Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции. Классификация процессора..pdf

1.2 Характеристики процессора

Процессор (микропроцессор) - это программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем. Процессор состоит из ряда компонентов; устройства управления, арифметическо –логического устройства, сопроцессора, регистра общего назначения, кэш-памяти, шины данных, генератора тактовых сигналов, контролера прерываний и других устройств. Характеристики для процессора имеют важное значение. Тактовая частота – это основная характеристика процессора, которая определяет его возможности и производительности системы в целом. Процессоры выпускаются в виде линеек моделей (семейств) и отличаются тактовой частотой и свойственным только им характеристикам, в том числе количеством элементарных операций (тактов), которые процессор выполняет в определенный промежуток времени (секунду) . Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц). Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Это утверждение верно для одного поколения процессоров, поскольку в разных моделях процессоров для выполнения определенных действий надо разное количество тактов. Тактовая частота процессора состоит из двух факторов: частотой системной шины и внутренней тактовой частотой (множитель процессора). Параметры частоты процессора зависят от системного плата (чипсета). Системные платы могут иметь различные частоты , от 256 до 800 мегагерц (МГц). Процессор с микросхемой, называется генератором тактовой частоты (ГТЧ). Генератор тактовой частоты вырабатывает импульсы, которые синхронизируют работу всех устройств компьютера. В процессоре находится много миллионов транзисторов. Транзисторы в процессоре располагаются на определенном расстоянии в зависимости от технологии производства . Чем меньше размер транзистора , чем меньше шаг , меньше тепловыделение и в результате увеличивается частота процессора. Разрядность – это количество двоичных разрядов (битов) информации, которое обрабатывается за один такт. Разрядность также определяет количество двоичных разрядов, которое может быть использовано в процессоре для адресации оперативной памяти. К примеру, разрядность регистра 2 байта – 16 бит, то разрядность центрального процессора - 16 бит. Ячейка – это группа последовательных байтов, впитывающую информацию, которая обрабатывается отдельной командой процессора. Информация, находящаяся в ячейке – память называется машинным словом. Ячейка с памятью равна размеру машинного слова разрядности процессора. Обмен информацией между центральным процессором и внутренней памятью производится машинными словами. Ячейка с информацией соответствует байту с наименьшим номером входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек начинается с нуля. Адреса ячеек соответствуют количеству байтов в машинном слове, получается , что ячейка – сохраняет информацию, машинное слово - информация в ячейке. По шине передает адресный код – двоичное число , который обозначает адрес ячейки памяти, внешнего устройства , куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство –это диапазон адресов к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит п- бит, то размер адресного 2n байт. Размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине. Процессор совмещает несколько последовательно расположенных команд во времени , образуя конвейерную обработку и разделяют команды на этапы: прочитать из памяти часть программы, определить длину инструкции (определить код операции), найти адрес ячейки памяти , если используется в данной команде. Выполнить команду. Сохранить полученный результат. Каждый этап называется ступенью, получается пяти ступенчатый конвейер. При конвейерной обработке на выполнение каждого этапа отводится один такт тактовой частоты. В каждом такте заканчивается выполнение одной команды и начинается выполнение другой, этот процесс называется поточной обработкой. Общее время выполнения команды в конвейере с пятью ступенями будет составлять пять периодов тактовой частоты. Конвейеризация повышает производительность процессора, но не сокращает время выполнения отдельной команды. Суперскалярный процессор имеет два конвейера. Суперконвейерный процессор выполняет более пяти этапов в конвейере .