Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Принцип однородности памяти).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 81
Скачиваний: 1
Узким местом архитектура фон Неймана является совместное использование внутренней шины для данных и команд. Это обусловлено ограниченностью пропускной способности внутренней шины между процессором и памятью. Данное ограничение частично снимается использованием кэш-памяти различных уровней.
Рис.4 Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана
Микропроцессор 8086 компании Intel стал первым процессом построенные по принципам фон Неймана. Это был 16 битный процессор, содержавший набор инструкции которые применяются до сих пор в современных микропроцессорах. Он послужил основой, так называемой, архитектуры x86. Любой современный компьютер в момент запуска работает реальном режиме, который абсолютно повторяет режим работы процессора Intel 8086. И лишь в дальнейшем переходит в защищенный режим, что позволяет ему использовать все заложенные в него вычислительные возможности. Данный принцип построения позволяет обеспечить совместимость на командном уровне всех поколений процессоров. Это и стало основным преимуществом данной архитектуры и как следствие привело к широкому распространению вычислительных машин х86 совместимых.
Устройство и функции процессора
Основные функции микропроцессора включают в себя:
1. Чтение команд из памяти
2. Дешифрация команд
3. Прием и обработку прерываний от контроллеров внешних устройств.
4. Выполнение операций над данными
5. Запись результатов обработки данных в память и регистры контроллеров внешних устройств
6. Формирование управляющих сигналов для прочих устройств ПК.
Рис.5 Обобщенная структура процессора
Микропроцессор состоит из следующих блоков:
1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические операций над данными.
2. Устройство управления - обеспечивает взаимодействие устройств ПК. Выполняет следующие основные функции:
- формирует для блоков ПК в определенные моменты времени сигналы управления;
- определяет адреса ячеек памяти, используемых в выполняемой операции, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
- получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов, предназначенную для синхронизации действий различных блоков ПК.
3. Микропроцессорная память - предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в данный момент времени. Микропроцессорная память состоит из регистров и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера.
4. Интерфейс микропроцессора предназначен для связи с другими устройствами ПК и включает в себя:
- внутренний интерфейс микропроцессора;
- буферные запоминающие регистры;
- схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода - это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство).
К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей точкой. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под его управлением. В результате происходит многократное ускорение выполнения операций. Микропроцессоры, начиная с 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.
Прерывание - это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.
Характеристики процессоров
Основными характеристиками микропроцессора являются:
1. Тактовая частота - Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц и ГГц.
2. Разрядность процессора - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым выполняется операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени, и тем выше производительность компьютера.
3. Адресное пространство. Каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.
4. Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает наиболее часто используемые в данный момент времени данные. Кэш-память состоит из нескольких уровней и по сути призвана сопрягать по быстродействию различные устройства ПК, минимизируя время простоя процессора.
5. Технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора – транзисторов, чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Это повышает быстродействие за счет все более компактного размещения блоков управления различными устройствами ПК, снижает энергопотребление, а вместе с тем снижает выделение тепла и увеличивает время автономной работы портативных ПК и устройств. Переход на новую технологию сопровождается сменой процессорного «ядра».
6. Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой осуществляется передача данных между блоками и устройствами в ПК. Чем выше частота системной шины, тем больший объем данных в единицу времени поступает для обработки в процессор. Частота системной шины напрямую связана с частотой микропроцессора через так называемый «коэффициент умножения».
7. Дополнительные архитектурные решения, которые призваны повысить быстродействие микропроцессора. Все современные микропроцессоры обладают определенным набором особенностей, присущим всей продукции определенного производителя, и наследуемым новыми семействами процессоров. В числе таких особенностей специальные наборы расширенных команд, которые позволяют ускорить выполнение определенных сложных операций. Однако, для использования всей мощи таких усовершенствований требуется оптимизация ПО и ОС с учетом этих новых наборов команд. Примерами таких расширенных наборов команд служат у Intel PAE, MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4, у AMD – 3DNow! и SSE5.
Так же к таким особенностям относят всевозможные технологии:
NetBurst — суперскалярная гиперконвейерная микроархитектура;
Turbo Boost и Intel Turbo Boost 2.0– технология мгновенного кратковременного увеличения тактовой частоты процессора выше номинальной, при значительной нагрузке на процессор. Это в некотором роде легализованный производителем «разгон» процессора.
Hyper-threading - особенность технологии, это: передача работы простаивающим исполнительным устройствам, при этом ОС определяет каждое ядро процессора как два.
И многие другие, их число растет с каждым новым поколением процессоров.
Рис.6 Классификация процессоров
Микропроцессоры классифицируются по следующим показателям:
1. По числу БИС:
- Однокристальные. Весь микропроцессор размещен на одном кристалле в одной микросхеме (chip).
- Многокристальные(multi-chip). В этом случае различные блоки МП размещены на разных кристаллах. Тем самым можно повысить выход годных изделий, повышается тестируемость и ремонтопригодность МП.
2. По назначению:
- Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
- Среди, специализированных микропроцессоров, можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.
3. По виду обрабатываемых сигналов:
- Цифровые – т.е. работающие с числовыми данными.
- Аналоговые– предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
4. По количеству выполняемых программ:
• Однопрограммные (однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы:
• Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах.
• Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ .
• Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП:
a) По типу параллелизма операндов:
• Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд – это одно число.
• Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций.
• МП с набором инструкций типа SIMD (Single Instruction Multiple Data: одна инструкция – много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным.
Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMX (Intel), AltiVec (PowerPC), MDMX (MIPS), Max-2 (HP), VIS (SPARC), MVI (Alpha) и др. Причем, часто такие технологии называют SWAR (SIMD Within A Register – SIMD внутри регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как:
• Упаковка/распаковка звука, видео и изображений
• Протоколы передачи данных
• Шифрование
• Построение реалистических изображений в реальном времени