Добавлен: 25.04.2023
Просмотров: 197
Скачиваний: 4
ВВЕДЕНИЕ
Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.
Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).
Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.
В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.
Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.
В этой курсовой работе мы рассмотрим строение, назначение, основные функции процессора, его основные особенности, а также опишем структуру и функционирование микропроцессоров.
1.СТРОЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА
В наше время существует огромное количество моделей процессоров но вне зависимости от года и марки все процессоры имеют схожие составляющие, а именно:
1.Ядро
2.Разрядность
3.Системная шина
4.Кеш-память
5.Разъем
6.Видеоядро
Ниже на рис.1 в качестве примера представлен стандартный процессор
Рис.1 Общее устройство процессора
Теперь давайте рассмотрим каждую его часть отдельно и первый в очереди будет ядро.
Ядро - это основная часть CPU , в нем содержатся все необходимые блоки, а также происходит выполнение логических и арифметических задач. Если вы посмотрите на рис.2 ниже, то сможете разобрать как выглядит каждый функциональный блок ядра:
Рис.2 Внутренне строение ядра
Всего мы насчитали около 9 главных механизмов ядра давайте разберём их:
- Модуль выборки инструкций. Здесь осуществляется распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Число одновременного считывания команд напрямую зависит от количества установленных блоков расшифровки, что помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
- Предсказатель переходов отвечает за оптимальную работу блока выборки инструкций. Он определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра.
- Модуль декодирования. Данная часть ядра отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач. Сама задача декодирования очень сложная из-за непостоянного размера инструкции. В самых новых процессорах таких блоков встречается несколько в одном ядре.
- Модули выборки данных. Они берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Осуществляют они именно выборку данных, которая необходима на этот момент для исполнения инструкции.
- Управляющий блок. Само название говорит уже о важности данного компонента. В ядре он является главнейшим элементом, поскольку производит распределение энергии между всеми блоками, помогая выполнять каждое действие вовремя.
- Модуль сохранения результатов. Предназначен для записи после окончания обработки инструкции в RAM. Адрес сохранения указывается в исполняющейся задаче.
- Элемент работы с прерываниями. ЦП способен выполнять сразу несколько задач благодаря функции прерывания, это позволяет ему останавливать ход работы одной программы, переключаясь на другую инструкцию.
- Регистры. Здесь хранятся временные результаты инструкций, данный компонент можно назвать небольшой быстрой оперативной памятью. Часто ее объем не превышает несколько сотен байт.
- Счетчик команд. Он хранит в себе адрес команды, которая будет задействована на следующем такте процессора.
Второй в списке является разрядность, но что же это значит?
Разрядность центрального процессора – это количество бит, которое ЦП способен обработать за один так. Ранее в ходу были 8 и 16 битные модели, сегодня их вытеснили 32 и 64 битные. Процессоры с 32-битной архитектурой встречаются всё реже, т.к. их быстро вытесняют более мощные модели.
Узнать разрядность процессора может оказаться немного сложнее, чем ожидалось. Для этого вам понадобится либо умение работать с «Командной строкой», либо сторонний софт.
Одним из самых лёгких стандартных способов узнать разрядность процессора – это узнать какой разрядности сама ОС. Но тут есть определённый нюанс – это очень неточный способ. Например, у вас установлена 32-битная ОС, то это вовсе не значит, что ваш ЦП не поддерживает 64-битную архитектуру. А если на ПК стоит 64-битная ОС, то это значит, что ЦП имеет разрядность в 64 бита.
Чтобы узнать архитектуру системы, зайдите в её «Свойства». Для этого достаточно нажать правой кнопкой мыши по иконке «Мой компьютер» и выбрать в выпадающим меню «Свойства». Также можно нажать ПКМ по кнопке «Пуск» и в выпавшем меню выбрать «Система», результат будет аналогичным.
Теперь давайте перейдём к следующим пунктам, а именно к системной шине и кеш-памяти. Касательно первого тут всё просто.
Системная шина – это совокупность путей передачи данных, которые обеспечивают взаимосвязанную работу между остальными элементами компьютера: процессором, видеоадаптером, жесткими дисками и другими компонентами.
А вот со вторым немного труднее потому давайте разберём по подробнее.
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. Но для чего всё-таки нужна эта кеш-память процессору?
Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.
Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, давайте представим себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью.
Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь,увеличивает скорость доступа к ним.
Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.
Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано «после». Вот такие непростые принципы функционирования.
Теперь настало время пятого, а именно разъёма или как его называют специалисты сокета.
