Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Теоретические аспекты ЭВМ).pdf
Добавлен: 30.03.2023
Просмотров: 83
Скачиваний: 1
Отметим, актуальным это становится с огромным ростом быстродействия центрального процессора[11]. Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применяется только в первых ПК, становится трехшинной.
Рисунок 3 Организация связей при применении трехшинной структуры
Рассмотрим назначение шин:
– к локальной шине могут подключить центральный процессор, кэш-память;
–к шине памяти можно подключить оперативную и постоянную память компьютера;
– к системной шине подключаются все остальные устройства.
Все три шины располагают адресными линиями, линии данных, управляющие сигналы.
Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, при этом они и выполняют похожие функции.
С точки зрения самого процессора, системная шина в ПК всего одна, по ней он получит данные и команды, а магистраль передает данные в память и в устройства для ввода/вывода.
Рисунок 4 Схема работы ПК
В первом разделе рассмотрены основные понятия об аппаратной части ПК, описаны 4 принципы фон Неймана, охарактеризовано основные узлу архитектуры ПК.
Центральный процессор (центральное вычислительное устройство) — это исполнитель машинных инструкций, составная часть аппаратного обеспечения персонального компьютера или логического контроллера, который используется при программировании, отвечающая за выполнение различных арифметических операций, которые заданы программами операционной системы, а также координирующий работу абсолютно всех устройств компьютера.[10]
Центральный процессор — мозг компьютера. Его основная задача — выполнять программы, которые находятся в основной памяти.
Процессор вызывает команды из памяти ПК, определяет их тип, выполняет их одну за одной.
Компоненты соединены шиной, которая представляет собой набор связанных проводов, по ним и передаются адреса, сигналы и данные управления.
Шины бывают внешними (которые связывают процессор и память, и устройствами ввода-вывода), а также внутренними.
Современный процессор –высокотехнологическое и сложное устройство, которое включает в себя самые последние достижения области вычислительной техники, сопутствующих областей науки.[6]
Большинство процессоров состоит из:
- нескольких или одного ядер, осуществляющих выполнение инструкций;
- контроллера ОЗУ;
- нескольких уровней КЭШ-памяти (2 или три уровня), которые ускоряют взаимодействие процессора и ОЗУ;
- контроллера для системной шины (QPI, DMI, HT и т.п.);
Характеризуется процессор следующими параметрами:
- тактовой частотой;
- типом микроархитектуры;
- набором выполняемых команд;
- размерами обрабатываемых слов;
- количеством уровней для кэш-памяти, их объемом;
- скоростью и типом системной шины;
- отсутствием или наличием встроенного контроллера памяти;
- объемом адресуемой памяти;
- типом поддерживаемой оперативной памяти;
- отсутствием или наличием встроенного графического ядра;
- уровнем энергопотреблением.
Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 Упрощенная схема процессора
Ядро процессора – его основная часть, которая содержит все функциональные блоки, осуществляющая выполнение логических и арифметических команд.
На рисунке 5 приведена структурная схема ядра процессора. Как видно, каждое ядро центрального процессора состоит из таких функциональных блоков:
- блок выборки инструкций;
- блоки выборки данных;
- блоки декодирования инструкций;
- управляющий блок;
- блоки сохранения результатов;
- блоки выполнения инструкций;
- блок работы с прерываниями;
- набор регистров;
- ПЗУ, содержащий микрокод;
- счетчик команд.
Блок выборки осуществляет извлечение инструкции из памяти программы. Расположение инструкции в памяти программ определяется счетчиком команд, который хранит число и идентифицирует адрес следующей команды, которая должна быть выбрана. После того, как инструкция выбрана, счетчик команд увеличивается на длину инструкции, чтобы она содержала адрес следующей инструкции в последовательности.
За такт может считываться несколько инструкций. Количество читаемых инструкций обусловлено общим количеством блоков декодирования, поскольку необходимо в каждом такте максимально загрузить блок декодирования.
Для оптимальной работы блока декодирования выборки, в ядре процессора есть предсказатель переходов, который пытается определить, какая именно последовательность команд будет выполнена после совершения перехода.
Это также необходимо, чтобы после перехода максимально нагрузить ядро процессора.
Блоки декодирования – это блоки, что занимаются декодированием инструкций, то есть, определяют, что именно надо сделать процессору, какие дополнительные данные необходимы для выполнения инструкции. Часто одна группа битов внутри инструкции, называемая кодом операции, указывает, какая операция должна быть выполнена, а остальные поля обычно предоставляют дополнительную информацию, требуемую для операции, такую как операнды. Эти операнды могут быть определены как постоянное значение (называемое непосредственным значением) или как местоположение значения, которое может быть регистром процессора или адресов памяти.
В некоторых конструкциях процессоров блок декодирования реализован в виде зашитой неизменяемой схемы. В других случаях используется микропрограмма для преобразования инструкций в наборы сигналов конфигурации, которые применяются последовательно в течение нескольких тактов. В некоторых случаях память, в которой хранится программа, перезаписывается и это позволяет изменить способ, которым процессор декодирует инструкции.
Задачи этих блоков для большинства коммерческих процессоров, построенных на основе концепции CISC, – очень сложные. Дело в том, длина инструкций, количество операндов – нефиксированные, это сильно усложняет работу разработчикам процессоров, делает процесс декодирования задачей нетривиальной.
Часто отдельные команды приходится заменять специальным микрокодом – серией простых команд, в совокупности выполняющих такое же действие, что и 1 сложная инструкция.
Каждый набор микрокода записан в ПЗУ, встроенном в центральном процессоре. [7]
К тому же сам микрокод упрощает разработку процессоров, так как отпадает необходимость в создании сложноустроенных структур ядра для выполнения его отдельных команд, ну и исправить микрокод намного проще, чем устранять ошибку в функционировании всего блока.
В современных компьютерных процессорах, обычно, рассматривают 2-4 блока по декодирования инструкций. В процессорах типа Intel Core 2 все ядра содержит по 2 таких блока.
Блоки для выборки данных осуществляют выбор данных из кэш-памяти и ОЗУ, необходимых для реализации текущих инструкций.
Обычно, все процессорные ядра содержат несколько блоков для выборки данных. Например, для процессоров Intel Core используется 2 блока выборки данных на каждое ядро.
Управляющий блок на базе декодированных инструкций управляет функционированием блоков выполнения инструкций, также распределяет нагрузку для них, обеспечивает своевременное, верное выполнение всех инструкций. Это один из самых важных блоков ядра.
Блоки выполнения инструкций могут включать в себя несколько разных блоков [2]:
- FPU – устройство по выполнению операций;
- ALU – арифметическое логическое устройство.
Блоки для обработки расширений наборов инструкций.
Дополнительные команды используются для ускорения работы с потоками данных, дешифрования и шифрования, кодирования видео и т.д. Для этого в каждое ядро процессора вводят регистры и специальные наборы логики. Наиболее популярными расширениями для наборов инструкция являются:[3]
MMX – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для кодирования и декодирования аудио и видеоданных в потоке;
SSE – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для реализации одной и той же последовательности команд над множеством данных при распараллеливании вычислительного процесса. Все наборы команд постоянно усовершенствуются, и на теперешний момент имеются ревизии: SSE2, SSE3, SSE, SSSE3, SSE4;[8]
ATA – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для ускорения функционирования специализированного программного обеспечения, снижения энергопотребления в работе с программами. Эти инструкции используются, например, при вычислении контрольных сумм, поиска данных;
3DNow – это набор инструкций, который разработан компанией AMD, при расширении возможностей набора для инструкций MMX;
AES – набор инструкций, разработанный фирмой Intel, для ускорения выполнения приложений, использующих специальное шифрование данных.
Блок сохранения результатов дает возможность записать результат выполнения инструкции в ОЗУ с помощью адреса, указанного в обрабатываемой инструкции.[4]
Блок работы с прерываниями – выполняет одну из самых важнейших задач процессора, которая позволяет ему своевременно реагировать на разные события, прерывать ход выполнения программы и выполнять все требуемые от него команды.
Благодаря наличию прерываний, каждый процессор способен к выполнению псевдопараллельной работы, то есть, к многозадачности.
Обработка прерываний выполняется следующим образом. Процессоры перед началом каждого из циклов работы проверяет наличие специального запроса на прерывание.
Если же есть прерывание для выполнения обработки, процессор сохраняет адрес инструкции в стек, которую он должен выполнить, и данные, что получены после выполнения самой последней инструкции, далее он переходит к выполнению функций обработки прерывания.[5]
После окончания выполнения всех функции обработки прерывания, из созданного стека считываются в него сохраненные данные, а сам процессор возобновляет выполнение поставленной задачи.
Регистры – это сверхбыстрая оперативная память небольшого объема (несколько байт), входящая в состав центрального процессора, для хранения промежуточных результатов по выполненных инструкциях. Регистры процессора можно разделить на 2 типа:
– регистры общего назначения;
– специальные регистры.
Регистры для общего назначения применяются при выполнении арифметических, логических операций, специфических операций для дополнительных наборов инструкций.
Регистры специального назначения могут содержать системные данные, которые необходимы для работы процессора. К ним относятся, например, регистры для управления, регистры для системных адресов, регистры для отладки и т.п.
Счетчик команд – это регистр, содержащий адрес команд, которые процессор начнет выполнять после следующего такта работы.
Видов процессоров существует много, выпускаются они для различных целей и разными производителями. На сегодняшний день, ведущими производителями процессоров для компьютеров являются компании Intel и AMD. Независимо от производителя у каждого процессора есть целый ряд важных характеристик:
- Тактовая частота
- Разрядность обрабатываемых данных
- Размер кэш-памяти
- Количество ядер.
Тактовая частота – определяет сколько элементарных операций (тактов) выполняет микропроцессор в одну секунду. Измеряется в гигагерцах (ГГц – GHz). От тактовой частоты в значительной степени зависит быстродействие компьютера.
Но надо заметить, что утверждение «чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор» справедливо только если сравнивать между собой поколения процессоров одной марки. По данному показателю нельзя сопоставить процессоры разных производителей, т.к. при одинаковой тактовой частоте они работают с различной скоростью, поскольку на нее влияют в не меньшей степени и другие характеристики. Например, процессоры марки AMD работают на более низких тактовых частотах, чем Intel, но за один такт производят больше действий.
Разрядность процессора показывает сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Данная характеристика процессора влияет на его быстродействие. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86. Для пользователя важно знать разрядность процессора его компьютера, так как, например, программное обеспечение, рассчитанное на 64-х разрядный процессор, не может быть установлено на компьютер с 32-х разрядным процессором.
Основные функции процессора, следующие:
- выборка и чтение выполняемых команд;
- вывод данных в память или в УВВ;
- чтение данных с памяти или с УВВ;
- обработка данных, а также арифметические операции с ними;
- адресация памяти, то есть, задание адресов памяти, с которыми будет выполняться обмен;
- обработка прерываний, режима непосредственного доступа к памяти.