Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Теоретические аспекты ЭВМ).pdf
Добавлен: 30.03.2023
Просмотров: 81
Скачиваний: 1
Введение
Сегодня мир без персонального компьютера – это совсем немыслимое явление.
Но ведь мало кто задумывался об устройстве этих элементов вычислительной техники. И уж точно не знает никто, насколько умными стали эти аппараты за последние 40 лет. Для многих пользователей искусственный интеллект и персональный компьютер, который стоит на столе, – это одно и тоже самое.
Сегодня любой прорыв в компьютерных информационных технологиях встречается очень громко, как нечто, что особо выдается. Люди хотят создавать себе младшего брата, что, если еще не и думает, то хотя бы мог соображать быстрее их.
Процессор является главным «мозговым» узлом, который выполняет программный код, который находится в памяти компьютера. В настоящее время при упоминании слова «процессор» подразумевают микропроцессор – специальная микросхема, которая, кроме своего процессора может содержать также другие узлы – к примеру, кэш-память.
Процессоры в определённой последовательности выбирают из памяти некоторые инструкции и исполняют их. Инструкции процессора также предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в памяти и портах ввода/вывода данных, а также организации структур ветвления и переходов в вычислительные процессоры.
Актуальность выбранной темы повязана с тем, что современные компьютеры не могут никак обойтись без своего «сердца» - процессора, и чем он более мощный, тем ПК является производительней. То есть, для выбора ПК необходимо разбираться в характеристиках и устройстве процессора ПК.
Объектом курсовой работы является аппаратная часть ПК.
Предмет курсовой работы – устройство процессора ПК.
Целью курсовой работы является описание главных функций процессора, а также его устройство.
В соответствии с целью поставлены такие задачи:
– провести анализ литературы по компьютерной тематике;
– рассмотреть принципы фон Неймана;
– описать архитектуру ПК;
– рассмотреть основные функции и характеристики процессора;
– освоить принципы работы процессора.
Проблему аппаратной части компьютеров исследовали В.С. Королюк, Н.Виннер, Р.В. Малькович. Отметим, что в нынешнее время процессоры постоянно усовершенствуются и разработчики постоянно ищут новые подходы к повышению их функционирования.
Большинство современных процессоров персональных компьютеров в общем основываются на той или другой версии циклического процесса обработки последовательной информации. Первой работающей универсальной автоматически управляемой вычислительной машиной считается расчетно-механическая машина «Марк-1» созданная в 1944 г. Но «Марк-1» не отличался высокой производительностью, что дало толчок к дальнейшим исследованиям в области ЭВМ,
Проект первой ЭВМ, которая называлась ЭНИАК (Electronics Numerical Integrator and Computer), был разработан Дж. Моучли в США в 1942 году, и осуществлен в 1945 году в Пенсильванском университете Д. Эккертом. А позднее в 1946 году ЭНИАК был впервые публично продемонстрирован. Данная машина использовалась для управления береговой ПВО и имела в основе электронный численный интегратор автоматический вычислитель (рисунок 1). В этой машине было 18000 электрических ламп и 1500 электромеханических реле. Применение ламп повысило скорость выполнения операций в 1000 раз по сравнению с устройством «Марк-1».
Создание ЭВМ ЭНИАК считают началом компьютерной эра, посвящая ему научные симпозиумы и другие торжественные мероприятия.
Несмотря на более высокую производительность ЭВМ ЭНИАК, проектируемая машина также имела большой недостаток: в ней не было устройства для запоминания команд.
Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ были разработаны и опубликованы в 1946 г. Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическим отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства», который содержал основополагающие принципы ЭВМ [19]:
- Принцип программного управления выполнением программы
- Принцип хранимой в памяти программы.
Именно эти принципы легли в основу понятия фон-Неймановской архитектуры (рисунок 2).
Рисунок 1 ЭВМ «ЭНИАК»
В состав классической ЭВМ должны были входить такие составные устройства:[9]
– арифметико-логическое устройство;
– оперативная память;
– внешние устройства, которых делят на классы: [5]
- внешняя память;
- устройства ввода или вывода информации;
– управляющее устройство.
Рисунок 2 Состав ЭВМ по архитектуре фон Неймана
Рассмотрим основные из традиционных принципов, сформулированные фон Нейманом:[11]
- наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;
- линейная структура адресации памяти, состоящей из слоев фиксированной длины;
- двоичная система исчисления;
- централизованное последовательное управление;
- хранимая программа;
- низкий уровень машинного языка;
- наличие команд условной и безусловной передачи управления;
- АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.
Рассмотрим алгоритм функционирования управляющего устройства, которое было прообразом процессора.
В различных архитектурах и при выполнении различных команд могут требоваться дополнительные этапы. К примеру, для арифметических команд скорее всего могут потребоваться дополнительные запросы к памяти ПК, во время которых и производится считывание операндов, а также запись результатов.
Одной с отличительных особенностей архитектуры Дж. фон Неймана является хранение инструкций, а именно: инструкции и данные могут хранится в одной памяти.
Рассмотрим этапы цикла выполнения:[7]
- Процессор выставляет некоторое число, хранящееся в регистре, на шину адреса, и далее отдаёт памяти команду для чтения;
- Выставленное число при этом является для памяти ее адресом; память, получив конкретный адрес и команду для чтения, выставляет содержимое, что хранится по адресу, на шину данных, и потом сообщает о готовности к следующему шагу;
- Процессор получает число, направленное с шины данных, преобразовывает его как команду (бинарную инструкцию) из системы команд и выполняет её;
- Если же последняя команда не различается как команда перехода, процессор на единицу увеличивает (при предположении, что длина для каждой команды будет равна единице) число, которое хранится в счётчике команд; при этом там в результате образуется адрес для выполнения следующей команды;
- Снова выполняется пункт 1.
Рассмотренный цикл выполняется неизменно, именно он и называется процессом.
Рассмотрим архитектуру ПК, а именно предназначение всех узлов современного компьютера.
Центральный процессор – микропроцессор со всеми нужными вспомогательными микросхемами, включая также внешнюю кэш-память, контроллер системной шины.
В большинстве всех случаев именно это устройство осуществляет обмен с помощью системной шины.
Оперативная память может занять почти все адресуемое динамическое пространство памяти процессора.
Но чаще всего ее объем меньше. В современных ПК стандартный объем системной памяти может составлять, как правило, от 16 Гбайт. Оперативная память ПК выполняется на микросхемах памяти и поэтому со временем требует регенерации.
Постоянная память имеет небольшой объем, содержит программу для начального запуска, описания конфигурации системы, и также драйверы (подпрограммы нижнего уровня) для выполнения взаимодействия с разными системными устройствами.
Контроллер для прерываний преобразует все аппаратные прерывания системной платы в аппаратные прерывания процессоров и задает адреса для векторов прерывания.
Все эти режимы работы контроллера прерываний задаются процессором программно перед началом работы.
Контроллер прямого доступа принимает запрос на ПДП из главной системной магистрали, передает сигнал процессору, а далее предоставления процессором магистралей производит пересылку данных для памяти и устройства ввода/вывода.
Все режимы работы контроллера ПДП задаются программно перед началом работы процессором.
Использование встроенных контроллеров прерываний ПК и ПДП позволяет упростить существенно аппаратуру применяемых плат для расширения.[8]
Перестановщик байтов данных поможет производить обмен данными с 16-разрядными и 8-разрядными устройствами, пересылать даже целые слова или же отдельные байты.
Часы реального времени, таймер-счетчик – устройства для внутреннего контроля даты и времени, а также для выдержки временных интервалов, задания частоты и прочее.[5]
Системные устройства для ввода/вывода – устройства, которые нужны для работы компьютера, взаимодействия со стандартными устройствами по последовательному или параллельному интерфейсам. Они могут выполняться на материнской плате, на платах расширения.[3]
Платы расширения устанавливаются на специальные слоты (разъемы) в системной магистрали и также могут содержать устройства ввода/вывода и оперативную память.
Они могут обмениваться информацией с другими устройствами с помощью шины в режиме прерываний, программного обмена, а также в режиме ПДП.
Стоит отметить, что также предусмотрена возможность захвата шины – полного отключения от нее всех системных устройств.
Важная особенность такой архитектуры – ее полная открытость, то есть возможность подсоединения в компьютер разных дополнительных устройств: системных устройств и разнообразных плат расширения.
Открытость предполагает возможность простого встраивания любых программ пользователя на различных уровнях программного обеспечения ПК.
Первый персональный компьютер семейства, которое получило широкое распространение, IBM XT, был выполнен на основе оригинальной системной магистрали PА XT-Bus.
Далее, начиная с IBM PА AT, она была доделана до магистрали, которая стала стандартной и получившей имя ISA – Industry Standard Architecture. До недавнего времени магистраль ISA оставалась основой любого персонального компьютера.[4]
Однако, начиная с разработки процессоров i476 (в 1988 году), она не удовлетворяла требованиям производительности, ее стали дублировать быстрыми шинами: PCI (Peripheral Component Interconnect) и VLB (VESA Local Bus) или же заменять совместимой с магистралью ISA магистралью EISA.
Постепенно шина PCI вытесняла конкурентов и стала практически стандартом.
Начиная с 2000 года в самых новых компьютерах рекомендуется отказываться полностью от магистрали ISA, при этом оставляя только PCI. Отметим, что также приходится отказываться и от применения плат для расширения, разработанных за многие годы для подключения к магистралям ISA.
Другое направление по совершенствованию архитектуры персонального компьютера повязано с максимальным ускорением обмена информации с системной памятью ПК.
Именно из этой системной памяти компьютер считывает все исполняемые команды, а в системной памяти он хранит все данные. То есть процессор совершает больше всего обращений именно к памяти.[3]
Ускорение обмена для памяти приводит к ускорению работы всей вычислительной системы в целом.
При использовании памяти для обмена с системной магистралью приходится учитывать также скоростные ограничения для системной магистрали.
Системная магистраль обеспечивает сопряжение с разным числом устройств, поэтому должна она иметь довольно огромную протяженность; она требует использование выходных и входных буферов для согласования их с линиями магистрали.
Разные циклы обмена для системной магистрали сложны, ускорять их нельзя.
По результату существенного ускорения обмена процессоров с памятью по магистралях добиться невозможно.
Разработчиками тут же был предложен такой подход.
Системная память подключена не к системной магистрали, а к высокоскоростной шине, находящейся намного «ближе» к процессору, и не требующей сложных использований буферов и огромных расстояний для передачи данных.
В таком классическом случае обмен с памятью выполняется с максимально возможной скоростью для данного процессора, и системная магистраль вовсе не замедляет его.