Файл: Понятие процессора, его назначение и функции.pdf

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что компьютерная техника окружает человека повсюду. Современная жизнь немыслима без эффективного управления информацией, что приводит к необходимости использовать компьютер. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU – CentralProcessingUnit), который исполняет основную программу.

Процессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры.

В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение на каких-либо специфических функций. 

Объектом исследования являются центральный процессор персонального компьютера.

Предмет исследования – назначение, функции и классификация центрального процессора.

Целью исследования является изучение устройства центрального процессора, рассмотрение его функций.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

1. проанализировать и описать понятие центрального процессора, его назначение и основные функции;
2. описать классификацию.

В ходе работы над темой использовались источники исследования: учебная и учебно-методическая литература, ресурсы сети Интернет.

Практическая значимость исследования определяется изучением процессора и его классификации.

Понятие процессора, его назначение и функции

Понятие процессора и его назначение

Центральный процессор (ЦП) – это главный рабочий элемент электронной вычислительной машины (ЭВМ), который выполняет команды программ и управляет действиями других ее узлов.

Современные ЦП выполняются с использованием микроэлектронной технологии.

Микропроцессор (МП) (microprocessor, processor) – это центральный процессор, выполненный на сверхбольшой интегральной схеме (СБИС). МП является устройством, реализующим выполнение программ и управляющим работой остальных узлов и устройств ПК. [3, с. 301]

Его характеристики определяют возможности и области практического использования ПК, а также их техническую совместимость. Модели микропроцессоров отличаются архитектурой, тактовой частотой и разрядностью. В частности, МП одной модели могут иметь различную тактовую частоту, задаваемую ее генератором, и, соответственно, различаться по производительности. [1, с. 171]

Физически микропроцессор представляет собой созданный по специальной технологии кристалл кремния общей площадью в 1-3 см². Этот кристалл содержит огромное количество логических элементов, эквивалентных транзисторам. [9, с. 75]

Упрощенная структура микропроцессора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Упрощенная структура микропроцессора

Основные функции показанных узлов следующие.

Схема управления выборкой команд выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию. В первых микропроцессорах было невозможно одновременное выполнение предыдущей команды и выборка следующей команды, так как процессор не мог совмещать эти операции. Но уже в 16-разрядных процессорах появляется так называемый конвейер (очередь) команд, позволяющий выбирать несколько следующих команд, пока выполняется предыдущая. Два процесса идут параллельно, что ускоряет работу процессора. Конвейер представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) записывается несколько команд, следующих за исполняемой. [5, с. 59]

Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой частоте. [5, с. 60]

Регистры — это функционально ориентированные ячейки памяти, в том числе регистр команд, накапливающий регистр и регистр последовательного управления.

Самый важный регистр – счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. Также есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства процессоров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции. [11, с. 70]

Регистр признаков (регистр состояния) занимает особое место, хотя он также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора (ССП, PSW — Processor Status Word). Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате предыдущей команды. [5, с. 61]

Схема управления прерываниями обрабатывает поступающий на процессор запрос прерывания, определяет адрес начала программы обработки прерывания (адрес вектора прерывания), обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды и сохранения в памяти текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти значениями внутренних регистров.

Схема управления прямым доступом к памяти служит для временного отключения процессора от внешних шин и приостановки работы процессора на время предоставления прямого доступа запросившему его устройству.

Логика управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.

Изначально пользователь взаимодействовал с аппаратурой компьютера на языке машинных команд, как представлено на рисунке 2а. При этом в его поле зрения отсутствовали отдельные вентили и поступающие в них сигналы. Рассмотрение велось на уровне битов, байтов, полей, кодов операций, адресов операндов и так далее. Довольно быстро специалисты обнаружили, что выполнение процессором большинства машинных команд включает в себя практически одинаковые действия.

В связи с этим в 1951 году Морис Винсент Уилкс и Кембриджского университета с целью упрощения аппаратного обеспечения компьютера предложил подход, который впоследствии получил название микропрограммирования. Для его реализации в структурную организацию вычислительной системы между цифровым логическим уровнем и уровнем машинных команд включается дополнительный микроархитектурный уровень, как представлено на рисунке 2б.

На рисунке 2б кроме микроархитектурного уровня изображены еще два дополнительных уровня в организации вычислительной системы, которые также появились позднее. Это уровень операционной системы, автоматизирующий доступ программам и пользователям ко всем ресурсам компьютера, а также уровень приложений, которые обычно обеспечивают пользователям значительно более удобный интерфейс, чем работа на уровне машинных команд или уровне операционной системы. [8, с. 304]

Рисунок 2 Схемы взаимодействия пользователя с ЭВМ

Для повышения удобства составления программ, а также для управления последовательностью выполнения действий возможности процессоров по обработке данных существенно расширены. Реальные процессоры могут выполнять сотни различных действий, не входящих в базовый набор операций. Все множество действий, которые могут быт выполнены процессором, называются системой команд.

Системой команд процессора называется набор действий над данными, которые могут быть им выполнены. Система команд процессора взаимно-однозначно связана с его моделью. [8, с. 108]

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Тактовая частота представляет собой техническую характеристику отдельных устройств компьютера, которая равна количеству тактов, управляющих работой устройства, в единицу времени. Единицей измерения тактовой частоты является герц, равный одному такту в секунду. [8, с. 77]

Тактовая частота различных процессоров, даже одой и той же модели, может изменяться в широких пределах. Например, тактовая частота процессора i8086 в зависимости от его модификации колеблется в пределах от 5 до 10 МГц.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров x86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86.

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры x86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня базовая частота материнской платы составляет 100–200 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты. Коэффициент внутреннего умножения в современных процессорах может достигать 10–20 и выше.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.