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

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня современный мир без использования персонального компьютера – практически немыслимое явление.

Стоит отметить, что мало кто задумывался, как именно построены такие элементы вычислительной техники. Также, намного меньше людей знают, насколько развитыми стали указанные аппараты на протяжении всего последних 30-40 лет.

Для самых разных категорий пользователей искусственный интеллект, персональный компьютер (ПК) являются аналогичными вещами.

Сегодня любой прорыв для компьютерных информационных технологий может встречаться очень громкими лозунгами, как процесс, что выделятся среди других особо. Люди хотят, чтобы у них был младший брат, что может соображать быстрее своих владельцев.

Процессор – главный «мозговой» узел, что выполняет программный код непосредственно в памяти ПК.

В теперешнее время в случае упоминании понятия «процессор» часто подразумевают микропроцессор – специальная электронная схема, которая может содержать непосредственно кроме процессора также и иные узлы – к примеру, кэш-память.

Актуальность для выбранной тематики повязана также и с тем, что все теперешние компьютеры не могут обходится без использования своего «мозга» – процессора, и чем он мощнее, тем и ПК является более производительным.

То есть, при подборе ПК для покупки необходимо также разбираться и в характеристиках оборудования процессора ПК и его составных частей.

Объектом курсовой работы являются принципы построения современных ЭВМ.

Предмет работы – принципы построения процессора ПК.

Цель курсовой работы является описанием главных принципов построения центрального процессора, его структуры и системы команд.

В соответствии с целью курсовой работы поставлены такие задачи:

– провести подробный анализ источников литературы по аппаратной части ЭВМ;

– дать характеристику главным принципам фон Неймана;

– выполнить ознакомление с системой команд процессора ЭВМ;

– рассмотреть структуру оборудования процессора;

– проанализировать принципы функционирования процессора.

Проблемы, что связаны с аппаратной частью всех персональных компьютеров исследовали ученые, как П.Виннер, Р.К. Малькович, В.С. Королюк.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ

1.1. Принципы Джона фон Неймана

Абсолютное большинство теперешних процессоров ЭВМ в общем основываются на различных версиях циклического процесса по обработке разной последовательной информации, изобретённых еще Дж. фон Нейманом в 1946 г. Данный ученый придумал полностью рабочие схемы для постройки ЭВМ.

В результате американец начал создавать ЭВМ для выполнения мониторинга береговой ПВО США, которая была реализована при использовании машины "ENIAС" (аббревиатура от «электронный численный интегратор и автоматический вычислитель») (рисунок 1).

Заметим тот факт, что проектируемая машина также была использована с огромным недостатком: в ней устройства вовсе не были для запоминания команд, которые были предназначены процессору.

Рисунок 1 – ЭВМ «ЭНИАК»

В 1944 году ученый выступил на конференции, где и рассказал о своей работе, в котором были использованы основные принципы организации вычислительных устройств, которые имели название "архитектура Джона фон Неймана".

Типовая схема архитектуры показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Основные компоненты ЭВМ в схеме фон Неймана

В рассмотренный состав обычной ЭВМ должны входить перечисленные составные компоненты:[5]

– арифметико-логическое устройство;

– модули памяти;

– внешние устройства разделяются: [10]

1) устройства для внешней памяти;

2) устройства для вывода и для ввода информации;

– разные управляющие устройства.

Рассмотрим все основные принципы для созданной архитектуры ученого фон Неймана:[15]

1. Принцип однородности используемой памяти компьютера – все команды, что имеются и используются при обработке данные могут быть сохранены в ячейках памяти.
2. Принципы адресности [20] подразумевает то, что основная память использует множество ячеек.
3. Принципы программного управления подразумевают то, что практически любые вычисления, которые каким-то образом могут использоваться алгоритмом в решении разного рода задач, как-то должны представляться и в программе, что состоит из некоторой последовательности выполняемых команд. Каждая из таких команд предписывает последовательность по всей совокупности операций, что далее реализуются в ЭВМ. [4]
4. Принцип использования бинарного кодирования – согласно которому, полностью все данные, а также и команды для работы с ними, кодируются при использовании бинарных цифр. Все форматы данных представляются посредством некоторой двоичной последовательности.

Опишем алгоритм функционирования любого устройства для управления данными, которое являлось предком для процессора.

В самых различных переходных архитектурах, а также с выполнением различных программных команд могут потребоваться и дополнительные этапы обработки информации.

Например, для реализации арифметических операций могут быть скорее всего востребованы дополнительные запросы по ячейках оперативной памяти ЭВМ, во время них будет производится считывание различных операндов, а записи результатов.

Также одной с самых отличительных особенностей для классической архитектуры фон Неймана являлось хранение инструкций и кода для написания операций с имеющимися данными.