Socket – это разъем центрального процессора любой компьютерной системы, он расположен на материнской плате. Благодаря тому, что процессор имеет собственный разъем (гнездовой или щелевой), вы можете легко заменить его при поломке или модернизировать компьютер. Без наличия сокета ЦП просто бы впаивался в материнскую плату, усложняя последующий ремонт или замену. Стоит обратить внимание – каждый разъем предназначен исключительно для установки определенных процессоров. На этом в общем то и всё о разъеме.
Настала пора последнего, но не менее важного – видеоядра.
Видео ядро (GPU) процессора для компьютера также присутствует в большинстве современных моделях и позволяет работать с монитором без дополнительной установки отдельной видеокарты, то есть по сути является аналогом интегрированной в системную плату видеокарты. Благодаря внедрению в процессор видеоядра он выполняет роль видеокарты. Конечно, по мощности он с ней не сравнится, но если вы покупаете CPU для несложных задач, то вполне можно обойтись и без графической карточки. Лучше всего встроенное видеоядро показывает себя в недорогих ноутбуках и дешевых настольных компьютерах.
На этом мы закончили осмотр внутреннего строения процессора давайте перейдём к его назначению.
2.НАЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССОРА
Процессор (ЦП) представляет собой совокупность арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ) и служит для обработки данных и управления всей компьютерной системой в целом. Он позволяет обрабатывать данные с фиксированной точкой, плавающей точкой, поля переменной длины, а иногда и десятичные данные, назначать приоритеты доступа и управлять различными видами памяти.
В состав ЦП входят арифметическое устройство, счетчик команд, регистр команд, регистры данных, блок микропрограммного или аппаратного управления, регистры общего назначения и ряд узлов, предназначенных для связи с оперативной памятью и другими устройствами компьютера, а также для ускорения выполнения операций. Помимо этого в состав ЦП входят часы астрономического времени, таймер и ряд других «системных» средств.
2.1.Система команд. Форматы команд и способы адресации
Для получения результата вычислений компьютер выполняет машинную программу, т.е. последовательность команд, в виде которой записан алгоритм обработки. Команда компьютера представляет собой двоичный код, определяющий как выполняемую операцию, так и необходимые для этого данные, или операнды. Большинство команд содержит адрес, т.е. номер регистра или ячейки памяти, где сохраняется результат выполнения операции. Помимо этого, для выполнения программы нужно также знать адрес следующей исполняемой команды.
Обычно различают следующие группы команд:
- команды арифметических операций над числами с фиксированной точкой,
- команды логических операций,
- команды арифметических операций над числами с плавающей точкой,
- команды операций ввода-вывода,
- команды управления (управления циклами, условные и безусловные переходы и т.п.) и т.д.
Каждый тип компьютера обладает собственной системой команд, т.е. в нем существует аппаратура или память микропрограмм, призванная вырабатывать управляющие сигналы для реализации командных операций. Естественно, что для выполнения конкретной программы необходим компьютер, способный выполнять команды, составляющие эту программу. При разработке новых компьютеров стремятся сохранить их преемственность; для этого компьютеры выполняют «программно совместимыми». Программная совместимость означает, прежде всего, наличие одинаковых систем команд. Однако во многих случаях систему команд «расширяют», т.е. добавляют дополнительные операции, сохраняя при этом формат команд. Это значит, что новая машина может выполнять все программы, составленные для прежних компьютеров, но программы, в которых используются дополнительные команды, не могут выполняться компьютерами старых моделей. Такую совместимость называют обратной.
Команда, или инструкция (под инструкцией часто понимают конструкцию языка более высокого уровня, но в переводной литературе этот термин используют в качестве синонима термину команда) представляет собой слово, содержащее код выполняемой операции и адреса операндов. Код команды включает несколько полей (поле – последовательность бит, содержащая определенный тип информации). Обычно команда состоит из операционной и адресной частей. В операционной части размещается код операции, а в адресной части – адреса операндов, т.е. информация о местонахождении обрабатываемых данных и получаемого результата.
Формат команды – это структура полей ее кода с указанием номеров разрядов, определяющих границы полей. В универсальных машинах, обычно код операции в команде занимал 8 разрядов, а число различных операций составляло не более 256. Остальные разряды, а команды представляли собой слово размером 16, 32 или 48 разрядов, отводились под адреса операндов.
Среди способов адресации выделяют 5 основных:
1.Прямая – в этом случае в адресном поле располагается адрес операнда. Разновидность – прямая регистровая адресация, адресующая не ячейку памяти, а РОН. Поле адреса регистра имеет в команде значительно меньшую длину, чем поле адреса памяти.