Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf

Режим работы процессора — состояние процессора, определяющие его поведение при выполнении различных команд и возможность доступа к различным данным.

Реальный режим:

Первоначальный IBM PC мог адресовать только 1 МБ системной памяти, а оригинальные версии DOS, созданные для работы с ним, были разработаны с учетом этого. DOS по своей природе является однозадачной операционной системой, то есть она может обрабатывать только одну программу за один раз. Решения, принятые в эти ранние дни, продолжались до сих пор, и в каждом новом процессоре необходимо было уделить внимание тому, чтобы процессор мог работать в режиме, совместимом с исходным чипом Intel 8088. Это называется реальным режимом.

Когда процессор работает в реальном режиме, он действует как «разогнанный 8088». Это означает, что у него есть преимущество в скорости, но в противном случае он обращается к памяти с теми же ограничениями исходного 8088: предел 1 МБ адресной ОЗУ и медленный доступ к памяти, который не использует преимущества 32- разрядной обработки современных процессоров. Все процессоры имеют этот реальный режим, и на самом деле компьютер обычно запускается в реальном режиме.

Реальный режим, конечно, используется DOS и «стандартными» приложениями DOS. На самом деле, сегодня существует довольно мало простых программ DOS, которые просто используют стандартный 640K, который предоставляет DOS. Даже в DOS теперь доступны специальные программы, которые будут «расширять» DOS, чтобы обеспечить доступ к расширенной памяти (более 1 МБ) и более быстрый 32-разрядный доступ. Они иногда называются расширителями DOS. Протокол, описывающий, как заставить DOS работать в защищенном режиме, называется DPMI (интерфейс режима защищенного режима DOS). Расширители DOS используются большинством игр DOS (поскольку в последние годы стандартное ограничение DOS 640 КБ перешло из негибкого в совершенно ничтожным, поскольку игры стали очень большими).

Примечание. Первые 64 КБ расширенной памяти фактически доступны для ПК в реальном режиме, несмотря на то, что это не должно быть возможным. Это результат ошибки в исходном IBM AT. Эта область памяти называется областью высокой памяти (HMA).

Защищенный режим:

Начиная с чипа 80286 в IBM AT, появился новый режим процессора, называемый защищенным режимом. Это гораздо более мощный режим работы, чем реальный, и используется во всех современных многозадачных операционных системах. Преимущества защищенного режима (по сравнению с реальным режимом):

Полный доступ ко всей памяти системы. В защищенном режиме нет предела 1 МБ.

Возможность многозадачности, что означает, что операционная система управляет выполнением нескольких программ одновременно.

Поддержка виртуальной памяти, которая позволяет системе использовать жесткий диск для эмуляции дополнительной системной памяти, когда это необходимо.

Более быстрый (32-разрядный) доступ к памяти и более быстрые 32-разрядные драйверы для обработки ввода / Вывода. Каждая запущенная программа имеет свои собственные выделенные ячейки памяти, которые защищены от конфликтов с другими программами. Использование защищенного режима не стало популярным до появления доминирующего положения операционной системы Microsoft Windows. Защищенный режим теперь является способом, которым большинство людей используют свои ПК. Все основные операционные системы сегодня используют защищенный режим Windows и Linux. Даже DOS, который обычно работает в реальном режиме, может получить доступ к защищенному режиму с использованием DPMI (интерфейс режима защищенного режима DOS), который часто используется играми DOS для преодоления условного барьера памяти DOS 640 КБ.

Все процессоры с 286 on могут использовать защищенный режим. 386 и более поздние процессоры могут переключаться на лету от реального до защищенного режима и наоборот; 286 может переключаться только с реального на защищенный режим (переключение требует перезагрузки). Защищенный режим также иногда называется 386 Enhanced Mode, так как он стал основным с этим семейством процессоров.

Рисунок 4 - Регистры процессоров Intel X86

Регистр процессора — сверхбыстрая оперативная память внутри процессора, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту (например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, и программист обратиться к этому регистру не может). Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем. (Рисунок 4)

3.5 Система команд процессора

Работа всех процессоров заключается в выполнении инструкций, которые являются командами, которые составляют машинный язык, который понимает процессор. Большинство программ написаны на языках более высокого уровня, но они должны быть переведены на машинный язык процессора, чтобы компьютер мог их запускать (исполнять). Это называется компиляцией программы на машинный язык.

В совокупности все различные инструкции, которые может выполнять процессор, называются его набором команд. Набор инструкций определяет, какое программное обеспечение может работать на процессоре; для обеспечения совместимости двух процессоров они должны (между прочим) выполнять одни и те же инструкции. Количество и тип инструкций, поддерживаемых процессором, диктуют требования для всего программного обеспечения, которое его использует, а также оказывает значительное влияние на производительность.

Основная задача разработчиков процессоров - повысить производительность. Производительность определяется как объем работы, которую процессор может делать за определенный период времени. Различные инструкции выполняют разные объемы работы.

Чтобы повысить производительность, вы можете либо заставить процессор выполнять инструкции за меньшее время, либо сделать каждую выполняемую им команду, сделайте больше работы. Увеличение производительности за счет выполнения инструкций за меньшее время означает увеличение тактовой частоты процессора. Усиление работы с каждой инструкцией означает увеличение мощности и сложности каждой команды. В идеале вы хотели бы сделать оба, конечно, но это компромисс с конфигурацией; сложно сделать более сложные инструкции быстрее.

Этот компромисс в философии построении базовых инструкций отражен в двух основных характеристиках, даваемых наборам инструкций. CISC представляет собой сложный компьютер с набором команд и является именем, данным процессорам, которые используют большое количество сложных инструкций, чтобы попытаться сделать больше работы с каждым из них. RISC означает сокращенный компьютер набора инструкций и является общим именем для процессоров, которые используют небольшое количество простых инструкций, чтобы попытаться сделать меньше работы с каждой инструкцией, но выполнить их намного быстрее.

Вопрос о том, какой из этих двух подходов использовать при проектировании процессора стал одним из главнейших аргументов компьютерного мира. Это особенно верно, поскольку, когда платформа принимает решение о наборе команд, она имеет тенденцию придерживаться ее, чтобы обеспечить совместимость с существующим программным обеспечением. Несколько по иронии судьбы, линия между RISC и CISC стала размытой в последние годы, при этом каждый движется к середине поля в попытке улучшить производительность. Кроме того, появились новые способы скрещивания концепций RISC и CISC с использованием модернизированных процессоров. Наборы инструкций оптимизируются с технологиями MMX, предлагаемыми для повышения производительности процессоров Intel.

MMX означает MultiMedia eXtenstions и относится к расширенному набору команд. Другие примеры включают MMX +, 3DNow !, 3DNow! +, SSE, SSE2, SSSE3, SSE4.1, SSE4A, AVX, AVX2 и XOP.

x86 Эмуляция и трансляция

Желание повысить производительность при сохранении совместимости с существующим программным обеспечением привело к тому, что инженеры-программисты разработали несколько очень креативных проектов. Возможно, самым инновационным дизайном стала полная доработка внутреннего ядра процессора, который был сделан на более современных процессорах Intel и AMD.

Внутреннее ядро ​​RISC больше подходит для реализации многих более совершенных архитектурных возможностей, улучшающих производительность, а также для более простой работы на гораздо более высоких тактовых частотах. Более быстрые тактовые частоты означают меньшее время для выполнения каждой команды, и поэтому имеет смысл отбивать большие, сложные инструкции CISC x86 на более «удобоваримые» части, чтобы повысить производительность, так как тактовые частоты превышают 1 ГГц. С точки зрения пользователя, этот дополнительный уровень трансляции полностью невидим, поскольку он происходит полностью внутри самого процессора.

Команды. Фирма Intel подразделяет 135 команд на семь групп: команды передач данных, арифметические команды, логические команды, команды передачи управления, цепочечные команды, команды прерываний и команды управления процессором.

Заключение

В данной работе раскрывается схема ЭВМ, даются общие понятия и определения. Структура вычислительной машины – это модель, которая устанавливает состав, порядки и принципы взаимодействий входящих компонентов. Центральная часть компьютера — это системный блок, присоединена к нему клавиатура, монитор и мышь. Описана основная компоновка ЭВМ: микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ, генератор тактовой частоты, контроллер (в том числе контроллер прерывания), шина, устройства ввода и вывода данных и другие. Рассмотрены принципы взаимодействия базовых устройств. А также описаны состав центрального процессора и его базовые характеристики, такие как быстродействия, тактовая частота и разрядность.

Базовые функции определяют назначения ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

На производстве в последнее время считается актуальным массовое внедрение ЭВМ для систем автоматизации промышленных объектов, для обеспечения высоких эксплуатационных и экономических показателей, отличается сложными преобразованиями сигналов. С этой наитруднейшей задачей успешно отказоустойчивые ЭВМ, адаптированные к неблагоприятным условиям различных отраслей промышленности, с использование новых технологии современных процессоров, позволяющие свести некоторые расчёты к минимуму, а иногда и ускорить их. Поэтому исследование профессиональных функций табличных процессов считается актуальным и востребованным.

В ходе написания курсового проекта нами были подробно рассмотрены профессиональные задачи, с которыми успешно справляются современные ЭВМ. К наиважнейшим из них относят, начиная сравнительно простыми системами такими как - обеспечение пожаробезопасности, охрана объекта, контроль загазованности, системы наблюдения и контроля над объектами, и более сложными как автоматизация производства различной техники и машин. В промышленности также применяется такие Интеллектуальные автоматизированные системы управления как SCADA - автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Рассматривая перспективы развития центральных процессоров полагается, что, по всей видимости, архитектура центральных процессоров останется фон-неймановской. Увеличение производительности будет обеспечиваться за счёт лучшей параллелизации инструкций и перехода на асинхронную схемотехнику. Для обеспечения наилучшей параллелизуемости потребуется переход на более совершенные наборы инструкций — в частности, пригодные для одноразового использования регистров.

При написании курсовой работы по теме исследования нами была изучена специальная литература, включающая научные статьи по информационным технологиям, учебники по информатике, рассмотрено основные принципы построения центрального процессора ЭВМ, структура и система команд.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдошин А.А., Песоцкая Е.В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа - М.: ДМК-Пресс, 2014 г., 176 с.
2. Аникеев С. П., Маркин Н.В. Как работает современный компьютер. Самоучитель, - М.: Диалог-МИФИ, 2015 г., 160 с.
3. Арнольд В. Архитектура компьютера, - М.: Эксмо, 2013 г., 528 с.
4. Белл К., Киндал В., Талманн А. Архитектура современных ЭВМ, - М., BHV, 2016 г., 624 с.
5. Васвани В.А. Руководство пользователя ПЭВМ, СПб, Питер, 2015 г., 368 с.
6. Васильев А.В. Архитектура и программирование, - М., Наука и Техника, 2016 г., 480 с.
7. Герберт Шилдт: Введение в архитектуру, - М., Эком, 2014 г., 640 с.
8. ГолощаповА. Р.: Организация ЭВМ и систем, - М., BHV, 2016 г., 544 с.
9. Госсе, Келлер, Вудворт: Основы компьютерных вычислений, - М., Эком, 2014 г, 896 с.
10. Гурвиц Г.Е.: Процессор Pentium: Архитектура и программирование, - М., BHV, 2014 г., 424 с.
11. Дейтел, Дейтел: Аппаратное обеспечение IBM PC, - М., Питер, 2014 г., 864 с.
12. Джо Майо: Архитектура ЭВМ, - М., BHV, 2013 г., 464 с.
13. Исаев Г.А.: Информационные системы в экономике. Учебник, - М., Омега-Л, 2013 г., 462 с.
14. Исаев Г.А.: Проектирование информационных систем. Учебное пособие, - М., Омега-Л, 2015 г., 424 с.
15. ИэнГриффитс: Программирование на C# 5.0, - М., Эксмо, 2014 г., 1135 с.
16. Курлов А.А, Петров Е.А.: Методология информационной аналитики, - М.,Проспект, 2014 г., 384 с.
17. Мартынов Н.А: Программирование для Windows на С\С++. В 2-х томах, - М., Бином, 2013 г., 480 с.
18. Ошероув Р.О: Искусство автономного тестирования с примерами на С#, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 360 с.
19. Паттерсон, Хеннесси: Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем М. Классика ComputersScience, Спб Питер, , 2012 г., 784 с.
20. Пирогов В.А.: Информационные системы и базы данных: организация и проектирование, - М., BHV, 2013 г., 528 с.
21. Полубенцева - М. П.: С/С++ Процедурное программирование, - М., BHV, 2014 г., 432 с.
22. Пугачев Е.К., Шериев Ш.К., Кичинский Е.А.: Разработка приложений для Windows 8 на языке C#, - М., BHV, 2013 г., 416 с.
23. Роберт Дж. Мюллер, Проектирование баз данных и UML, - М., Лори, 2013 год, 432 с.
24. Роберт Лафоре: Объектно-ориентированное программирование в С++, - М., Питер, 2013 г., 928 с.
25. Скотт Мейерс: Наиболее эффективное использование С++. 35 новых рекомендаций по улучшению ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 294 с.
26. Скотт Мэйерс: Эффективное использование С++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 300 с.
27. Стефан Дьюхэрст: Скользкие места С++. Как избежать проблем при проектировании и компиляции ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 264 с.