Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик).pdf
Добавлен: 06.04.2023
Просмотров: 240
Скачиваний: 2
В целях снижения потребляемой мощности и для улучшения теплового режима сверхбольшой интегральной схемы во всех современных процессорах введена система двойного питания. Процессоры с двойным напряжением питания используют 3,3 В для питания буферов шины FSB и пониженное напряжение для питания ядра – у разных типов процессоров может изменяться от 1,4 до 2,0 В. При этом ядро работает на более высокой частоте и потребляет значительную часть мощности. Схемы преобразования уровней включаются между ядром и буферами для согласования уровней напряжения.[13]
ГЛАВА 3. ПРОЦЕССОР ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Основу ЭВМ составляет процессор – центральное обрабатывающее устройство, которое служит для логических и арифметических преобразований данных, организации обращений к оперативной памяти, внешним устройствам, управления ходом вычислительного процесса. Его задача выполнять программы расположенные в основной памяти. Для этого он извлекает команды из памяти, определяет их тип и затем последовательно выполняет их.[14]
В состав практически любого процессора входят: арифметико-логическое устройство (далее АЛУ), блок управления, быстрая память небольшого объема. АЛУ выполняет арифметические операции и логические операции. Блок управления вызывает команды из памяти и определяет их тип. Быстрая память предназначена для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Быстрая память состоит из регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Операции чтения и записи в регистровой памяти производятся очень быстро, так как они находятся внутри центрального процессора.[15]
Отдельные элементы процессора связаны между собой внутренней шиной, связь с внешними устройствами и в первую очередь с оперативной памятью осуществляется через внешнюю шину. Основных шин три – это шина данных, шина адреса и командная шина. В большинстве процессоров шина адреса 32-х разрядная, то есть состоит из 32 параллельных проводников. Комбинация из 32 единиц и нулей образует 32-х разрядный адрес, который указывает на одну из ячеек оперативной памяти. К этой ячейке подключается процессор для чтения данных из ячейки в один из своих регистров или записи в эту ячейку содержимого регистра.[16]
По этой шине данных происходит чтение и запись данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных, как правило, 64-х разрядная, то есть состоит из 64 параллельных проводников, по которым на обработку поступают сразу восемь байтов. Чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему необходимы команды. Команды также поступают в процессор из оперативной памяти, но не из области, где хранятся данные, а из области памяти, в которой хранится программный код. У большинства современных процессоров шина команд 32-х разрядная, однако, существуют процессоры и с 64-х разрядной командной шиной и с 128-и разрядной шиной.[17]
ЭВМ условно можно разделить на два блока – операционный и управляющий. Для выполнения любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого узла ЭВМ подать определенную последовательность управляющих сигналов, особым образом распределенную во времени. Блок, отвечающий за выработку последовательностей управляющих сигналов, называется устройством управления. Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит выполнение микрокоманд (преобразование информации) в операционном блоке, а также производятся операции записи в оперативную память и операции чтения из оперативной памяти. Устройства управления подразделяются на устройства управления с жесткой логикой, и устройства управления с программируемой логикой.[18]
В машине фон Неймана в качестве операционного устройства применяется АЛУ. Так как разнообразие обрабатываемых данных и выполняемых операций велико, существует не одно устройство, а целый комплекс операционных устройств, каждое из которых выполняет свое подмножество команд. Выделяют операционные устройства: логических операций, целочисленной арифметики, десятичной арифметики, чисел с плавающей запятой и другие. В общем варианте арифметико-логическое устройство должно содержать узлы для реализации основных логических операций, операций сдвига, инвертирования, и сложения чисел в формате с фиксированной запятой. Используя этот набор, имеется возможность с помощью программного способа обеспечить выполнение всех логических и арифметических операций для чисел с фиксированной запятой, а также и для других форм представления информации. Однако подобный способ не позволяет добиться высокой скорости производимых вычислений и поэтому количество функциональных узлов в составе АЛУ постоянно возрастает.[19]
Набор функциональных элементов, из которых строятся структуры различных операционных устройств, называется структурным базисом. Структурный базис операционных устройств включает в себя регистры, шины и комбинационные схемы. Регистры предназначены для хранения слов данных. Шины связывают регистры и предназначены для передачи слов данных. Комбинационные схемы производят вычисления в зависимости от управляющих сигналов устройства управления. Таким образом, выполнение команды сводится к нескольким операциям пересылки из регистра в регистр и если это необходимо, преобразование пересылаемых слов на комбинационных логических схемах. Регистры предназначены для хранения двоичных слов. Регистр представляет собой линейку триггеров, при подаче на входы которых определенной комбинации сигналов, выходы меняют свое состояние. Регистры могут быть явно программно-видимыми, видимыми косвенно, внутренними (например, регистр адреса памяти и регистр для обмена данными с памятью, регистры для хранения внутренних результатов). Шины представляют собой набор параллельных проводников. Предназначены для связи между собой различных устройств и передачи данных между адресатами параллельным кодом. Арифметико-логическое устройство – это комбинационная схема, которая не содержит внутри элементов памяти. Она принимает на вход два операнда (например, содержимое двух регистров) и формирует на выходе результат операции. Большинство процессоров содержат одну общую схему для выполнения операций И, ИЛИ и сложения над двумя машинными словами. Такая схема для i-разрядных слов состоит из i одинаковых схем для каждой битовой позиции.[20]
Выше описанное устройство является устройством с жесткой структурой. Более широко применяются операционные устройства с магистральной структурой. В операционных устройствах с магистральной структурой все регистры объединены в единый блок регистров общего назначения, а все комбинационные схемы в операционный блок, который также ассоциируется с определением арифметико-логическое устройство. Операционный блок и блок регистров общего назначения объединяются между собой с помощью магистралей, поэтому и появилось название – магистральное операционное устройство.[21]
Устройство управления микропроцессора осуществляет функции управления ходом вычислительного процесса, осуществляя автоматическую выборку и выполнение команд программы. Входной информацией для устройства управления является:[22]
- тактирующие сигналы, с поступлением каждого сигнала устройство управления выполняет одну или несколько микроопераций;
- код операции, он поступает из регистра команд и применяется для того, чтобы определить, какие микроопераций должны выполняться в данный момент времени;
- флаги, нужны для определения состояния процессора, что необходимо для исполнения команд перехода по определенному условию;
- сигналы, поступающие из системной шины, они нужны для обслуживания прерываний и осуществления прямого доступа к памяти.
Микропрограммный автомат, в свою очередь, формирует следующую выходную информацию:
- внутренние сигналы управления, для перемещения операндов из регистра в регистр и инициации работы операционных устройств;
- формирование сигналов на системной шине, для управления памятью и устройствами ввода-вывода.
Элементарные действия, выполняемые устройством управления в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями. Совокупность одновременно выполняющихся микроопераций образует микрокоманду. Набор микрокоманд, определяющий порядок выполнения машинного цикла, составляет микропрограмму. Устройство управления (микропрограммный автомат) определяет микропрограмму как определенную последовательность исполнения микроопераций.
В структуре устройства управления можно выделить две составляющие части – адресную и управляющую. Адресная часть необходима для формирования адресов команд и адресов операндов в основной памяти. Управляющая часть отвечает за координацию работы адресной части, операционного блока, основной памяти и других входящих в состав ЭВМ устройств.
В состав управляющей части входят микропрограммный автомат, регистр команд, узел прерываний и приоритетов. Микропрограммный автомат осуществляет декодирование команды и формирует определенную последовательность микрокоманд. От того, каким способом происходит формирования микрокоманд, различают микропрограммные автоматы с жесткой логикой и микропрограммные автоматы с программируемой логикой.
В состав адресной части устройства управления входят операционный узел устройства управления, счетчик команд и регистр адреса. Регистр адреса предназначен для хранения адресов операндов, а счетчик команд предназначен для формирования и хранения адресов команд. Содержимое этих регистров пересылаются в регистр адреса основной памяти. Операционный узел устройства управления осуществляет обработку адресных частей команд и формирует исполнительные адреса операндов. При выполнении команд перехода операционный узел устройства управления подготавливает адрес следующей команды. Операционный узел устройства управления иногда совмещают с основным операционным устройством.[23]
Название всего устройства управления определяется типом используемого микропрограммного автомата. В микропрограммном автомате с жесткой логикой управляющие выходные сигналы формируются с помощью определенным образом спроектированных и единожды соединенных логических схем. Микропрограммный автомат с программируемой логикой отличается от микропрограммного автомата с жесткой логикой наличием памяти микропрограмм. Для каждой команды вычислительного устройства в этой памяти соответствует своя микропрограмма. Микропрограммирование сигналов управления предложил британский ученый Морис Уилкс в 1951 году. В ЭВМ появились три уровня выполнения команд – между сигналами управления и командами появилась микропрограмма. Любая команда интерпретировалась в микропрограмму. Аппаратное обеспечение микропроцессора выполняло только микропрограммы с ограниченным набором микрокоманд, соответственно при этом значительно уменьшались аппаратные затраты. В конце 60-х годов идея о том, что программа должна сначала интерпретироваться микропрограммами, и только затем выполняться непосредственно электроникой, стала преобладать у большинства производителей. Но в современных микропроцессорах отказались от идеи микропрограммирования, так как она стала сдерживать рост производительности, притом, что аппаратные затраты стали значительно менее существенны.[24]
ГЛАВА 4. АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ КОМАНД
По мере развития вычислительной техники появлялись различные архитектуры системы команд, в определенное время некоторые из них становились основными.
Анализируя архитектуры команд необходимо выделить два существенных момента. Первый момент – это состав операций, которые выполняются вычислительной машиной и их сложность. Второй момент – это где хранятся операнды, что влияет на длину адресов и их количество в адресной части команды.[25]
При современном подходе к технологии программирования в основном ориентируются на языки высокого уровня. Основная цель при этом – облегчить процесс написания программы. При этом переход к программированию на языках высокого уровня породил серьезную проблему – сложные операторы очень сильно отличаются от простых машинных операций, которые реализуются в большинстве вычислительных машин. Эта проблема получила название семантическою разрыва. Следствием семантического разрыва является неэффективное выполнение программ на ЭВМ. С целью преодолеть семантический разрыв, в настоящее время разработчики микропроцессоров выбирают один из трех подходов и как следствие один из трех типов архитектуры системы команд: