Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора ( Основное устройство обработки информации в компьютере).pdf

Поскольку работа электронных схем описывается тем же математическим аппаратом, что и преобразование последовательностей нулей и единиц, то для такого преобразования можно применять электронные схемы. Но тем же математическим аппаратом описывается и выполнение логических операций, значит, логические выражения можно использовать для описания схем из электронных логических элементов – электронных схем, используемых в конструировании компьютеров.

Обработка информации в ЭВМ происходит путем последовательного выполнения элементарных операций. К ним относятся: установка, сдвиг, прием, преобразование, сложение и некоторые другие.

Для выполнения каждой из этих операций сконструированы электронные узлы – регистры, счетчики, сумматоры, преобразователи кодов и т.д. Из этих узлов строятся интегральные микросхемы очень высокого уровня: микропроцессоры, модули ОЗУ, контроллеры внешних устройств и т.д. Сами указанные узлы собираются из основных базовых логических элементов – как простейших, реализующих логические функции И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и им подобных, так и более сложных, таких как триггеры.

Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем.

Рассмотрим действие основных логических элементов, работа которых соответствует основным логическим операциям.

Пусть А и В – логические переменные.

Логический элемент

(инвертор)

выполняет логическую

операцию отрицания «неА» (А)

Его работа описывается следующей таблицей – таблицей истинности. Здесь единице соответствует наличие сигнала на входе или выходе электронного элемента, а нулю – его отсутствие.

А	 А
0	1
1	0

Логический элемент

1

«или»

выполняет логическую операцию

дизъюнкции «А или В» (А V В)

Логический элемент

&

«и»

выполняет логическую операцию

конъюнкции «А и В» (АВ)

Таблицы истинности:

А	В	А или В (АVВ)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

---

А	В	А и В (АВ)
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Логический элемент

1

«или-не»

соответствует операции

«не(А или В)» ( (АVВ))

Логический элемент

&

«и-не»

соответствует операции

«не(А и В)» ( (АВ))

Таблицы истинности:

А	В	не(А или В) (АVВ)
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

А	В	не(А и В) (АВ)
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Более сложные логические выражения реализуются посредством соединения простейших логических элементов в электронные логические схемы. Например, логическая операция «исключающее или» может быть реализована посредством следующей схемы, которая соответствует логическому выражению (А(В)) V ((А)В) и описывается приведенной таблицей истинности.

&

1

&

А

В

а

а

в

в

А	В	Исключающее или (А(В)) V((А)В)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Одной из главных электронных логических схем является сумматор – схема, выполняющая сложение двоичных чисел. Операция суммирования является основной, т.к. к ней можно свести все остальные операции над двоичными числами^[8].

---

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА управления компьютером

2.1. Программное управление компьютером

Вся обработка информации выполняется компьютером под управлением программы. Вся деятельность компьютера, будь то решение прикладной задачи, выполнение процесса начальной загрузки, обеспечение удобных условий работы пользователя и даже процесс создания новых программ, происходит под управлением программы.

В основе программы лежит алгоритм – строго определенная последовательность команд, предписывающая выполнять действия, которые приведут к достижению цели. В качестве исполнителя алгоритма выступает компьютер, а точнее, процессор. Как любой исполнитель, он имеет систему команд, т.е. набор действий, которые он в состоянии выполнить.

Команды, которые входят в систему команд процессора, очень просты, они предписывают процессору выполнять элементарные действия автоматически без дополнительных указаний и называются машинными командами.

Их сравнительно немного – процессоры современных компьютеров выполняют примерно 240 машинных команд. Это команды выполнения следующих операций:

• • операции пересылки информации внутри ЭВМ;
  • арифметические операции над данными;
  • логические операции над данными;
  • операции обращения к внешним устройствам;
  • операции передачи управления;
  • обслуживающие и вспомогательные операции.

Алгоритм, записанный в виде последовательности машинных команд, называется машинной программой.

Каждая машинная команда содержит следующие предписания:

• • из каких ячеек взять обрабатываемую информацию;
  • какие действия с нею совершить;
  • в какие ячейки направить полученный результат.

Команда, как и данные, записывается в виде последовательности 0 и 1 (в двоичном коде). Часть разрядов двоичного кода кодирует действия, которые требуется выполнить – это код операции. Другая часть разрядов кодирует адреса ячеек, из которых надо взять данные и в которые надо направить результаты выполнения действий.

Структура команды:

Код операции

Адресная часть

Машинная программа, которая составлена из команд, записанных в двоичном коде, так же, как и данные, хранится в ячейках памяти компьютера. В этом состоит принцип хранимой программы.

---

Рассмотрим теперь, как достигается автоматизм работы процессора, исполнения им заданной программы^[9].

2.2. Автоматизация работы процессора

Команды машинной программы располагаются в ячейках памяти последовательно, друг за другом; так же последовательно они и выполняются. Чтобы обеспечить автоматический переход от исполнения одной команды к исполнению следующей, используется специальный регистр собственной памяти процессора – счетчик команд (СК). В нем находится адрес ячейки, хранящей команду, которую надо выполнять следующей.

В каждый момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой хранится в специальном регистре собственной памяти процессора – счетчике команд.

Действия процессора по выполнению каждой отдельной команды (основной алгоритм его работы) таковы:

1. читать адрес из счетчика команд;
2. читать слово (содержащее команду) по этому адресу;
3. увеличить счетчик команд;
4. выполнить команду, записанную в прочитанном слове.

Обратим особое внимание на пункт 3: «увеличить счетчик команд». Выполняя это действие, процессор автоматически увеличивает содержимое счетчика команд на 1, 2 или 4 в зависимости от типа процессора^[10].

Мы знаем, что ячейка памяти содержит машинное слово, достаточное для обработки одной командой, длина этого слова может быть 1, 2 или 4 байта. Поскольку нумеруется каждый байт, то адреса ячеек памяти (нумеруемые по номеру младшего байта) изменяются на 1 , 2 или 4 в зависимости от типа компьютера. Значит, увеличение счетчика команд на заданное число (1,2 или 4) ведет к автоматическому появлению в нем адреса следующей ячейки памяти, где и хранится следующая команда – вот почему команды программы располагаются в ячейках памяти одна за другой.

Однако таким образом можно исполнять автоматически только линейные алгоритмы. Для реализации циклов и ветвлений используются специальные команды процессора, исполнение которых определенным образом меняет содержимое счетчика команд: увеличивает или уменьшает его на величину, кратную длине машинного слова, т.е. происходит переход к исполнению команды не из той ячейки, что расположена непосредственно вслед за текущей, а из ячейки, адрес которой был вычислен и находится теперь в счетчике команд. К таким командам, меняющим порядок исполнения команд программы, относятся, например, команды передачи управления.

---

Так достигается автоматизация действий процессора в соответствии с заданной программой. Если программа задана и не содержит ошибок, ее исполнение уже не требует вмешательства человека^[11].

Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд и расположением команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

Таким образом, все самые сложные действия компьютера сводятся к исполнению процессором сравнительно небольшого набора элементарных команд, и вся работа компьютера должна быть регламентирована программами.

Первоначально все самые необходимые программы загружаются в оперативную память (ОЗУ), но даже этот процесс выполняется в соответствии с программой начальной загрузки, которая хранится в постоянном запоминающем устройстве (информация там хранится при выключенном компьютере).

При включении компьютера в счетчике команд автоматически появляется так называемый стартовый адрес, по которому процессор обращается к определенной ячейке ПЗУ за своей первой командой – далее процесс происходит автоматически^[12].

Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.

Кэш-память - это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти — скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

---