения количественных эквивалентов и операций над величинами. Человечество стремилось автоматизировать свои вычислительные операции, что позволило человечеству пройти путь от механических вычислительных машин до создания более совершенны х - электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Актуальность данной курсовой работы обусловлена тем, что электронные устройства с главным вычислительным элементом в виде центрального процессора, прочно вошли в жизнь человеческого общества, но многие даже представления не имеют о сущности используемого электронного устройства и что в нём осуществляет полезные вычисления, для корректной работы для ожидаемого поведения данного устройства.

Объектом данной курсовой работы является центральный процессор.

Целью данной работы является изучение понятия центрального процессора, структурного состава центрального процессора, его архитектуру, функции и назначение.

Для достижения поставленных целей, были определены следующие задачи:

• Определить понятие «центральный процессор»;
• Изучить состав и архитектуру центрального процессора;
• Рассмотреть функции, а также назначение центрального процессора.

ГЛАВА 1. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Процессор или центральное процессорное устройство (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) является неотъемлемой частью компьютерной системы, которая выполняет все операции и функции программы. Он известен как процессор, по причине того, что каждая исполняемая инструкция должна пройти через него перед выполнением.

В общем случае, как установлено в ГОСТе: «процессор — это функциональная часть вычислительной машины или системы обработки информации, предназначенная для интерпретации программ». [1, c. 4] Непосредственно о центральном процессоре указано, что центральный процессор — это «процессор, выполняющий в данной вычислительной машине или системе обработки информации основные функции по обработке информации и управлению работой других частей вычислительной машины или системы». [1, c. 4]

Центральный процессор выполняет все базовые арифметические, логические, управляющие и операции ввода-вывода по инструкциям (командам, программному коду), которые координируют работу всех устройств компьютера, будучи закодированы и расположены в памяти. Инструкции могут быть от любых устройств ввода-вывода, таких как клавиатура или мышь, центральный процессор считывает, выполняет и отображает на экране монитора.

В ГОСТе сказано, что инструкция — это «однозначно определенное действие, выполняемое устройством вычислительной машины и составляющее выполнение команды или реакцию на определенные условия» [1, c.7], иначе говоря, простое и конечное действие, для выполнения которого центральному процессору нет необходимости получать дальнейшую детализацию. Объединение последовательности таких инструкций, которое ведёт к достижению определённой цели, именуется программой.

С появлением более совершенных технологий компьютеры стали выполнять целый набор инструкций.

«Набор инструкций – словарь, состоящий из команд, понятных данной архитектуре.» [3, c. 100]

Инструкции, в общем, состоят из двух частей — операционной и операндной. Операционная часть включается в себя данные о операциях, необходимые для выполнения центральным процессором. Операндная часть передаёт центральному процессору операнды - то, над чем предстоит работать именно центральному процессору, эта часть обрабатывает до двух операндов команды, в частности, это значения операндов, прямые либо косвенные ссылки на регистры центрального процессора, содержащие операнды, адрес ячейки памяти, регистры процессора и т. д.

Центральный процессор содержит в себе быструю память, сравнительно небольшого объёма, которая хранит в себе временные данные, в свою очередь эта память содержит регистры, которые выполняют конкретные задачи.

Также существует «регистровый файл — небольшое запоминающее устройство, которое состоит из совокупности регистров размеров в одно слово, каждый имеет своё уникальное имя. Устройство вычисляет новые значения данных и адресов.» [5, с. 22]

Все регистры равны по размеру. В каждом регистре содержится единственное число в определённом диапазоне, где верхний порог зависит от размера самого регистра.

Любой процессор имеет в своём составе самый важный регистр, хранящий логический адрес исполняемой инструкции и который указывает, какую команду центральному процессору необходимо выполнить следующей, называется он счётчик команд, хотя название не совсем корректно «поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно»[2, с. 77], также используется термин — Instruction Pointer (указатель инструкции).

Выполнение последовательности инструкций осуществляется следующим образом: исполнив очередную инструкцию значение указателя инструкции инкрементируется, а если инструкция занимает больше памяти, то указатель увеличивается на длину инструкции.

Для обеспечения перехода в программе, выполняются специальные инструкции, модифицирующие, в процессе своего выполнения, содержимое счётчика указателя инструкции, а исполняемая на тот момент инструкция помещается в специальный элемент центрального процессора — регистр команд.

Инструкции делятся на линейные и инструкции передачи управления, первые, в зависимости от их позиции в памяти, исполняются по нарастанию адреса, а вторые, те что содержат в себе логический адрес следующей выполняемой инструкции, называемые — команды вызовов и переходов.

Инструкция может быть нарушена исключениями и прерываниями, невзирая на то, что порядок выполнения команд чётко предписывается кодом.

Исключения — это специальные условия, например ошибки, при выполнении которых инструкция передаёт управление обработчику.

