Основной процессор в вм называется центральным потому что
Перейти к содержимому

Основной процессор в вм называется центральным потому что

  • автор:

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) – главный элемент ВМ, который реализует выполнение команд.

В состав ЦП входят регистры:

PC – счетчик команд;

IR – регистр команды;

MAR – регистр адреса памяти;

MDR – регистр данных памяти;

InpR, OutR – регистры ввода и вывода данных;

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

Все эти устройства входят в состав устройства управления (УУ) и операционного устройства (ОУ) ЦП. Рассмотрим их подробнее.

Оу цп учебной вм

Представим восемь схем полных сумматоров SM с различными входными данными.

Здесь “0” и “1” означают развёрнутый ноль и развернутую единицу, то есть ноль или единицу, содержащиеся в каждом разряде слова ВМ. S1 и S0 – это управляющие разряды, характеризующие операцию, которую выполняет сумматор, C0 – перенос в младший разряд сумматора.

На представленных схемах на первый вход сумматоров всегда подается одно и то же число А. На самом деле это не всегда так, что мы покажем впоследствии.

Для усвоения смысла преобразований в АЛУ рассмотрим работу двух небольших цифровых схем.

Цифровой вентиль

Пусть некоторая схема имеет два входа и один выход. Причем если на входе S имеется ноль, то на выходе тоже имеется ноль, если на входе S имеется 1, то выход схемы соответствует входу D.

Фактически эта схема представляет собой известную схему «И». Она представляет собой цифровой вентиль, где один из входов (S) представляет собой разрешающий вход, а другой (D)- информационный.

Таблицу состояний схемы сразу сокращаем, учитывая, что цифровые вентили пропускают на выход либо сигнал B либо его инверсию в зависимости от состояния управляющих входов S0 и S1.

При расположении такой схемы в каждом разряде мы имеем выполнение логических функций поразрядно. АЛУ должно обеспечивать выполнение как арифметических, так и логических функций. Условимся, что при значении 1 управляющего сигнала М будут выполняться логические функции, а при значении 0 – арифметические. В качестве логических функций будем рассматривать функции ИЛИ, исключающее ИЛИ, И и инверсию.

Таким образом, АЛУ учебной ВМ выполняет следующие микрооперации в зависимости от значений управляющих входов:

Сумма с инкрементом

Разность с декрементом

С составом ОУ ЦП мы определились ранее. Надо рассмотреть, каким образом все это соединено.

Прежде всего, вспомним сведения, известные из курса информатики.

Это устройство, которое имеет единицу только на одном из выходов, соответствующему коду входных информационных сигналов.

Дешифратор на схемах обозначается следующим образом:

Таблица соответствия для двухвходового дешифратора имеет вид:

Вход Е означает разрешение работы дешифратора. Этот вход обычно делают инверсным. Если разрешение есть, то =0, и один из выходов в соответствии с кодом входных информационных сигналов дешифратора равен 1. Если E=1, то независимо от состояния входных сигналов все выходы дешифратора равны 0.

Мультиплексор

Из многих информационных входов I0…I3 мультиплексор подает на выход один, соответствующий коду, установленному на управляющих входах a1, a0. Структурная схема мультиплексора имеет вид:

Регистры обычно строятся на D триггерах. Обозначение регистра на схемах может иметь вид:

На вход С подается синхросигнал. Регистр может срабатывать по переднему или по заднему фронту синхроимпульса. Вход S – управляющий. При S=0 регистр осуществляет хранение информации. При S=1 регистр переписывает свое состояние по синхросигналу в соответствии с состоянием входных информационных сигналов.

Синхросигнал обычно подается в виде импульса. При этом регистр изменяет свое состояние по переднему (возрастающему) или по заднему (спадающему) фронту импульса. В первом случае вход С обозначается с наклонным штрихом слева-снизу направо-вверх, во втором – со штрихом слева-сверху направо-вниз.

Рассмотрим схему центрального процессора (операционное устройство) в 2 этапа. Сначала рассмотрим упрощенную схему. Затем усложним её.

Рис. 2.3. Схема вспомогательная

Подачей управляющих сигналов на дешифратор, мультиплексоры и АЛУ ведает устройство управления ЦП, которое выдает так называемое управляющее слово процессора. Оно состоит из разрядов управления этими устройствами. – по 2 разряда на мультиплексоры MSA и MSB, 3 разряда на дешифратор DS и 4 разряда на АЛУ.

Что такое CPU в компьютере: анатомия вашего ПК простыми словами

Lorem ipsum dolor

CPU — это Central Processing Unit или «центральный блок обработки» ; если человеческим языком, то CPU — это центральный процессор какого-либо устройства. В любом современном вычислительном устройстве — смартфон, планшет, компьютер, телевизор, сервер и т. д. — есть свой центральный процессор, который несет ответственность за общую функциональность и правильную работоспособность устройства.

В широком понимани и C PU или процессор — это некий компонент небольших размеров какого-либо устройства, чьи функции заключаются в обработке логических и вычислительных операций, а также в управлении и контроле функциональности других компонентов устройства. Процессор — это мозг и сердце любого вычислительного устройства, поэтому считается самым важным компонентом всех вычислительных устройств.

Процессор — что это

Во всех устройствах разные процессоры, но если рассматривать компьютерный, т о в изуальн о п роцессор — это небольшой квадрат плоской формы со стороной около 5 см. С внутренней части процессора располага е тся множество коннекторов, при помощи которых он прикрепляется к материнской плате. От мощности CPU будет зависеть скорость обрабатывания инструкций и производительность других компонентов компьютера. К примеру, купив мощную видеокарту на свой компьютер, вы так и не увидите всю ее мощь из-за того , что у вашего компьютера слабый процессор.

Назначение процессора в компьютере

  • получение данных и з оперативной памяти и выполнение с ними нужных операций;

  • формирование сигналов и команд для управления внутренними компонентами или внешними устройствами, подключенными к компьютеру;

  • временное хранение в собственной памяти информации по проделанным операциям или отданным командам;

  • обработка запросов от внешних устройств или внутренних компонентов компьютера;

  • и др.

Из чего состоит процессор

  1. Ядро процессора. Именно на него ложится основная масса всей функциональности процессора. Я дро занимается расшифровкой, чтением, выполнением и отправкой инструкции другим компонентам или, наоборот, от других компонентов. Ядро единовременно может исполнять только одну инструкцию, хоть и за сотые доли секунды. Поэтому если процессор компьютера состоит из одного ядра, то все команды компьютер будет выполнять последовательно и в порядке очереди. Сейчас редко когда встретишь одноядерные компьютеры, потому что они тяжело справляются с командами современного пользователя. Но вот процессор с 2, 3, 4 и более яд рами — это не редкость.

  2. Устройство для запоминания. У каждого процессора есть собственная небольшая память, которая ему нужна для работы. Память в процессоре состоит из двух частей: одна часть нужна для «запоминания» текущих операций, а другая часть памяти — это к э ш, в котором хранятся часто выполняемые инструкции. Обращаться в собственный к э ш будет быстрее, чем обращаться к оперативной памяти компьютера, поэтому объем к э ш-памяти имеет влияние на скорость и работоспособность процессора.

  3. Шины — это пути , по которым передаются команды внутри процессора.

Чем характеризуется процессор

  1. Тактовая частота — это количество выполненных операций в единицу времени. Чем выше эта частотность, тем быстрее процессор «думает». Частота исчисляется в мегагерца х ( МГц) или гигагерца х ( ГГц).

  2. Разрядность — это объем информации, который процессор может передать за один цикл ; измеряется в битах. Все мы слышали про 32-х и 64-х битные компьютеры — это оно самое.

Виды и производители процессоров

На самом деле , процессоров большое разнообразие, при то м ч то производителей процессоров можно посчитать на пальцах одной руки. Процессоры делают разными для разных устройств. Но даже если брать во внимание только одно устройство — компьютер, то и тут на с ждет большое многообразие от одноядерных процессоров «послабее» для офисной работы и до многоядерных процессоров, предназначенных для сложных научных расчетов.

Среди производителей процессоров для компьютеров и ноутбуков наиболее известны 2 производителя — это Intel и AMD. Основное отличие между процессорами этих компаний — это не количество ядер или производительность, а уникальная архитектура. То ест ь э ти компании разрабатывают процессоры по разным принципам, поэтому у процессоров обоих производителей есть свои плюсы и минусы, которые мы не будем сейчас обсуждать, потому что это тема отдельной статьи.

Для смартфонов и планшетов наиболее известными производителями процессоров являются NVIDIA, Qualcomm и Apple.

Заключение

Что такое ЦП в компьютере? Центральный процессор — это то, без чего компьютер не сможет работать. Самая простая операция на компьютере делается только с команды процессора и никак по-другому. Производительность компьютера напрямую зависит от производительности процессора, именно поэтому важно перед покупкой компьютера подбирать процессор, который будет справляться с вашими потребностями.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.

Что такое CPU центральный процессор в компьютере: как работает ЦП и из чего состоит

ЦП означает центральный процессор или «центральный процессор»; если говорить человеческим языком, то ЦП — это центральный процессор устройства. Любое современное вычислительное устройство (смартфон, планшет, компьютер, телевизор, сервер и т д.) имеет свой центральный процессор, отвечающий за общую функциональность и правильную работу устройства.

В широком смысле ЦП или процессор — это небольшой компонент устройства, функции которого заключаются в обработке логических и вычислительных операций, а также в управлении и контроле функциональности других компонентов устройства. Процессор — это мозг и сердце любого вычислительного устройства, поэтому он считается самым важным компонентом всех вычислительных устройств.

Лорем ипсум боль

Процессор — что это

Все устройства имеют разные процессоры, но если рассматривать процессор компьютера, то визуально процессор представляет собой небольшой квадрат плоской формы со стороной около 5 см. Внутри процессора находится множество разъемов, которыми он подключается к основанию платы. От мощности центрального процессора будет зависеть скорость обработки инструкций и производительность других компонентов компьютера. Например, если вы приобрели мощную видеокарту для своего компьютера, вы не увидите ее полной мощности, потому что у вашего компьютера слабый процессор.

Назначение процессора в компьютере

Что такое ЦП (центральный процессор) в компьютере? Если процессор в компьютере – это мозг, то уже понятно, что основная деятельность процессора – это управление всеми вычислительными компонентами и операциями компьютера, от простых расчетов на калькуляторе до запуска “тяжелых” программ, того же компьютера игры или 3D-редакторы.

Если немного «вникнуть» в назначение процессора, то можно выделить следующие его функции:

  • получать данные из оперативной памяти и выполнять с ними необходимые операции;
  • генерировать сигналы и команды для управления внутренними компонентами или внешними устройствами, подключенными к компьютеру;
  • временное хранение в собственной памяти информации о выполненных операциях или отданных командах;
  • обрабатывать запросы от внешних устройств или внутренних компонентов компьютера;
  • и так далее

Из чего состоит процессор

Центральный процессор не является конечной деталью, он также собирается из мелких, но важных деталей. Процессор можно разделить на 3 компонента:

  1. Ядро процессора. Именно в нем больше всего падает функциональность процессора. Я занимаюсь декодированием, чтением, выполнением и отправкой инструкций другим компонентам или, наоборот, от других компонентов. Ядро может выполнять только одну инструкцию за раз, хотя и за сотые доли секунды. Поэтому, если процессор компьютера состоит из одного ядра, компьютер будет выполнять все команды последовательно и по очереди. В наши дни редко можно увидеть одноядерные компьютеры, потому что они слишком громоздки для современных пользовательских команд. А вот процессор с 2, 3, 4 и более ядрами — не редкость.
  2. Запоминающее устройство. У каждого процессора есть своя небольшая память, необходимая ему для работы. Память процессора состоит из двух частей: одна часть нужна для «запоминания» текущих операций, а другая часть памяти — это кэш-память, в которой хранятся часто выполняемые инструкции. Доступ к собственному e-sh будет быстрее, чем доступ к оперативной памяти компьютера, поэтому объем электронной памяти влияет на скорость и производительность процессора.
  3. Шины — это пути, по которым команды передаются внутри процессора.

Чем характеризуется процессор

Важнейшей характеристикой любого процессора является его производительность. Однако производительность процессора зависит от 2-х его параметров:

  1. Тактовая частота – это количество операций, выполняемых в единицу времени. Чем выше эта частота, тем быстрее «думает» процессор. Частота рассчитывается в мегагерцах x (МГц) или гигагерцах x (ГГц).
  2. Разрядность — это количество информации, которую процессор может передать за один цикл; измеряется в битах. Все мы слышим о 32-битных и 64-битных компьютерах — вот и все.

Виды и производители процессоров

На самом деле процессоров существует великое множество, а производителей процессоров можно пересчитать по пальцам одной руки. Процессоры делаются разные для разных устройств. Но даже если принять во внимание только одно устройство — компьютер, здесь нас ждет огромный ассортимент — от более «слабых» одноядерных процессоров для офисной работы до многоядерных процессоров, предназначенных для сложных научных расчетов.

Среди производителей процессоров для компьютеров и ноутбуков наиболее известны 2 производителя: Intel и AMD. Главное отличие процессоров от этих компаний не в количестве ядер или производительности, а в уникальной архитектуре. То есть эти компании разрабатывают процессоры по разным принципам, поэтому у процессоров обоих производителей есть свои плюсы и минусы, о которых мы сейчас говорить не будем, потому что это тема для отдельной статьи.

Для смартфонов и планшетов наиболее известными производителями процессоров являются NVIDIA, Qualcomm и Apple.

Заключение

Что такое процессор в компьютере? Центральный процессор — это то, без чего компьютер не может функционировать. Простейшая операция на компьютере выполняется только командой процессора и никак иначе. Производительность компьютера напрямую связана с производительностью процессора, поэтому перед покупкой компьютера важно выбрать процессор, соответствующий вашим потребностям.

Как работает процессор?

Инструмент легче, чем машина. Часто инструмент работает вручную, а машина приводится в действие паром или животным.

Компьютер тоже можно назвать машиной, но вместо пара в нем электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Основное внимание в нем уделяется арифметическим и логическим операциям, и прежде чем погрузиться в процессорные дебри, необходимо разобраться в его основных компонентах и ​​в том, как они работают.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Блок управления (CU) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. CU точно сообщает компонентам, что делать. В зависимости от инструкций он координируется с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции сначала поступают на управляющее устройство.

Существует два типа реализации CU:

  • БУ на базе проводных блоков управления. Характер работы определяется внутренней электрической структурой: устройство на печатной плате или кристалле. Следовательно, модификация такого блока управления без физического вмешательства невозможна.
  • БУ с микропрограммируемым управлением (в англ microprogrammable control tools). Его можно запрограммировать для определенных целей. Программная часть хранится в памяти БУ.

CU с жесткой логикой быстрее, но CU, управляемый микропрограммой, имеет более гибкую функциональность.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, такие как сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т.д. АЛУ состоит из логических элементов, которые выполняют эти операции.

Большинство логических вентилей имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора с двумя входами и двумя выходами. Здесь A и B — входы, S — выход, C — переход (в более высокий порядок).

Схема арифметического полусумматора в статье

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как было сказано выше, процессор выполняет поступающие к нему команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями хранятся в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — это наименьшая ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить 1 бит информации.

Примечание. Триггеры перевода могут быть синхронными или асинхронными. Асинхронные могут изменить свое состояние в любой момент, а синхронные только при положительном/отрицательном фронте на входе синхронизации.

По своему функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

  • RS-триггер: сохраняет свое состояние при нулевом уровне на обоих входах и меняет его при установке в единицу на одном из входов (Reset/Set – Reset/Set).
  • JK-триггер: Идентичен RS-триггеру, за исключением того, что при подаче единиц на два входа одновременно триггер меняет свое состояние на противоположное (режим счета).
  • Т-триггер: переворачивает свое состояние каждый такт на своем единственном входе.
  • D-триггер: запоминает состояние входа во время синхронизации. Асинхронные D-триггеры не имеют смысла.

Оперативная память не подходит для хранения промежуточных данных, так как это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отправляются в регистры на шине. Они могут хранить команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип работы RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) представляет собой большую группу этих же самых регистров, соединенных друг с другом. Память такого хранилища нестабильна и данные в ней пропадают при отключении питания. Оперативная память принимает адрес области памяти, куда будут помещены данные, сами данные и флаг записи/чтения, который активирует триггеры.

Обратите внимание, что оперативная память перевода бывает статической и динамической: SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической памяти — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые должен выполнить компьютер. Есть несколько типов:

  • Арифметика: сложение, вычитание, умножение и т.д.
  • Логические: И (логическое умножение/соединение), ИЛИ (логическое сложение/дизъюнкция), отрицание и т д
  • Информационные: перемещайте, вводите, экспортируйте, загружайте и сохраняйте .
  • Команды перехода: перейти, если перейти, вызвать и вернуться .
  • Команда остановки: стоп .

Note translate На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы всего из двух: сложения и изменения. Однако чем больше основных операций поддерживает АЛУ, тем быстрее оно будет работать.

Инструкции передаются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором языка высокого уровня.

В процессоре инструкции реализованы аппаратно. За один такт один основной процессор может выполнить один элементарный (базовый.

Группа инструкций обычно называется набором инструкций).

Тактирование процессора

Скорость компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота: количество тактов (соответственно и исполняемых команд) в секунду.

Частота современных процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцах). 1 ГГц = 10⁹ Гц — это миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, необходимо ее оптимизировать (уменьшить) или увеличить тактовую частоту. Некоторые процессоры имеют возможность увеличения частоты (разгона процессора); однако такие действия физически влияют на процессор и часто вызывают его перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в оперативной памяти в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства имеется два регистра инструкций, в которые загружаются код инструкции и адрес выполняемой в данный момент инструкции. Процессор также имеет дополнительные регистры, в которых хранятся последние 4 бита выполненных инструкций.

Вот пример набора команд, который складывает два числа:

  1. НАГРУЗКА_А 8 . Эта команда сохраняет данные в оперативной памяти, например, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры команд CU. Команда расшифровывается в инструкции load_A: поместите данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
  2. НАГРУЗКА_В 2 . Ситуация похожа на предыдущую. Это помещает число 2 (0010) в регистр B .
  3. АДДБА. Команда добавляет два числа (точнее, добавляет значение регистра B к регистру A). CU приказывает ALU выполнить операцию сложения и поместить результат обратно в регистр A .
  4. МАГАЗИН_А 23 . Мы сохраняем значение регистра A в ячейке памяти 23 .

Это операции, необходимые для сложения двух чисел.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и устройствами ввода/вывода (устройствами ввода/вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить вновь обработанные данные в память, процессор помещает адрес на шину адреса и данные на шину данных. Затем нужно дать разрешение на запись в управляющую шину.

Иллюстрация работы шины в статье

Процессор имеет механизм хранения инструкций в кэше. Как мы выяснили ранее, процессор может выполнять миллиарды инструкций в секунду. Следовательно, если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, выборка заняла бы больше времени, чем обработка. Поэтому для ускорения работы процессор часть инструкций и данных хранит в кэш-памяти.

Если данные в кеше и памяти не совпадают, они помечаются грязными битами).

Поток инструкций

Современные процессоры могут обрабатывать несколько инструкций параллельно. Пока инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть принять другую инструкцию.

Иллюстрация потока инструкций в книге «Как работает процессор?»

Однако это решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что он на самом деле имеет несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, такими как кеш.

Небольшой анонс! Мы уже публиковали статью о программах, которые являются аналогом Time Machine в macOS, скоро опубликуем статью для Windows, в том числе и о программе Mozy.

Центральный процессор

Центра́льный проце́ссор (ЦП; CPU — англ. céntral prócessing únit , дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Содержание

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. 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:

  1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистресчётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
  2. 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;
  3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
  4. 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;
  5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

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.

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

  • получение и декодирование инструкции (Fetch)
  • адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
  • выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
  • сохранение результата операции (Store)

После освобождения k -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

n\cdot m

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

  1. простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
  2. ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
  3. очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.

x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

Джоном Коком (John Cocke) из

Самая распространённая реализация этой архитектуры представлена процессорами серии MIPS и Alpha.

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию системы «Мультипроцессор».

Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхьядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona [1] . 19 ноября 2007 вышел в продажу четырёхьядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom [2] . Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора [3] . Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году.

На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

На настоящий момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является ее чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

Технология изготовления процессоров

История развития процессоров

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 МБ памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

Современная технология изготовления

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил 300$.

За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32 бит IA32 а позже в 64 бит x86-64. Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, SPARC, MIPS (RISC — архитектуры) и EPIC-архитектура).

Большинство процессоров используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel, AMD и 8086, i286 (в русском компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Core 2 Duo, Itanium и др. AMD имеет в своей линейке процессоры Amx86 (сравним с Intel 486), Sempron (сравним с Intel Celeron), Athlon 64, Athlon 64 X2,

Будущие перспективы

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

Квантовые процессоры

Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

Российские микропроцессоры

Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного процессора нового поколения Эльбрус. Основные потребители российских микропроцессоров — предприятия ВПК.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *