Устройство процессора и его назначение

Где находится микропроцессор в компьютере

1. Информация на сайте 2HPC.RU носит ознакомительный характер. Все действия описанные в статьях вы совершаете на свой страх и риск! При копировании материалов, прямая индексируемая ссылка на 2HPC.RU — обязательна!

2. Любые предложения представленные на сайте, с указанием цены на тот или иной товар (услугу), носят информативный характер и не являются публичной офертой!

3. Сайт использует файлы cookie. Продолжая работу с сайтом, вы соглашаетесь с этим. Политика конфиденциальности.

Устройство процессора

Ключевыми компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и устройство управления. АЛУ выполнят основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.

Кэш данных и команд хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем лучше.

Где находится микропроцессор в компьютере

2) Характеристики микропроцессора. Виды процессоров.

Основные характеристики микропроцессоров ПК

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту — чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессоров более подробно.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютере микpопpоцессоpа является главным фактором, определяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютера. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и определенных им аpхитектуpных особенностей компьютера различают пять классов ПК:

— компьютеры класса XT;

— компьютеры класса AT;

— компьютеры класса 386;

— компьютеры класса 486;

— компьютеры класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа — указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

3. Быстродействие микpопpоцессоpа — это число элементарных операций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу времени (операции/секунда).

4. Разрядность пpоцессоpа — максимальное количество pазpядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

5. Аpхитектуpа микpопpоцессоpа.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В соответствии с аpхитектуpными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

— микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

— микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

— микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

— микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Характеристики и классификация процессоров и микропроцессоров

Поскольку процессор является основным устройством ЭВМ и именно в нем выполняются все вычисления и обработка информации, то его основные характеристики определяют эффективность использования ЭВМ в целом. К важнейшим характеристикам процессора, определяющим его вычислительные свойства, относятся: разрядность; емкость адресуемой памяти; длина конвейера; назначение (универсальный или специализированный); число внутренних регистров и т.д..

Эти же характеристики определяют и вычислительные свойства микропроцессора (МП). Но для оценки области использования и особенностей разработки вычислительной техники на основе МП важными являются также характеристики микропроцессора как интегральной схемы. Основными из них являются: быстродействие; потребляемая мощность; масса и габаритные размеры, число источников питания; надежность; эксплуатационная стойкость; стоимость.

Классификация MП по наиболее существенным из перечисленных характеристик служит основой для выбора эффективной области применения того или иного типа МП.

По назначению МП подразделяют на универсальные и специализированные.

К универсальным относят МП, имеющие широкое применение в различных областях при выполнении самых разных задач. В персональных компьютерах используются именно универсальные МП.

Специализированные МП предназначены для конкретных применений, их характеристики наиболее соответствуют определенному кругу задач. Например, в ранних моделях компьютеров применялись в основном универсальные МП (модели фирмы Intel 8088, 80286, 80386), в которых не была предусмотрена специальная команда для обработки чисел с плавающей запятой. При необходимости работы с такими числами МП выполнял каждую операцию очень медленно – за несколько десятков тактов. Поэтому на материнской плате было предусмотрено место для установки дополнительного специализированного МП, так называемого математического сопроцессора (модели фирмы Intel 8087, 80287, 80387).

Наличие дополнительного специализированного МП позволило уменьшить время выполнения некоторых операций (например, извлечение корня или вычисление тригонометрических функций) в десятки и сотни раз. Однако для большого числа пользователей, которым подобные вычисления не требуются, вполне достаточно только основного МП.

По разрядности МП подразделяют на МП с фиксированной и изменяемой разрядностью слова (модульные). Постоянное совершенствование микроэлектронных технологий позволяет непрерывно увеличивать разрядность МП. В настоящее время могут быть использованы 8-, 16-, 32-, 64-разрядные МП.

Число внутренних регистров служит одним из показателей вычислительных возможностей МП. Этот показатель также непрерывно возрастает: 2 — в самых простых МП, 8 и 16 — в достаточно распространенных, 64 и более — в МП типа Pentium и других новых моделях. Число регистров МП фактически характеризует объем сверхоперативной памяти МП с малым временем обращения.

Современные МП, как уже отмечалось, имеют кэш-память (или кэш) 1-го и 2-го уровней. Кэш 1-го уровня — это память с минимальным временем обращения. Его объем невелик (например, 16 Кбайт), тогда как объем кэш 2-го уровня достигает нескольких мегабайт.

Быстродействие МП характеризуется тактовой частотой, которая в новейших моделях составляет тысячи мегагерц.

Производительность МП является его интегральной характеристикой, которая зависит от тактовой частоты работы процессора, его разрядности, а также от особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.).

Производительность МП нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения МП определенных операций в какой-либо программной среде.

По способу управления МП подразделяются на микро- и макропрограммируемые. Микропрограммное управление позволяет пользователю установить свой собственный набор команд, который будет наилучшим образом соответствовать решению конкретных задач.

Обычно в микропроцессорных секциях с наращиваемой разрядностью применяется именно такой способ управления. Макропрограммное управление использует набор неизменных команд, определяемых схемой МП, поэтому такое управление называют также жестким аппаратным.

Число необходимых источников питания определяет сложность монтажа вычислительного устройства с МП и влияет на габаритные размеры, надежность и стоимость этого устройства. Обычно требуются два-три источника питания, но при некоторых технологиях изготовления удается обойтись одним.

Буферный процессор [front-end processor] — Процессор или специализированная микроЭВМ, реализующие промежуточную обработку данных, которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами ввода-вывода .

Препроцессор [preprocessor] — 1. Программа, выполняющая предварительную обработку данных для другой программы; 2. То же, что буферный процессор.