Такое решение повышает производительность центрального процессора . Все инструкции могут выполняться параллельно , за исключением операцией с плавающей точкой и команд переходов. Суперскалярный и суперконвейерный выполняют от двух конвейеров и до более пяти этапов в конвейере. Конвейер оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ, которые могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов. Встроенными устройствами центрального процессора являются: ядро, кэш-память и шина. Ядро процессора выполняет инструкции. Операнды инструкций хранятся в регистрах. Размер регистров определяет разрядность процессора. Ядро размещено в центре микросхемы. Один и тот же тип процессора может быть построен на различных ядрах. В настоящее время у нас имеются многоядерные системы: два. четыре, шесть, восемь ядер на одном кристалле. Кэш-память – высокоскоростная статическая (SRAM) память , используется для ускорения доступа к данным , хранящимся в более медленной, но дешевой динамической (DRAM) памяти. Ускорение доступа производится , когда процессор многократно обращается к одним и тем же данным или командам программы. Кэш сохраняет последние данные я команды, и процессор быстро считывает их из кэша. Кэш является своего рода буфером согласующим быстрый процессор и относительно медленную оперативную память, что значительно ускоряет процесс обработки данных. Есть два типа L1, L2. Кэш L1 интегрирован в кристалл процессора и является его частью. В нем размещаются инструкции процессора и данные для этих инструкций. Большой кэш L1 очень полезен в условиях многозадачности, так как он хранит так называемый контекст задач, т.е информацию , необходимую для переключения на эти задачи . Кэш L2 служит для компенсации разницы частоты работы процессора, находится она на материнском плате или в корпусе процессора, отдельно от его ядра. Основным его параметром является размер : чем он больше , тем быстрее работает система. Кэш позволяет повысить производительность за счет уменьшения случаев ожидания поступления из более медленной оперативной памяти. Нужные команды и данные берутся из более быстрого кэша, куда заранее заносятся. Использование двух типов исключает конфликты при считывании информации, идет одновременное считывание. Связь с другими устройствами на системной плате, в частности с основной памятью, осуществляется через шину процессора. Основная память с процессором находится на одной шине, которая называется системной. Процессор с другими устройствами осуществляет связь на системной плате, к примеру с основной памятью через шину процессора . Процессор и основная память находится на одной шине. Процессор , имея собственную шину повышает производительность. Сопроцессор специальный блок для операций с плавающей точкой. В процессоре еще имеются ряд основных частей; блок предсказания ветвлений, блок вычислений с плавающей точкой, средства обнаружения ошибок центрального процессора, контроль ветвлений программы. Программы встречаются с условным и безусловным переходом , после получения адреса декодирования, процессор с нового адреса считывает данные. Если нет адреса, то конвейер простаивает. Подобные явления могут встречаться, чтобы снизить имеющие место ветвления программы, переходы, встречающиеся в программе, фиксируются в буфере адресов переходов. Процессор в соответствии с инструкцией перехода проверяет наличие адреса в буфере и начинает чтение программы с этого адреса. Безусловный переход создает таблицу переходов, процессор решает будет произведен переход или нет, и начинает выполнение инструкций с предсказанного адреса – так называемое опережающее исполнение. В случае, если адрес предсказан неверно, то все выполнение прекращается, конвейер очищается и начинается исполнение с правильного адреса. Правильный прогноз в современных процессорах достигает от 70 до 90 процентов. Блок предсказания перехода адреса позволяет повысить производительность за счет экономии времени предсказания возможных путей выполнения, разветвляющего алгоритма. Блок вычислений с плавающей точкой обеспечивает выполнение операций с плавающей точкой и мультимедийных операций. Этот блок имеет отдельный конвейер, потому что ,такие операции могут выполняться только в одном конвейере. Все процессоры имеют свою визитную карточку – инструкцию, которая помогает индентифицировать процессор т.е выдает имя фирмы разработчика, тип семейства, модель и версию процессора, а также показывает его основные свойства. В центральном процессоре присутствуют устройства для самотестирования для проверки работоспособности большинства элементов процессора. Специальный формат данных: бит четности т.