Файл: Понятие и сущность процессора.pdf

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Кроме архитектуры фон Неймана существуют еще Конвейерная, Гарвардская, Параллельная и Суперскалярная архитектура.

Глава 3. Классификация и виды процессоров персонального компьютера

Процессоры классифицируются по различным признакам. В различных источниках выделяются следующие основные признаки:

По назначению микропроцессоры делятся на универсальные и специализированные процессоры^[29]. Первые предназначены для решения широкого круга задач, в системе команд заложена алгоритмическая универсальность. Таким образом, производительность процессора слабо зависит от специфики решаемых задач. Специализированные процессоры предназначены для решения определённого круга задач или даже одной задачи, имеют ограниченный набор команд. Среди них выделяются процессоры для обработки данных, математические процессоры и микроконтроллеры.

По количеству выполняемых программ процессоры подразделяются на однопрограммные (переход к выполнению следующей программы происходит только после завершения текущей программы) и мультипрограммные (одновременно выполняются несколько программ)^[30].

По структурному признаку выделяют микропроцессоры с фиксированной разрядностью (имеют строго определённую разрядность) и микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (позволяют секциями увеличивать число разрядов).

По числу БИС (СБИС) в микропроцессорном комплекте можно выделить однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные процессоры^[31]. В первом случае все аппаратные части процессора реализованы в виде одной БИС (СБИС); возможности таких процессоров ограничены ресурсами кристалла и корпуса. Многокристальные процессоры получаются в результате разбиения логической структуры процессора на функционально законченные части, каждая из которых реализована в виде БИС или СБИС. В последнем случае функционально законченные части логической структуры процессора разбиваются на секции, которые реализованы в виде БИС.

По разрядности обрабатываемой информации микропроцессоры могут быть 4, 8, 12, 16, 24, 32 и 64-разрядными^[32]. На практике наибольшее распространение имеют 32-разрядные процессоры; всё большее применение находят 64-разрядные процессоры.

По виду технологии изготовления БИС (СБИС) микропроцессоры делятся на две группы: процессоры, построенные на БИС, изготовленных по униполярной технологии, и процессоры, построенные на БИС, изготовленных по биполярной технологии^[33]. Представители первой группы: p-канальные (p-МОП), n-канальные (n-МОП), комплиментарные (КМОП) БИС. (МОП – металл-окисел-проводник). Ко второй группе относятся БИС на базе транзисторно- транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) и интегральной инжекторной логики (И²Л). Вид технологии изготовления БИС во многом определяет степень интеграции микросхем, быстродействие, энергопотребление, помехозащищённость и стоимость процессоров. По комплексу этих признаков можно отдать предпочтение микропроцессорам, выполненным по n-МОП и КМОП- технологиям, обеспечивающим высокую плотность компоновки, высокое быстродействие и относительно малую стоимость. ЭСЛ обеспечивает самое высокое быстродействие процессоров, но низкую плотность компоновки и высокое энергопотребление. Технология И²Л даёт усреднённые характеристики микропроцессоров.

По характеру системы команд выделяют процессоры с полным набором инструкций или CISC-процессоры (Complex Instruction Set Command), процессоры с сокращённым набором инструкций или RISC-процессоры (Reduced Insrruction Set Command), процессоры со сверхбольшим командным словом или VLIW-процессоры (Very Long Instruction Word)^[34]. CISC-процессоры имеют большой набор разноформатных команд, что позволяет применять эффективные алгоритмы решения задач, но, в то же время, усложняет схему процессора, и в общем случае не обеспечивает максимального быстродействия. Архитектура CISC присуща классическим процессорам. RISC-процессоры содержат набор простых, чаще всего встречающихся в программах инструкций. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых команд. Все простые команды имеют одинаковый размер и на их выполнение тратится один машинный такт (на выполнение самой короткой команды из системы CISC обычно тратится четыре такта). Современные 64-разрядные RISC-процессоры выпускаются многими фирмами: Apple (PowerPC), IBM (PPC) т.д. В VLIW-процессорах одна инструкция содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Задача распределения работы между несколькими вычислительными устройствами процессора решается во время компиляции программы. Такой подход позволили уменьшить габариты процессоров и потребление энергии. Примерами VLIW-процессоров служат Itanium фирмы Intel, McKinley фирмы Hewlett-Packard и другие.

По числу и способу использования внутренних регистров различают аккумуляторные, многоаккумуляторные и стековые процессоры^[35]. Аккумуляторные процессоры – это процессоры с одним регистром результата. Их отличительной характеристикой является относительная простота аппаратной реализации, а также упрощённый формат команд (будут рассмотрены в следующей лекции). В командах адрес операнда в аккумуляторе не указывается , а адресуется только второй операнд. Недостатками таких процессоров является необходимость предварительной загрузки операнда в аккумулятор перед выполнением операции и невозможность непосредственной записи результата выполнения команды в произвольную ячейку памяти или регистр. В многоаккумуляторных регистрах, которыми являются большинство современных процессоров, функции регистров результата может выполнять любой регистр общего назначения или ячейка памяти. В командах оба операнда задаются явно, а результат операции чаще всего помещается на место одного из операндов. В стековых процессорах обычно используется большой аппаратный стек и дополнительный внешний стек в памяти (при нехватке аппаратного). Благодаря специальному размещению операндов в стеке обработку информации можно выполнять безадресными командами, что позволяет повысить производительность процессора и экономить память. Такие команды извлекают из стека один или два операнда, выполняют над ними соответствующую арифметическую или логическую операцию и заносят результат в вершину стека. Недостатком является необходимость предварительной подготовки данных, использующих адресные команды.

Заключение

Процессор (от англ.: Processor) — одна из основополагающих составляющих компьютера, функции которого состоят в реализации разнообразных математических подсчетов и синхронизация взаимодействия частей структуры компьютера. Процессоры есть как в обычных ПК, так и в разнообразных приборах, используемых в быту и промышленности, например, в современных стиральных машинах, устройствах печати и других. Кроме этого, так называемые, программные процессоры, к примеру, текстовый микропроцессор(англ.: word proccesor), представляющий из себя средство анализа текстов.

Сегодня существует не один десяток видов процессоров, используемых для разрешения разных общих и узких целей.

Сегодняшний компьютер состоит из одного и более Центральных микропроцессоров и Графического микропроцессора. 

Центральный процессор - особенно часто встречающееся название.  Нередко под процессором понимается только Центральный микропроцессор. 

В англоговорящей среде цп обозначают, как CPU или Ctntral proccecing Unit,  то есть в точном переводе центральный блок обработки. 

Система, работающая с более чем одним центральным микропроцессором и использующее общее пространство адресов, является многопроцессорной.

Графический микропроцессор (ГП) в иностранной среде обозначен Graphics Proccesing Unit (GPU). Он имеет узкую специализацию, работает с графическими данными. Часто ЦП и ГП объединяют словом процессор, но в определенном контексте можно распознать вид процессора, о котором говорится.

Физический микропроцессор (Physics Processing Unit) необходим для арифметических операций при проектировании разнообразных физических моделей, таких как, например, динамические расчеты следствия взаимодействия тел.

Микропроцессор цифровых сигналов (Digital signal processor (DSP)) - специальный процессор,необходимый для работы с цифровым сигналом (как правило, в режиме реальном времени).

Сетевой микропроцессор (network processor)  — микропроцессор, который обычно располагается в сетевых устройствах, выполняет процедуры, необходимые при сетевой передаче данных. Обычно сетевой микропроцессор располагается в сетевых платах, коммутаторах и т.д.

Звуковые сигнальные микропроцессоры (Audio signal processor) применяются в ультрасовременнойзвуковой аппаратуре, они используются для работы со звуками и музыкой, к примеру, для имитации эха.

Процессор обрабатывает инструкции, которые он получает в процессе декодирования данных. При обработке этих данных, процессор выполняет четыре основных шага:

Выборка. Каждая команда сохраняется в памяти и имеет свой собственный адрес. Процессор запоминает этот адрес из программного счетчика, который отвечает за отслеживание того, какую инструкцию ЦП должен выполнить следующей.

Расшифровка. Все программы, которые должны быть выполнены, будут переведены на язык Ассемблер. Код Ассемблера выполнен в бинарных инструкциях, которые понятны процессору. Этот шаг называется декодированием.

Выполнение.  При выполнении инструкции, процессор может сделать одно из трех действий: передать инструкцию в АЛУ(арифметико-логическое устройство), переместить данные из одного места памяти в другое, или перейти к другому адресу.

Исполнение. Процессор должен передать результаты после выполнения инструкции, эти выходные данные записываются в память.

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

1. Оптические компьютеры - в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны).

2. Квантовые компьютеры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

3. Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

В данной курсовой работе мы рассмотрели понятие процессора персонального компьютера, выяснили классификацию существующих процессоров, функции и назначения процессоров.

Список использованной литературы:

1. Основы программирования. Учебник с практикумом / Под ред. Макаровой Н.В.. – М.:КноРус, 2017. – 352 с.
2. Алехин В.А. Микроконтроллеры PIC: основы программирования и моделирования в интерактивных средах MPLAB IDE? mikroC, TINA,Proteus. Практикум / В.А. Алехин – М.:ГЛТ, 2016. 248 с
3. Богачев К.Ю. Основы параллельного программирования / К.Ю. Богачев. – М.: Бином, 2015 – 342 с
4. Колдаев В.Д. Основы алгоритмизации и программирования: Учебное пособие / В.Д. Кодаев – М: Форум, 2015. 352 с
5. Окулов С.М. Основы программирования, перераб / С.М. Окулов – М. : Бином, 2015 – 336 с
6. Панфилова Н.И. Программирование: Основы алгоритмизации и программирования: Учебник / Н.И. Панфилова; по ред. Трусова Б.Г. – М: Academia, 20187 – 32 с
7. Информационные системы и технологии: Научное издание / Под ред. Ю.Ф. Тельнова. – М.: Юнити, 2016 – 303 с
8. Мельников В.П. Информационные технологии: Учебник / В.П. Мельников. – М.: Академия, 2018 – 176 с
9. Черпаков И.В. Основы программирования: Учебник и практикум для прикладного бакалавриата / И.В. Черпаков. – Люберцы: Юрайт, 2016 – 209 с
10. Лаврищева, Е. М. Программная инженерия и технологии программирования сложных систем : учебник для вузов / Е. М. Лаврищева. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 432 с.
11. Басс Лен Архитектура программного обеспечения на практике [пер. с англ.] / Л. Басс 2-е - изд. - СПб: Питер, 2006. - 574 с
12. Иванов В.Б. Программирование микроконтроллеров для начинающих. Визуальное проектирование, язык С, ассемблер / В.Б. Иванов, - СПб.: Корона – Век, 2015 – 176 с.
13. Магда Ю.С. Микроконтроллеры PIC 24. Архитектура и программирование / Ю.С. Магда. – М.: ДМК, 2016. – 240с