Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (История развития процессоров).pdf

12. На буферный регистр адреса запоминающего устройства посылается содержимое буферного регистра адреса центрального процессора.

13. Из запоминающего устройства происходит выборка данных по адресу второго операнда команды и передача его на буферный регистр адреса запоминающего устройства.

14. На буферный регистр данных центрального процессора подаётся содержимое буфера регистра данных запоминающего устройства.

15. На арифметико-логическое устройство посылается содержимое буферного регистра данных центрального процессора.

16. Расшифровка кода операций и подача кода на схему выработки.

17. Выполнение операций в арифметико-логическом устройстве.

18. Результат арифметическо-логического устройства записывается в запоминающие устройство по второму адресу.

19. В запоминающие устройство по адресу второго операнда команды записывается содержимое буферного регистра данных запоминающего устройства.

20. На буферный регистр данных запоминающего устройства посылается содержимое буферного регистра данных центрального процессора.

21. На буферный регистр данных центрального процессора посылается содержимое арифметико-логического устройства.

22. Изменить счётчик адреса команд.

23. Возврат на первый шаг если не возникла команда "Конец работы".

Система команд процессора Intel 8086 насчитывает более 10 разнообразных форматов команд, отличающихся как длиной формата (машинная команда может занимать от 1 до 6 байт, не считая возможных предшествующих ей префиксов), так и распределением полей в отдельных байтах команды.

Используются 3 вида префиксов (префиксных байтов), которые предшествуют команде и определенным образом влияют на ее выполнение.

К префиксам относятся:

1) seg – префикс замены сегмента;

2) rep – префикс повторения;

3) lock – префикс блокировки шины.

1) Префикс замены сегмента используется для переназначения стандартных сегментов, используемых по умолчанию при обращении к памяти за операндом и (или) при записи результата. Адрес переназначения сегмента занимает 2 средних бита в префиксном байте.

2) Префикс повторения используется исключительно перед командами обработки строк и заставляет повторять ее выполнение многократно в целях поэлементной обработки всей строки.

Использование префикса rep позволяет организовывать цикл по последовательной обработке элементов строки на аппаратном, а не на программном уровне.

3) При выполнении команды с предшествующим ей префиксом lock на все время выполнения команды блокируется шина, связывающая процессор с памятью и портами ввода-вывода.

Действие любого префикса распространяется только на одну машинную команду, которая следует непосредственно за ним.

Форматы команд:

1. Однобайтная безадресная команда:

Рис. 2.1. Однобайтная безадресная команда

Подобный формат используется либо командами с неявной адресацией, либо командами, не использующими операндов.

Примерами команд первого типа могут служить команды обработки строк, в которых строка–источник и строка-приемник неявно адресуются с использованием регистров SI и DI соответственно.

К ним относятся:

MOVS – пересылка строки,

LODS – загрузка строки,

STOS – запись в память строки,

CMPS – сравнение строк,

SCAS – сканирование строки.

1. Однобайтная одноадресная команда

7 0

Рис.2.2 . Однобайтная одноадресная команда

1. Двухадресная команда с постбайтом адресации

Эта команда задает прямой адрес регистрового операнда (поле reg). Бит w задает длину операнда (1 – слово, 0 – байт).

Рис.2.3. Двухадресная команда с постбайтом адресации

4. Одноадресная команда с постбайтом адресации

Бит d кода операции (direction - направление) определяет, по какому адресу записывается результат операции (при d = 1 – в регистр reg, при d = 0 – в регистр или память, адресуемые полем r/m).

Подобный формат широко используется для разнообразных арифметических и логических команд.

7 1 0 7 6 5 3 2 0 7 0 7 0

Рис.2.4. Одноадресная команда с постбайтом адресации

В отличие от предыдущего формата, среднее поле постбайта адресации является расширением кода операции (Е – Extended).

Подобный формат используется, во-первых, для однооперандных команд (например, INC, DEC, NEG – negative – изменение знака, NOT – инвертирование) и, во-вторых, для двухоперандных команд, в которых один из операндов адресуется неявно (например, MUL/IMUL – умножение, DIV/IDIV – деление, в которых один из операндов является аккумуляторным, а также команды сдвигов, в которых счетчик числа сдвигов адресуется неявно регистром CL).