е каждому операнду добавляется бит четности, в результате все числа становятся четными, появление нечетного числа, говорит о том, что произошел сбой при работе процессора. При выборе CPU перед многими встает извечный вопрос - какой марки процессор лучше - Intel или AMD? Если говорить о сравнении производительности, то следует учитывать, для каких целей приобретается компьютер. Если сопоставлять одинаковые процессоры, то при работе в ресурсоемких мультимедийных приложениях показатели Intel будут выше, чем у AMD, но в играх, зачастую, AMD обгоняют Intel. Согласно исследованиям, производительность процессоров Intel высшего диапазона цен (то есть самых дорогих) больше, чем аналогичных по стоимости AMD. Среди средних по стоимости CPU показатели производительности у этих двух марок будут примерно равны. А в низшем, бюджетном диапазоне, лидирует AMD. Если выбор остановлен на линейке Intel Core i3 - i7, следует определить перечень нужд, для которых будет использоваться компьютер. Например, Intel Core i3 530 и 540 показали хороший прирост производительности в сравнении с их предшественниками Core 2 Duo, хотя ценовой уровень примерно схож. Модели Core i5 больше ориентированы на средние и высокие запросы пользователя, например, серия 600 со встроенной графикой подойдет для офисной работы, а 4-ядерник 750 серии - для домашнего мультимедийного центра и не самых ресурсоемких игр. Процессоры Core i7, например, 680 серии, удовлетворят и достаточно высокие запросы в плане работы мультимедийных приложений и требовательных игр. А если средства позволяют, можно приобрести и более дорогие и производительные модели, но тогда и покупка материнской платы выйдет значительно дороже. Что касается марки AMD, допустим, если сравнивать топовые серии FX и Phenom II, тесты показали, что новинка хоть и обошла по производительности более старую модель, но не очень значительно. Поэтому, останавливать выбор на AMD есть смысл, если вы не работаете в требовательных к ресурсам мультимедийных приложениях, а для средне- и малонагружаемых систем недорогие процессоры AMD подойдут как нельзя лучше. Если говорить о корректности сравнения различных моделей процессоров, часто бывает так, что при схожих технических характеристиках одни показатели будут выше, другие - ниже, поэтому выбор следует основывать, исходя из своего бюджета и потребностей. Операцион­ных системы также не стоят на месте и постоянно обновляются. В состав операционных систем и новых версий уже существующих операционных систем вошли и другие структурные элементы, которые внесли изменения в эти системы. Совре­менные операционные системы отвечают требованиям постоянно развивающего­ся аппаратного и программного обеспечения. Они способны управлять работой многопроцессорных систем, работающих быстрее обычных машин, высокоскоро­стных сетевых приспособлений и разнообразных запоминающих устройств, чис­ло которых постоянно увеличивается. Операционные системы также имеют свои характеристики. Операционная система – это компьютерные программы. Программа отдает процессору команды. Отличи­ем может являться назначение этой программы. Операционная система указывает про­цессору, как использовать другие системные ресурсы и как распределять время при исполнении других программ. Но для того, чтобы реализовать действия, предписываемые операционной системой, процессор должен приостановить рабо­ту с ней и перейти к выполнению других программ, т.е операцион­ная система уступает управление процессору, чтобы он смог выполнить некото­рую работу, а затем возобновляет контроль ровно настолько, чтобы подготовить процессор к следующей части работы. Операционная система определяет , в какое время исполняющаяся программа может использовать нужные ей уст­ройства ввода-вывода, и управляет доступом к файлам и их использованием. Процессор также является ресурсом, поэтому операционная система должна оп­ределить, сколько времени он должен уделить исполнению той или иной пользо­вательской программы. В многопроцессорной системе решение должно быть принято по отношению ко всем процессорам. Система ASMP подходит к работе на асимметричном оборудовании, процессор, к которому подключен сопроцессор, или на двух процессорах, совместно использующих не всю доступную память. Такую операционную систему трудно сделать переносимой. Аппаратура разных производителей, и даже разные версии аппаратуры