CISC (Complex Instruction Set Computing) — “ Вычислитель со сложным набором команд”

RISC (Reduced Instruction-Set Computer) — “ Вычислитель с сокращенным набором команд” — Технология и архитектура построения микропроцессоров, альтернативная технологии CISC . Принцип построения RISC- процессоров основан на применении набора простых команд и “на их основе сборки” требуемых более сложных команд. Это позволяет сделать микропроцессоры более компактными и производительными, а также менее энергоемкими и дорогими.

Процессор-клон, клон [cloneprocessor, clone] — Процессор, выпускаемый другой фирмой — не его основным разработчиком и производителем, в том числе по лицензии или без нее. Как правило, клоны представляют собой собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью, так и только частично совместимы с оригинальной продукцией, иметь отличные от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними.

Параметры системной шины

• Частота системной шины показывает скорость, с которой та способна предавать информацию.
• Разрядность или ширина – количество данных (бит), которые магистраль пропускает через себя за один такт. Для современных материнских плат это 128-512 бит, реже – 1024 бита.

Частота FSB определяет быстродействие процессора. Каждому ЦП присущ свободный (разблокированный) или заблокированный множитель – коэффициент, который умножается на частоту шины. Например, FSB работает на частоте 200 МГц, множитель процессора равен 16. Его внутренняя (реальная) частота равняется 200 * 16 = 3200 МГц или 3,2 ГГц. У большинства ЦП, кроме дорогих моделей, рассчитанных на любителей разгона и геймеров, множитель заблокирован. Их быстродействие определяется частотой FSB.

Микросхема памяти

Микросхема памяти состоит из большого числа ячеек памяти, где данные (информация) могут храниться в форме двоичных разрядов (битов). В каждой ячейке обычно хранится одно 8-разрядное двоичное число. У ка­ждой ячейки имеется свой собственный 16-разрядный адрес, как показано на рис. 36.2. Адрес ячейки памяти можно рассматривать как конверт, а данные как полезную информацию, т. е. письмо внутри конверта.

Рис. 36.2.

Архитектура микропроцессора

Рисунок 36.3 иллюстрирует архитектуру, или организацию, микроком­пьютерной системы. Показаны функциональные связи между различ­ными элементами типичной микропроцессорной компьютерной системы. Микропроцессор — это однокристальная микросхема, содержащая все необходимые схемы для интерпретации и выполнения команд програм­мы на языке обработки данных, логических и арифметических операций, синхронизации и управления системой.

Микропроцессоры обычно монтируются в 40-штырьковом плоском корпусе с двухрядным расположением выводов (рис. 36.4).

Рис. 36.3.

Рис. 36.4.

Интерфейс ввода/вывода

Интерфейс ввода/вывода связывает микрокомпьютер с внешними устрой­ствами, называемыми периферийными устройствами (или просто перифе­рией). Он действует как магистраль ввода/вывода для передачи данных от микропроцессора к клавиатуре, монитору или дисплею, преобразовате­лям или схемам привода электромеханических устройств (шаговых дви­гателей, реле, и т. п.) и обратно — от всех этих периферийных устройств к процессору.

Шины

Связь основных аппаратных модулей микрокомпьютера (описанного ра­нее) обеспечивается с помощью так называемой шинной структуры. Ши­на — это группа соединительных проводов или проводящих дорожек на печатной плате, используемых в качестве линии связи для передачи ци­фровой информации и объединенных общим функциональным назначе­нием. В микропроцессорной системе имеется три основных шины: шина данных, адресная шина и шина управления.

Шина данных используется для пересылки данных между микропро­цессором и другими элементами в системе и обычно выполнена в виде двунаправленной 8-разрядной шины.

Адресная шина используется для пересылки адреса ячейки памяти чтобы получить данные из ПЗУ или ОЗУ (считать данные) или сохранить данные в адресуемой ячейке ОЗУ (записать данные). Эта шина служит также для адресации устройств ввода/вывода, с которыми может осуще­ствляться обмен данными. Адресная шина является однонаправленной шиной, по которой могут одновременно передаваться 16 разрядов цифро­вой информации.

Шина управления используется для посылки управляющих сигналов, например сигналов синхронизации, чтения, записи и т. п., от микропро­цессора к другим элементам системы. Число линий в этой шине зависит от типа используемого микропроцессора и архитектуры системы.

Тактовый генератор

Задающий генератор синхронизирующих импульсов (тактовый генератор) служит в микрокомпьютере для синхронизации пересылки данных. Он работает на основе высокочастотного импульсного генератора с кварцевой стабилизацией. Частота тактового генератора определяет быстродействие микрокомпьютера.

Другие применения

Кроме компьютеров микропроцессоры широко применяются в различ­ных промышленных и бытовых устройствах: стиральных машинах, лег­ковых автомобилях, телевизорах, электроплитах, электронных играх, кассовых аппаратах, автоматических измерительных приборах, устрой­ствах автоматики и регистрации данных. В этих применениях микро­процессоры обычно называются микро- или мини-контроллерами. Вот некоторые из преимуществ, которые дает использование микроконтрол­леров.

1. Снижается стоимость продукции.

2. Увеличивается надежность.

3. Снижаются эксплутационные расходы.

4. Упрощается управление устройством и уменьшается вмешательство человека в его обслуживание.

В каждом конкретном применении проявляются одно или сразу не­сколько перечисленных преимуществ.

В данном видео рассказывается о системной шине процессора:

Функции и строение микропроцессора

Микропроцессор — центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. пpоцессоp чип быстродействие разрядность

Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие — это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный — 32 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

Функции и строение микропроцессора

• · обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• · программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

• · Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.
• · Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах — специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: «Да» и «Нет» («1» и «0»). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
• · AGU (Address Generation Unit) — устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.
• · Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.
• · Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.
• · Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора.
• 1. Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.
• 2. Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.
• 3. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

· Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств — получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.