Рисунок 2.5. Упрощенная структурная схема процессора

Глава 3. Назначение, структура и функции процессора

Центральный процессор — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Главная задача любого центрального процессора – выполнение вычислительных процессов, с помощью которых устройствам передается набор команд, необходимых для выполнения. Команды находятся в ОЗУ ПК и считываются CPU оттуда напрямую. Соответственно, чем выше вычислительные мощности процессора, тем большим быстродействием обладает вся система.

Общая структура любого центрального процессора состоит из следующих блоков:

1. Блока интерфейса;
2. Операционного блока;

Блок интерфейса содержит следующие компоненты:

• Адресные регистры;
• Регистры памяти, в которых осуществляется хранение кодов передаваемых команд, выполнение которых планируется в ближайшее время;
• Устройства управления – с его помощью формируются управляющие команды, которые в дальнейшем выполняются ЦП;
• Схемы управления, отвечающие за работу портов и системных шин;

В операционный блок входят:

• Микропроцессорная память. Состоит из: сегментных регистров, регистров признаков, регистров общего назначения и регистров подсчитывающих количество команд;
• Арифметико-логическое устройство. С его помощью информация интерпретируется в набор логических, или арифметических операций;

Важно обратить внимание на то, что операционный блок и блок интерфейса работают в параллельном режиме, но интерфейсная часть находится на шаг впереди, записывая в блок регистров команды, которые в дальнейшем выполняются операционной частью.

Системная шина служит для передачи сигналов от центрального процессора к другим компонентам устройства. С каждым новым поколением структура процессора немного меняется и последние разработки сильно отличаются от первых процессоров, используемых на заре становления компьютерных технологий.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Исполнение. Процессор должен передать результаты после выполнения инструкции, эти выходные данные записываются в память.

Глава 4. Виды и характеристика процессоров персонального компьютера

4.1 Основные характерные черты процессора

Характеристик у ЦП с 64-х битной архитектурой эта система команд расширяется дополнительным набором команд, но при этом, совместимость с х86 остаётся.достаточно много, однако, главной является его набор команд или система команд. В настоящее время все ЦП для компьютеров используют систему команд, совместимую с 8086 (так называемое семейство х86).

Следующей важной характеристикой ЦП является его разрядность или битность. Это число показывающее, со сколькими единичными разрядами ЦП может работать за 1 машинный цикл. Современные ЦП имеют разрядность 32 или 64 бита.

Помимо перечисленных, основными характеристиками ЦП являются:

• применяемая технология изготовления;
• используемый ЦП разъём или сокет;

Сокет материнской платы – это разъём, в который ЦП устанавливается. Он определят число выводов ЦП, подключённых к материнской плате. В зависимости от типа сокета их число, как и их тип (ножки или контактные площадки) могут быть различными.

• частота работы ЦП;

Тактовая частота определяет быстродействие ЦП, то есть частоту с которой он может обрабатывать команды. Она выражается в герцах; 1 герц – это тактовый импульс в секунду. У современных ЦП её значение составляет тысячи мегагерц или гигагерцы (миллиарды герц).

• наличие дополнительных ядер (как основных, так и графических);

В настоящее время одноядерных ЦП практически не выпускается. Хотя, до сих пор эксплуатируются устаревшие модели Pentium и Celeron, имеющие только одно ядро. Большинство современных ЦП имеет их, как минимум 4. Максимальное их количество составляет 28 у ЦП Xeon от фирмы Intel и 32 у Threadripper от AMD.

Это число является важным параметром, поскольку именно оно определяет производительность ЦП в работе под многозадачной операционной системой.

• объём быстродействующей памяти на кристалле (кэша);

К основным характеристикам относится также объём кэш-памяти ЦП, то есть памяти, расположенной внутри него и работающей на той же частоте, что и сам ЦП. Быстродействие такой памяти существенно превышает быстродействие любой другой памяти, к которой относится, например, оперативная. Именно в кэш-память загружаются наиболее часто исполняемые последовательности кодов, а также в ней происходит временное хранение данных для разных потоков.

Объём кэш-памяти очень критичен для серверных задач, а также для задач, связанных с перебором большого количества данных (например, сложные математические расчёты, запросы к базам данных, хеширование при составлении блокчейнов и т.д.)

Это один из важнейших параметров ЦП серверной системы. ЦП, которые имеют большой объём кэша, иногда в 5-10 раз превосходят по производительности ЦП с большей частотой и большим количеством потоков.

• наличие дополнительных функций.

4.2 Виды процессоров

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. ЦП — 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 ультрасовременной звуковой аппаратуре, они используются для работы со звуками и музыкой, к примеру, для имитации эха.

Глава 5. Классификация процессоров