Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик).pdf

• CISC – архитектуру с полным набором команд (Complex Instruction Set Соmputer);
• RISC – архитектуру с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Compllter);
• VLIW – архитектуру с командными словами сверхбольшой длины: (Vегу Long Instruction Word)

В микропроцессорах использующих архитектуру системы команд CISC проблема семантического разрыва решается за счет дополнения системы команд сложными командами, расширения системы команд. При этом команды семантически аналогичны операторам языков высокого уровня. Исторически основоположником CISC – архитектуры является компания IBM, аналогичный подход использует и компания Intel в микропроцессорах серии 8086 и Pentium. Архитектура CISC является фактическим стандартом в микропроцессорах для персональных компьютеров.

Для CISC – архитектуры характерно следующее:^[26]

• наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;
• большое количество машинных команд, некоторые из команд аппаратно реализуют сложные операторы языков высокого уровня;
• широкое применение микропрограммирования;
• широкое разнообразие способов адресации операндов;
• разное время выполнения команд;
• широкое множество команд различной разрядности, длина команды может составлять от одного до десяти байт;
• преобладают двухадресные форматы команд;
• имеются команды, где обработка совмещается с обращением к памяти.

Применение CISC – архитектуры ведет к усложнению аппаратуры ЭВМ, и в основном к усложнению устройства управления. Это, в свою очередь, отрицательно сказывается на производительности ЭВМ в целом.

Эта проблема заставила более тщательно проанализировать программы, которые получались после компиляции с языков высокого уровня. Был произведен ряд исследований, в результате которых обнаружилось, что процент команд, эквивалентных операторам языков высокого уровня, в большинстве программ не превышает десяти - двадцати, а для наиболее сложных команд даже 0,2%. При этом объем аппаратных средств, требующихся чтобы реализовать дополнительные команды, сильно возрастает. Объем микропрограммной памяти при поддержании сложных команд может увеличиваться на 60%.^[27] Тщательный анализ результатов этих исследований привел к появлению RISC архитектуры.

В 1980 году американским ученым Дэвидом Паттерсоном впервые был использован термин RISC. Идея RISC – архитектуры заключается в сокращении списка команд, при этом наиболее часто используются простейшие команды, оперирующие данными, которые размещены только в регистрах микропроцессора. Сложные команды языков высокого уровня выполняются с помощью набора простых команд, число которых больше чем в СISC, зато время их выполнения меньше.

---

Для RISC – архитектуры характерно следующее:^[28]

• сравнительно небольшое число команд с простым декодированием;
• очень сильно уменьшено количество форматов команд;
• почти все команды выполняются за один такт;
• ограниченное количество способов адресации;
• наличие длинного регистрового файла, что позволяет большему объему данных храниться в регистрах микропроцессора большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;
• обращение к памяти происходит только лишь с помощью специальных команд чтения и записи;
• применяются трехадресные команды, что кроме упрощения дешифрации делает возможным сохранение большего числа переменных в регистрах без необходимости их последующей перезагрузки;
• эффективная загрузка конвейера команд.

В 1980 году Дэвид Паттерсон с коллегами из Беркли изготовили две ЭВМ, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Основными идеями этих машин стало разделение медленной памяти и высокоскоростных регистров, а также применение регистровых окон. В 1981 году Джон Лерой Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание машины MIPS, основное внимание в которой было уделено эффективной реализации конвейерной обработки с помощью тщательного планирования компилятором загрузки конвейера.^[29]

В последних разработках микропроцессоров фирмы Intel и AMD широко используют идеи, свойственные RISС – архитектуре, так что постепенно различия между CISC и RISC архитектурами стираются.

Концепция VLIW – архитектуры (команды cо словами сверхбольшой длины) основывается на RISС – архитектуре, где происходит объединение нескольких простых RISC – команд в одну сверхдлинную команду и параллельное выполнение команд.^[30]

Ответ на вопрос где могут храниться операнды, и каким образом к ним осуществляется доступ, играет большую роль в выборе архитектуры системы команд. В связи с этим различают следующие виды архитектур системы команд:^[31]

• стековую;
• аккумуляторную;
• регистровую;
• с выделенным доступом к памяти.

Стековая архитектура основана на памяти, состоящей из взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу – последним вошел, первым вышел. Такую память называют стеком. Верхнюю ячейку памяти называют вершиной стека. Для работы со стеком используется две операции: рush (занесение в стек) и рор (извлечение из стека). Запись данных возможна только в верхнюю ячейку стека, при этом вся хранящаяся в стеке информация сдвигается на одну позицию вниз. Чтение данных допустимо только из вершины стека. Извлеченные данные удаляются из стека, а оставшиеся данные в стеке сдвигаются на одну позицию вверх. В микропроцессорах, с реализованной архитектурой системы команд на основе стека, операнды перед их обработкой помещаются в две верхних ячейки стека. Результат операции также заносится в стек. В большинстве процессоров стек организован в участке обычной памяти с адресной организацией. Для этого в процессоре применяется специальный регистр – указатель стека. Указатель стека содержит адрес участка памяти, в который будет осуществляться стековый доступ, иначе говоря, адрес верхушки стека. Регистр – указатель стека, как правило, программно доступен, и к нему можно обращаться как к любому другому регистру. Архитектура системы команд на основе стека долгое время считалась неперспективной, но в настоящее время возрождается интерес к стековой архитектуре процессора, это связано с возрастающей популярностью языка Java, семантике которого наиболее близка именно стековая архитектура.^[32]

---

Аккумуляторная архитектура исторически появилась одной из первых. В аккумуляторной архитектуре для хранения одного из операндов логической или арифметической операции в микропроцессоре используется специальный выделенный регистр – аккумулятор. Результат операции также помещается в этот же регистр – аккумулятор. Так как адрес одного из операндов заранее предопределен, в команде достаточно явно указать адрес только второго операнда. Вначале оба операнда хранятся в основной памяти, и до начала выполнения операции один из них необходимо загрузить в аккумулятор. После выполнения команды результат будет помещен в аккумулятор, при этом если он не является операндом для следующей команды, его необходимо сохранить в памяти. Достоинством аккумуляторной архитектуры системы команд являются короткие команды и простота декодирования команд. Вместе с тем наличие только одного регистра делает необходимым многократные обращения к основной памяти.^[33]

В ЭВМ с регистровой архитектурой системы команд, микропроцессор содержит в себе набор регистров или регистровый файл, называемыми также регистрами общего назначения. Этот регистровый файл, в некотором смысле, можно рассматривать как явно управляемую быструю регистровую память для хранения недавно использовавшихся данных. Размер регистров совпадает с размером машинного слова и обычно фиксирован. К любому регистру можно обратиться, явно указав его номер. Количество регистров общего назначения в архитектурах типа CISC обычно составляет от 8 до 32, поэтому для указания адреса конкретного регистра необходимо не более пяти разрядов. Благодаря этому в адресной части команд можно одновременно указать номера двух, а также зачастую и трех регистров (например, двух регистров операндов и одного регистра результата). В RISC – архитектуре используется намного большее число регистров общего назначения (до нескольких сотен). Вместе с тем типичная для таких процессоров длина команды (как правило, 32 разряда) позволяет указать в команде до трех регистров. Регистровая архитектура позволяет расположить операнды либо в регистрах, либо в основной памяти, с учетом этого в рамках регистровой архитектуры системы команд выделяются три подвида команд обработки: регистр – регистр; регистр – память; память – память.^[34]

Исполнение команды типа регистр – регистр характеризуется фиксированной длиной команды, быстротой выполнения и простотой реализации, но при этом большой длиной кода. Команды типа регистр - регистр являются основными в процессорах типа RISC.

---

Тип команд регистр-память имеют малую длину кода, простое декодирование, но при этом длинное место адреса в коде и потерю операнда при записи. Этот тип команд характерен для процессоров типа CISC.

Вариант память – память считается неэффективным, хотя и применяется в некоторых моделях процессоров типа CISC.

К несомненным достоинствам регистровых архитектур системы команд относится компактность получаемого кода, высокая скорость производимых вычислений за счет обращения к регистрам вместо обращений к памяти. Вместе с тем эта архитектура требует использования более длинных инструкций в сравнении с аккумуляторной архитектурой. В настоящее время этот вид архитектуры является преобладающим.^[35]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель данной курсовой работы посвящена изучению процессора персонального компьютера, его назначению и классификации.

Процессор является основным звеном персонального компьютера, его «мозгом» и служит для обработки различных массивов данных, произведения вычислений, а также для управления работой всех устройств персонального компьютера.

В первой главе курсовой работы рассмотрена история изобретения и развития различных средств, призванных облегчить вычисления, от древнейших времен до наших дней. Во второй главе рассмотрена классификация микропроцессоров с точки зрения их строения, применяемых технологий, аппаратных особенностей. В третьей главе рассмотрен состав и функционирование микропроцессора. В четвертой главе рассмотрены архитектуры системы команд, применяемые различными разработчиками микропроцессоров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. 512 с.
2. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. 816 с.
3. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. 367 с.
4. http://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK_pt1/Book
   _teria_prog_1.html. Голиков В.А. Интернет-курс по дисциплине Теория программирования. Часть первая. Московский финансово-промышленный университет «Университет», 2006
5. Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. 272 с.
6. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. 640 с.
7. Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ. Изд. 2-е. М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. 184 с.
8. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. 336 с.

---

1. http://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK_pt1/Book_teria_prog_1.html Голиков В.А. Интернет-курс по дисциплине Теория программирования. Часть первая. Московский финансово-промышленный университет «Университет», 2006 ↑

2. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. С. 33. ↑

3. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 11. ↑

4. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 15. ↑

5. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. С. 37 - 38. ↑

6. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 16 - 18. ↑

7. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 20 - 21. ↑

8. Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. С. 42 - 43 ↑

9. Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. С. 43 - 44 ↑

10. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 82 -84 ↑

11. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 85 -86 ↑

12. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 88 ↑

13. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 89 ↑

14. Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 79 ↑

15. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс: 2013. С. 76 - 77 ↑

16. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. С. 87 ↑

17. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. С. 87 ↑

18. Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ. Изд. 2-е. М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. С. 35 - 36 ↑

19. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 87 - 88 ↑

20. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 88 - 89 ↑

21. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 93 ↑

22. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 95 ↑

23. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 97 ↑

24. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 95 - 99 ↑

25. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 103 ↑

26. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 104 ↑

27. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 105 ↑

28. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 105 -106 ↑

29. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 106 ↑

30. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 106 ↑

31. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 107 ↑

32. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 107 - 108 ↑

33. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 108 - 109 ↑

34. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 109 ↑

35. Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 109 - 110 ↑

---