В ГОСТе указано определение, что прерывание — это «операция процессора, состоящая в регистрации предшествующего прерыванию состояния процессора и установлении нового состояния. Прерывание является реакцией процессора на некоторые условия, возникшие в процессоре или вне его.»[1, c.7] Иначе говоря, это сигнал центральному процессору, например от контроллера устройств, о том, что есть необходимость оперативно прервать его текущую деятельность в пользу более приоритетных задач. Кроме того, последовательность инструкций может изменяться по сигналу перезапуска процессора.

Центральное процессорное устройство изначально, как термин, обозначало тип вычислительных машин, специализирующихся на решениях вычислительно-трудоёмких программ, но в связи с достаточно похожим, да и в принципе отвечающих довольно точно, по назначению и функциям имевшихся в те времена центральных процессоров компьютера, этот термин непринуждённо перекочевал на обозначение главных вычислительных элементов персональных компьютеров.

Данный термин и его аббревиатуру ЦПУ (CPU) стали применять, имея в виду компьютерные системы, в начале 1960-х годов. С того времени центральный процессор прошёл через множество изменений в архитектуре, реализации и в общем устройстве, но, несмотря на изменения, основные функции, которые выполняет данное устройство, остались прежние.

Середина 1980-х годов, время, когда центральные процессоры, реализуемые набором индивидуальных чипов, именуемые микропроцессорами, почти полностью вытеснили иные типы процессоров, из-за этого термин, закреплённый за иными устройствами, стал всё более используемым в адрес микропроцессоров и в конце концов закрепился за обращением обывателей. Но, не смотря на общую востребованность использования данного термина как синоним слова, обозначающего микропроцессор, технически, это не корректно, ибо центральные процессоры, что являются истинными владельцами данного термина, до сих пор используются в разного рода суперкомпьютерах, которые реализованы в виде больших комплексных объединённых систем.

Первые типы центральных процессоров, реализовались отдельными составными элементами для оригинальных и не повторимых компьютерных систем. Позже, для экономической и скоростной оптимизации производства, производители компьютерных системы перешли от дорогого метода создания центральных процессоров, который был реализован для компьютера предназначенного для одной или нескольких узконаправленных программ, к серийному методу производства целого ряда отдельных типов(класса) многозадачных центральных процессоров.

Склонность производителей комплектующих элементов компьютера к стандартизации появилась, когда в мире процветала и бурно развивалась эпоха полупроводников, мини-компьютеров и мейнфреймов, а создание интегральных схем сделало стандартизацию ещё популярнее.

С разработкой микросхем, комплексность структуры центрального процессора ещё более возросла, а их размеры, наоборот, уменьшились.

Уменьшение размеров процессора и стандартизация позволили производителям основательно внедрить процессоры в быт современного общества, путём внедрения их в цифровые устройства.

Современные центральные процессоры распространены не только на высокотехнологические компьютерные системы, но также они присутствуют в современных автомобилях, игрушках, стационарных и мобильных телефонах и в прочих электронных бытовых устройствах.

Обычно современные центральные процессоры реализованы в виде микроконтроллеров, где, не считая вычислительного элемента, на кристалле можно найти дополнительные элементы в виде интерфейсов, памяти, портов и пр.

Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Центральный процессор размещают в разъёме для конкретного процессора на материнской плате, также над ним располагают вентилятор и радиатор для защиты от перегрева.

Объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), скорость шины и объем кэш-памяти прямо влияет на производительность центрального процессора: чем больше мы используем, тем быстрее он может работать. Он состоит из нескольких компонентов, и каждый компонент функционирует в соответствии со скоростью процессора, что помогает быстрее выполнять инструкции, а также ускоряет работу компьютера. Существует ряд компаний, разрабатывающих процессорные чипы для процессоров, такие как Intel, AMD и Athlon, с различными моделями для более быстрого выполнения инструкций.

ГЛАВА 2. СОСТАВ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА

Центральный процессор компьютера, как правило, состоит из следующих элементов:

• арифметико-логическое устройство;
• шины адресов и данных;
• регистры процессора;
• счетчики команд;
• кэш-память;
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Рассмотрим состав центрального процессора подробнее.

2.1 Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции.

На АЛУ выпадает самая важная роль в работе центрального процессора, «АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохраняться в памяти, если это необходимо.» [2, c. 77]

В АЛУ существуют три базовые категории операций:

• логические операции, в которых реализуется построение логических операций И, ИЛИ, НЕ и пр.;
• арифметические операции, в которых результат деятельности данных операций, в виде базовых арифметических операций (умножения, деления, сложения и вычитания), и их аргументы представлены в виде чисел;
• операции над битами осуществляют побитовые сдвиги целых значений.

Команды АЛУ делится на две группы «команды типа регистр-память и типа регистр-регистр» [2, с. 77]:

«Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ.» [2, с. 77]

«Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров. Этот процесс называется циклом тракта.» [2, c. 78]

Арифметико-логическое устройство содержит элемент управления выполняемым процессом, регистры и сумматор с подходящими логическими схемами. АЛУ действует в зависимости от передаваемого ему кода, который при отправлении данных необходимо выполнить для переменных, которые помещены в регистры.

Функционально АЛУ можно разделить на две группы: