Файл: Процессор персонального компьютера . Назначение, функции, классификация процессора (Классификация).pdf
Добавлен: 04.04.2023
Просмотров: 73
Скачиваний: 1
4)Регистры - ячейки памяти, которые служат для кратковременного хранения и преобразования данных и команд. На физическом уровне регистр – совокупность триггеров, способных хранить один двоичный разряд и связанных между собой общей системой управления
5) Счетчик команд – регистр управляющего устройства компьютера содержимое, которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Счетчик команд служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти
6) Кэш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Кэш-память может быть встроена сразу в процессор или размещаться на материнской плате
7) Сопроцессор – вспомогательный процессор, предназначенный для выполнения математических и логических действий. Использование сопроцессора позволяет ускорить процесс обработки информации компьютером.
Центральный процессор - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.
Джон фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.
Этапы цикла выполнения:
Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.
Во время этого процесса, процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода - тогда адрес следующей команды может оказаться другим.
Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.
Глава 2. Виды процессоров
2.1. Процессоры семейства Intel
Первые процессоры были созданы фирмой Intel, и поэтому мы проведем обзор процессоров именно этой фирмы.
Процессор 8086/88.
Фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086. Микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое называют семейством 80x86.
Позже появился микропроцессор 8088, повторяющий архитектуру микропроцессора 8086 и имеющий 16-битные внутренние регистры, но его внешняя шина данных составляет 8 бит. Это микропроцессор стал широко популярен в связи с его применением фирмой IBM в персональных компьютерах PC и PC/XT.
Процессор 80186/88.
В 1981 г. появились микропроцессоры 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру микропроцессоров 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. А также, была расширена система команд. Но широкого распространения эти микропроцессоры, не получили.
Процессор 80286.
Следующим стал микропроцессор 80286, появившийся в 1982 году.
При разработке были учтены достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров. Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса как микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности.
Процессор 80386.
При разработке 32-битного процессора 80386 необходимо было решить две основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса (Real Adress Mode) или R-режим.
В R- режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. В этом же режиме он может выполнять 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти, ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.
Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта (в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.
Процессор 80486.
В 1989 г. Intel создала представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов в чипе. Этот чип во многом похож на 80386. Он на 100% совместим программой с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд.
Процессор i486SX
Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel значительно снизить цены на новый микропроцессор. Так как микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил для создания настольных компьютеров. В семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно - реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт
Процессор Pentium.
В то время, когда Винод Дэм начал в июне 1989 года разработку Pentium процессора, он не мог подумать, что именно этот процессор будет главным достижением фирмы Intel. Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология, позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог работать в реальной системе. И самое важное то ,что в процессе разработки и тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что и способствовало успеху проекта. В конце 1991 года, когда была завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и прохождение сигналов по подложке с целью повышения эффективности работы. Проектирование в основном было завершено в феврале 1992 года. Началось всеобщее тестирование опытной партии процессоров, в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992 года было принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium процессора. Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые позволяют выполнять более, чем одну команду за один период тактовой частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой микропроцессор суперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд. Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486 способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы Intel требовали множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды
Другое важнейшее усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение к внешней системной памяти для некоторых команд.
Процессор Intel486, например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования программного кода и данных. Процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию.
Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.
2.2. Процессоры семейства AMD
Современные процессоры AMD маркируют трехзначными и четырехзначными числами. На 2012 год для процессоров AMD самым распространенным сокетом является Socket AM3+. Socket AM3+ частично совместим с Socket AM3, поэтому процессор предназначенный для Socket AM3 сможет работать на платформе с Socket AM3+, но при работе Socket AM3+ процессора на сокете AM3 некоторые вспомогательные функции, такие как режим контроля температуры и энергосбережения не будут задействованы.
Выбирая процессор AMD, нужно обращать внимание на тактовую частоту процессора, объем кэша, тип, частоту поддерживаемой оперативной памяти и сокет.
Процессоры A-series, Athlon II и Phenom II - самые распространенные на сегодняшний день. Самым слабым процессором AMD-является A-series, его предназначение офисные конфигурации ПК.
Обладает встроенным видеоядром и оборудован для установки на сокет FM1. Его аналогом в семействе процессоров Intel можно назвать Celeron.
Процессор Athlon обладает средней мощностью, работает на сокете AM3/AM3+, новые модели работают на сокете Socket FM1. Аналог intel Pentium и Core i3/i5.
Самым мощным на сегодняшний день процессором AMD -является Phenom. Подходит для игровых конфигураций системных блоков. 6 ядерные модели Phenom по производительности сравнимы с процессорами серии Core i5-2 и Core i7 от intel.