одного производителя, имеет тенденцию различаться по типу и степени асимметрии. Либо производители оборудования должны ориентироваться на одну операционную систему, либо саму систему придется постоянно переделывать для каждой аппаратной платформы. Системы с симметричной мультипроцессорной обработкой (SMP - Symmetric MultiProcessing,) позволяют коду операционной системы выполняться на любом свободном процессоре или на всех процессорах одновременно, причем каждому из процессоров доступна вся память. Такой подход полнее реализует возможности нескольких процессоров, так как сама операционная система может использовать значительную часть процессорного времени компьютера, в зависимости от того, какие приложения на нем исполняются. Исполнение операционной системы только на одном процессоре, как в случае ASMP, может сильно загружать его, в то время как остальные простаивают, что уменьшит производительность системы. При увеличении числа процессоров в системе возрастает вероятность того, что узким местом станут именно действия, выполняемые самой операционной системой. Системы SMP сокращают время простоя из-за неисправностей, так как при сбое одного процессора код операционной системы может исполняться на других процессорах. Основная или оперативная память компьютерных систем используется для хранения команд и данных, как операционной системы, так и прикладных программ. Ее объем в современных системах достигает нескольких гигабайт. Скорость работы оперативной памяти в несколько раз ниже скорости работы процессора, поэтому для высокой производительности системы требуется наличие кэш-памяти. Оперативная память является дефицитным ресурсом в вычислительных системах. Проблема усложняется при переходе к мультизадачным системам, так как в них память одновременно используют несколько программ. Эффективное распределение ресурса памяти между программами не может быть статическим, то есть производиться предварительно до пуска программы. В процессе обработки программ потребности в ресурсе памяти отдельных программ изменяются, что заранее не может быть учтено. Необходимо распределять память между программами динамически непосредственно в ходе вычислительного процесса, то есть осуществлять динамическое распределение памяти. Один из способов динамического распределения памяти основан на использовании базовых регистров. При выполнении программы реальный или физический адрес образуется суммированием базового и относительного адресов. Недостатки в распределении памяти отсутствуют в виртуальной памяти со страничной организацией. Виртуальная память есть способ организации памяти мультипрограммной вычислительной системы, при котором достигается гибкое динамическое распределение памяти, устраняется ее фрагментация и создаются значительные удобства для работы программистов. Это удается достигнуть без заметного снижения производительности машины ценой усложнения аппаратуры и операционной системы и процессов их функционирования. Принцип виртуальной памяти предполагает, что программа имеет дело не с физической памятью, действительно работающей в составе вычислительной системы и имеющей некоторую фиксированную емкость, а с виртуальной памятью, объем которой равен всему адресному пространству. Ни для кого не секрет, что некоторые компании, не желая нарушать привычный ритм работы, намеренно или нет, упускают из виду важность своевременного обновления программных и технических средств. Компания Microsoft открыто заявляет о дальнейших намерениях обновления версий операционных систем 7 и 8.1, и начала использования 10-й версии программного обеспечения. В этот отрезок времени важные обновления безопасности Windows 7 и Windows 8.1 будут адресоваться этим конфигурациям, и будут выходить, если не станут представлять риска для надежности и совместимости платформ Windows 7 и 8.1 на других устройствах.

Компьютеры с повышенными способностями, т.е. суперкомпьютеры – это многомашинные и многопроцессорные комплексы, обслуживающие общую совокупность внешних устройств, общую память и иногда распределенные среди разных городов и даже стран мира.

Суперкомпьютеры используют в ситуациях, когда необходимо обработать большой объем данных в короткий промежуток времени. а выбор процессора зависит не только бренда и популярности, но и от технических характеристик системной платы. И не нужно забывать, что всё комплектующие ПК связанны между собой материнской системной платой.
 

2. Назначение и функции процессора

Центральный процессор (ЦП) - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией. Современные процессоры и микропроцессоры предназначены для автоматического выполнения программы. Центральный процессор выполняет следующие основные функции: чтение и дешифрацию команд из основной памяти, чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств, прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств, обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств, выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера. Арифметико-логическое устройство - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Устройство управления - координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции: формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов. Микропроцессорная память - предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистр представляет собой цифровую электронную схему, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд. Программист обратиться к этому регистру не может. Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя: внутренний интерфейс микропроцессора; буферные запоминающие регистры; схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. Блок –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  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. Читаются эти команды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер (это память типа FIFO, First In — First Out, первый вошел — первый вышел). Правда, если выполняемая команда предполагает переход не на следующую ячейку памяти, а на удаленную (с меньшим или большим адресом), конвейер не помогает, и его приходится сбрасывать. Но такие команды встречаются в программах сравнительно редко.Развитием идеи конвейера стало использование внутренней кэш-памяти процессора, которая заполняется командами, пока процессор занят выполнением предыдущих команд. Чем больше объем кэш-памяти, тем меньше вероятность того, что ее содержимое придется сбросить при команде перехода. Понятно, что обрабатывать команды, находящиеся во внутренней памяти, процессор может гораздо быстрее, чем те, которые расположены во внешней памяти. В кэш-памяти могут храниться и данные, которые обрабатываются в данный момент, это также ускоряет работу. Для большего ускорения выборки команд в современных процессорах применяют совмещение выборки и дешифрации, одновременную дешифрацию нескольких команд, несколько параллельных конвейеров команд, предсказание команд переходов. Арифметико-логическое устройство  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 арифметико-логическое устройство не участвует в ее выполнении. Производительность процессора определяет быстроту арифметико-логического устройства. Здесь важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется арифметико-логическое устройство, 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 арифметико-логического устройства на более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых арифметико-логического устройства команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-процессоры). Другой путь повышения производительности процессора - использование нескольких параллельно работающих арифметико-логических устройств. С операциями над числами с плавающей точкой, в системах на базе первых процессоров их реализовали последовательностью более простых команд, специальными вычислителями – математическими сопроцессорами, которые на время команд заменяли основной процессор. В современных микропроцессорах математические сопроцессоры входят в структуру как составная часть. Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и арифметико-логического устройства называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.По отношению к назначению внутренних регистров существует два основных подхода. Первого придерживается, например, компания Intel, которая каждому регистру отводит строго определенную функцию. С одной стороны, это упрощает организацию процессора и уменьшает время выполнения команды, но с другой — снижает гибкость, а иногда и замедляет работу программы. Например, некоторые арифметические операции и обмен с устройствами ввода/вывода проводятся только через один регистр — аккумулятор в результате при выполнении некоторых процедур может потребоваться несколько дополнительных пересылок между регистрами. Второй подход состоит в том, чтобы все регистры сделать равноправными, как, например, в 16-разрядных процессорах Т-11 фирмы DEC. При этом достигается высокая гибкость, но необходимо усложнение структуры процессора. Регистр признаков 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. Например, есть бит нулевого результата, который устанавливается в том случае, когда результат выполнения предыдущей команды — нуль, и очищается в том случае, когда результат выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) используются командами условных переходов, например, командой перехода в случае нулевого результата. В этом же регистре иногда содержатся флаги управления, определяющие режим выполнения некоторых команд. Схема управления 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 (в стеке) текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти (из стека) значениями внутренних регистров. Схема управления прямым доступом 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. В ходе работы процессора схема выборки команд выбирает последовательно команды из памяти, затем эти команды выполняются, причем в случае необходимости обработки данных подключается арифметико-логические устройства. На входы арифметико-логического устройства могут подаваться обрабатываемые данные из памяти или из внутренних регистров. Во внутренних регистрах хранятся также коды адресов обрабатываемых данных, расположенных в памяти. Результат обработки в арифметико-логическое устройство изменяет состояние регистра признаков и записывается во внутренний регистр или в память. При необходимости информация может переписываться из памяти (или из устройства ввода/вывода) во внутренний регистр или из внутреннего регистра в память (или в устройство ввода/вывода). Внутренние регистры любого микропроцессора обязательно выполняют две служебные функции: определяют адрес в памяти, где находится выполняемая в данный момент команда, определяют текущий адрес стека. В разных процессорах для каждой из этих функций может отводиться один или два внутренних регистра. Эти два указателя отличаются от других не только своим специфическим, служебным, системным назначением, но и особым способом изменения содержимого. Их содержимое программы могут менять только в случае крайней необходимости, так как любая ошибка при этом грозит нарушением работы компьютера, зависанием и порчей содержимого памяти. Память микропроцессорной системы выполняет функцию временного или постоянного хранения данных и команд. Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми (например, 8, 16, 32, 64). Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных.  Оперативная память общается с системной магистралью в циклах чтения и записи, постоянная память — только в циклах чтения. Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS) и сигналы разрешения записи в память (WR). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти. В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции: память программы начального запуска всегда выполняется на ПЗУ или флэш-памяти. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET, память для стека или стек (Stack) — это часть оперативной памяти, предназначенная для временного хранения данных в режиме LIFO (Last In — First Out). Особенность стека по сравнению с другой оперативной памятью — это заданный и неизменяемый способ адресации. При записи любого числа (кода) в стек число записывается по адресу, определяемому как содержимое регистра указателя стека, предварительно уменьшенное (декрементированное) на единицу (или на два, если 16-разрядные слова расположены в памяти по четным адресам). При чтении из стека число читается из адреса, определяемого содержимым указателя стека, после чего это содержимое указателя стека увеличивается (инкрементируется) на единицу (или на два). В результате получается, что число, записанное последним, будет прочитано первым, а число, записанное первым, будет прочитано последним. Такая память называется LIFO или памятью магазинного типа. В системе команд любого процессора для обмена информацией со стеком предусмотрены специальные команды записи в стек (PUSH) и чтения из стека (POP). В стеке можно прятать не только содержимое всех внутренних регистров процессоров, но и содержимое регистра признаков. Это позволяет, например, при возвращении из подпрограммы контролировать результат последней команды, выполненной непосредственно перед вызовом этой подпрограммы. Можно также хранить в стеке и данные, для того чтобы удобнее было передавать их между программами и подпрограммами. В общем случае, чем больше область памяти, отведенная под стек, тем больше свободы у программиста и тем более сложные программы могут выполняться. Следующая специальная область памяти — это таблица векторов прерываний. Понятие прерывания довольно многозначно. Под прерыванием в общем случае понимается не только обслуживание запроса внешнего устройства, но и любое нарушение последовательной работы процессора. Любое прерывание обрабатывается через таблицу векторов (указателей) прерываний. В этой таблице в простейшем случае находятся адреса начала программ обработки прерываний, которые и называются векторами. Длина таблицы может быть довольно большой (до нескольких сот элементов). Обычно таблица векторов прерываний располагается в начале пространства памяти (в ячейках памяти с малыми адресами). Адрес каждого вектора (или адрес начального элемента каждого вектора) представляет собой номер прерывания. В случае аппаратных прерываний номер прерывания или задается устройством, запросившим прерывание (при векторных прерываниях), или же задается номером линии запроса прерываний (при радиальных прерываниях). Процессор, получив аппаратное прерывание, заканчивает выполнение текущей команды и обращается к памяти в область таблицы векторов прерываний, в ту ее строку, которая определяется номером запрошенного прерывания. Затем процессор читает