Далее рассмотрим циклы по выполнению:[8]

1. Процессор выставляет некоторое специальное число, хранящееся также в его регистре, потом отдаёт памяти команды прочтения;
2. Выставленное число будет являться при этом для используемой памяти ее непосредственными адресами; а память, получив указанный конкретный адрес и операции для чтения, будет при этом выставлять содержимое, хранящееся по адресу;
3. Процессор получает заданное число, направленное с шины данных, потом его преобразовывает как обычную команду (инструкцию) с системой команд, и реализует её;
4. В случае неразличения последней команды, а именно команды перехода, процессоры увеличивают на единицу (при предположении, что такая длина для команд равна будет единице) числа, которые будут храниться в счётчике; то при этом в результате образуются адреса для выполнения всех последующих команд;[12]
5. Снова выполняется этап №1.

Рассмотренный цикл выполняется неизменно всегда, и именно он и называется процессом.

1.2. Обзор архитектуры классического ПК

Рассмотрим архитектуру ЭВМ, а именно предназначение основных ее узлов и оборудования.

Рисунок 4 – Процессор

Центральный процессор – это микропроцессор со всеми микросхемами, вспомогательными компонентами, включая и внешнюю специальную кэш-память, контроллеры для системной шины и др.(рисунок 3).

В большинстве всех случаев именно такое устройство будет осуществлять процесс обмена для системной шины.[12]

Оперативная память может занимать динамическое пространство памяти непосредственно для процессора. Но также ее объем бывает чаще всего меньше (рисунок 4).

Рисунок 4 – Оперативная память

В современных ЭВМ объем системной оперативной памяти составляет до 16 Гб. Оперативная память выполняется также на разных микросхемах и поэтому нужно ее регенерировать со временем.

Постоянная память имеет возможность использовать небольшой объем, содержать программу для начального запуска ЭВМ, описания конфигурации системы, а также другие драйверы и дополнительные программы (подпрограммы для нижнего системного уровня) при выполнении взаимодействий между системными устройствами.

Контроллер для прерываний может выполнять преобразование всех аппаратных методов и прерываний системной платы в самые разные аппаратные прерывания для процессоров, а также задают адреса для направления процесса прерывания.

Все данные режимы контроллера прерываний могут задаваться непосредственно процессором.

Контроллер для прямого доступа (рисунок 5) предназначен для принятия запросов на ПДП прямо из системной магистрали, передавать сигнал процессорам, предоставления процессором магистралей выполняет пересылку данных между блоками памяти.

Рисунок 5 – Контроллер для реализации прямого доступа

Системные устройства для ввода/вывода – устройства, которые также нужны для работы конкретного ПК, взаимодействия с стандартными такими устройствами по интерфейсам (последовательному, параллельному). Они также могут реализовываться на любой материнской схеме, а также и на платах с расширениями.[16]

Платы расширения могут устанавливаться в специальные слоты на системной магистрали, содержать разные, устройства для ввода/вывода и оперативную встроенную память.

В рассмотренном традиционном случае обмен между ячейками памяти выполняется только с максимально возможной скоростью для определенного типа процессора.

Заметим, актуальным в нынешнее время становится быстродействие непосредственно центрального процессора[3].

Таким образом, структура традиционной ЭВМ из одношинной, что используема только в самых первых ПК, является мультишинной (рисунок 6).[6]

Рассмотрим далее предназначение шин:

– к обычной шине локального масштаба могут быть подключены процессор, кэш-память;

– к шинам для памяти можно подключать постоянную и оперативную память для ПК;

– к системной шине подключаются часто все иные устройства.

Рисунок 7 – Принцип работы ЭВМ

Все 3 шины ЭВМ располагают разными адресными потоками, линиями данных, что управляют сигналами. Но состав и назначение линий для указанных шин не совпадают также между собой, но они могут при этом выполнять очень похожие функции.

В первом разделе курсовой работы рассмотрены некоторые основные определения об использовании аппаратной части ЭВМ, описаны 4 принципы Джона фон Неймана, охарактеризованы все основные узлы архитектуры ЭВМ.

2. УСТРОЙСТВО И СХЕМА КЛАССИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА

2.1. Принцип построения процессора

Центральный процессор ЭВМ является исполнителем машинных программных инструкций, составная часть аппаратного обеспечения ЭВМ или логического контроллера, используемого при написания блоков программного кода, отвечающая при выполнении самых различных арифметических и программных операций, которые могут задаваться программами из операционных систем, а также и координирующий любую работу всех устройств ЭВМ.[9]

Центральный процессор является мозгом компьютера, а его главное задание – выполнять программные продукты, находящиеся непосредственно в памяти ЭВМ.

Процессоры вызывают команды непосредственно с памяти ПК, может определять их тип, также их выполнять одну за другой. Компоненты соединены специальной шиной, что представляется набором некоторых связанных проводов, а по ним передаются адреса, сигналы и данные для управления.

Все шины разделены на внешние (связывающие процессор с памятью, а также устройствами по вводу-выводу) и внутренние.

Современным процессором является сложное и высокотехнологическое устройство, которое может в себя включать самые последние достижения для области вычислительной техники.[5]

Большинство процессоров состоит с:

• контроллера ОЗУ;
• ядер, которые осуществляют выполнение разных программных инструкций;
• контроллера для использования работы системной шины (HT, QPI и т.п.);