содержимое этой строки (код вектора прерывания) и переходит в адрес памяти, задаваемый этим вектором. Начиная, с этого адреса в памяти должна располагаться программа обработки прерывания с данным номером. В конце программы обработки прерываний обязательно должна располагаться команда выхода из прерывания, выполнив которую, процессор возвращается к выполнению прерванной основной программы. Параметры процессора на время выполнения программы обработки прерывания сохраняются в стеке. Прерывание в случае аварийной ситуации обрабатывается точно так же, только адрес вектора прерывания (номер строки в таблице векторов) жестко привязан к данному типу аварийной ситуации. Программное прерывание тоже обслуживается через таблицу векторов прерываний, но номер прерывания указывается в составе команды, вызывающей прерывание. В более сложных случаях в таблице векторов прерываний могут находиться не адреса начала программ обработки прерываний, а так называемые дескрипторы (описатели) прерываний. Но конечным результатом обработки этого дескриптора все равно будет адрес начала программы обработки прерываний. Есть еще одна специальная область памяти микропроцессорной системы — это память устройств, подключенных к системной шине. Такое решение встречается нечасто, но иногда оно очень удобно. То есть процессор получает возможность обращаться к внутренней памяти устройств ввода/вывода или каких-то еще подключенных к системной шине устройств, как к своей собственной системной памяти. Обычно окно в пространстве памяти, выделяемое для этого, не слишком большое. На проблеме разделения адресов памяти и адресов устройств ввода/вывода. Существует два основных подхода к решению этой проблемы: выделение в общем адресном пространстве системы специальной области адресов для устройств; ввода/вывода, полное разделение адресных пространств памяти и устройств; ввода/ вывода. Первый подход хорош тем, что при обращении к устройствам ввода/ вывода процессор может использовать те же команды, которые служат для взаимодействия с памятью.  Второй подход состоит в том, что память занимает все адресное пространство микропроцессорной системы. Для общения с устройствами ввода/вывода применяются специальные команды и специальные стробы обмена на магистрали.  Устройства ввода/вывода обмениваются информацией с магистралью по тем же принципам, что и память. Наиболее существенное отличие с точки зрения организации обмена состоит в том, что модуль памяти имеет в адресном пространстве системы много адресов (до нескольких десятков миллионов), а устройство ввода/вывода обычно имеет немного адресов (обычно до десяти), а иногда и всего один адрес.  Модули памяти системы обмениваются информацией только с магистралью, с процессором, а устройства ввода/вывода взаимодействуют еще и с внешними устройствами, цифровыми или аналоговыми. Поэтому разнообразие устройств ввода/вывода неизмеримо больше, чем модулей памяти. Часто используются еще и другие названия для устройств ввода/ вывода: устройства сопряжения, контроллеры, карты расширения, интерфейсные модули. Объединяют все устройства ввода/вывода общие принципы обмена с магистралью и, соответственно, общие принципы организации узлов, которые осуществляют сопряжение с магистралью. При обращении со стороны магистрали селектор адреса распознает адрес, приписанный данному устройству ввода/вывода. Схема управления выдает внутренние стробы обмена в ответ на магистральные стробы обмена. Входной буфер данных обеспечивает электрическое согласование шины данных с этим устройством (буфер может и отсутствовать). Данные из шины данных записываются в регистр по сигналу С и выдаются на внешнее устройство. Выходной буфер данных передает входные данные с внешнего устройства на шину данных магистрали в цикле чтения из порта. Устройства ввода/вывода для длительного хранения информации обеспечивают сопряжение микропроцессорной системы с дисководами (компакт-дисков или магнитных дисков), а также с накопителями на магнитной ленте. Применение таких устройств существенно увеличивает возможности микропроцессорной системы в отношении хранения выполняемых программ и накопления массивов данных. В простейших контроллерах эти устройства отсутствуют.

3. Классификация процессоров персонального компьютера

Сфера применения компьютера постоянно расширяется.  В широком понимании всякий компьютер рассматривается как преобразователь информации. Все персональные компьютеры работают на специальной схеме – микропроцессорах. Микропроцессор - это программно управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессами этой обработки, выполненной в виде одной или нескольких интегральных схем с высокой степенью интеграции электронных компонентов. Микропроцессор - это логическое устройство, которое оперирует с двоичными числами и предназначено для обработки информации. Микропроцессоры можно классифицировать, для построения какого-либо одного типа вычислительных устройств, их называют специализированными. микропроцессоры со схемным и микропрограммным управлением. Со схемным управлением имеют достаточно неплохие показатели в работе, но их работа однозначно определяется постоянным набором команд (хранящихся в их памяти) и соответствующей электрической схемой, которая зачастую бывает довольно сложной из-за необходимости иметь в микропроцессоре как можно больше команд. Микропроцессоры с микропрограммным управлением выполняют микрокоманды установленные оператором. Такие микропроцессоры имеют сравнительно невысокое быстродействие, но они более универсальны. Процессоры и микропроцессоров с фиксированной и изменяемой разрядностью слова, числу внутренних регистров, быстродействием, производительностью, способу управления. По числу больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные, также микропроцессоры делятся на сихронные и асихронные. Сихронные микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асихронные микропроцессоры  позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Также классифицируются микропроцессоры по количеству выполняемых программах. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.  В многопрограммных и мультипрограммных  одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Микропроцессоры можно условно разделить по типу на группы: CISC (Complex Instruction Set Command) – с полным набором инструкций; RISC (Reduced Instruction Set Command) – с усеченным набором инструкций; VLIW (Very Long Integer Word) – со сверхбольшим командным словом; MISC (Minimum Instruction Set Command) – с минимальным набором инструкций. Основные представители процессоров типа CISC – микропроцессоры фирмы Intel. Микропроцессор типа RISC содержат сокращенный набор наиболее часто используемых в программах инструкций. В том случае, если необходимо выполнить какую-то сложную инструкцию, микропроцессор собирает ее из простых. Особенностью этих микропроцессоров является то, что все простые команды выполняются за одинаковое количество времени равное одному машинному такту .Наиболее известный представительRISC процессоров – микропроцессор PowerPC (Performance Optimized With Enhanced PC) применяется в настольных и профессиональных решениях от компании Apple. Микропроцессоры RISC характеризуются высоким быстродействием, но программно не совместимы с процессорами CISC. Поэтому для запуска приложений разработанных для IBMPC совместимых ЭВМ на машинах типа Apple Macintosh требуется «эмулятор», что резко снижает их эффективность. Микропроцессор типа VLIW в отличие от суперскалярных  CISC процессоров имеют существенно более простую схемную реализацию и опираются на программное обеспечение.

Заключение

Внедрение и широкое использование средств вычислительной техники является одним из главных факторов ускорения научно-технического прогресса. Стремительно возрастает роль электронно-вычислительных машин во всех областях человеческой деятельности. Без использования быстродействующих электронно-вычислительных машин в настоящее время немыслима работа большинства предприятий. А повышение быстродействия электронно-вычислительных машин в значительной мере зависит от повышения быстродействия входящего в её состав микропроцессора. Темпы научно-технического прогресса, усиление роли науки в значительной степени определяются качеством средств вычислительной техники и их программным обеспечением. Именно развитие этих средств обеспечивает успехи в автоматизации производственных процессов, в разработке новых технологий, в повышении эффективности труда и управления, в совершенствовании системы образования и в ускорении подготовки кадров.

Литература

1. Еремин Е. А. Как работает современный компьютер. – Пермь, 2007.
2. Смирнов А.Д. Архитектура вычислительных систем. – М.: «Наука», 2006.
3. Процессоры Intel – [ Электронный ресурс] – URL: http://www.paygid.ru/articles/processori-intel/?q=726&n=749
4. Процессоры AMD – [Электронный ресурc] – URL: http://www.amd.com/ru-ru/products/processors/
5. Вестник №5 МГУП Имени Ивана Федорова, Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова «Процессоры мобильных устройств» 2015 – [Электронный ресурс] – URL : https://cyberleninka.ru/article/v/protsessory-mobilnyh-ustroystv/
6. Острейковский В.А. Информатика: Учебник. – М.:Высшая школа, 2006.
7. Наука и образование №6 Издатель ФГБОУ ВПО «МГПУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 -48211 ISSN 1994-0408, 2016.
8. Суханова Н.Т. Теоретические основы информатики. Учебное пособие для студентов высших пед. Учебных заведений: М-во образования Рос. Федерации, Мурманский гос. Пед. Университет, Мурманск, 2004.
9. Смирнов А.Д. Архитектура вычислительных систем. – М.: «Наука», 2006.
10. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратова. -: Финансы и статистика, 2007
11. Практикум по экономической информатике: Учеб. Пособие. Часть 1/ под редакцией Е.Л. Шуремова, Н.А. Тимаковой, Е.А. Мамонтовой.-М.: Перспектива, 2002
12. Вестник №6 МГУП Имени Ивана Федорова, Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова «Процессоры мобильных устройств» 2015
13. Поначугин А.В. Использование суперкомпьютеров для решения задач моделирования // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. – 2015. - №10-1.
14. Зальцман Ю.А Архитектура программирования на языке ассамблера БК – 0010. Информатика и образование, 2006.