Понятие процессора, его назначение и функции

Содержание:

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что компьютерная техника окружает человека повсюду. Современная жизнь немыслима без эффективного управления информацией, что приводит к необходимости использовать компьютер. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU – CentralProcessingUnit), который исполняет основную программу.

Процессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры.

В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение на каких-либо специфических функций. 

Объектом исследования являются центральный процессор персонального компьютера.

Предмет исследования – назначение, функции и классификация центрального процессора.

Целью исследования является изучение устройства центрального процессора, рассмотрение его функций.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

1. проанализировать и описать понятие центрального процессора, его назначение и основные функции;
2. описать классификацию.

В ходе работы над темой использовались источники исследования: учебная и учебно-методическая литература, ресурсы сети Интернет.

Практическая значимость исследования определяется изучением процессора и его классификации.

Понятие процессора, его назначение и функции

Понятие процессора и его назначение

Центральный процессор (ЦП) – это главный рабочий элемент электронной вычислительной машины (ЭВМ), который выполняет команды программ и управляет действиями других ее узлов.

Современные ЦП выполняются с использованием микроэлектронной технологии.

Микропроцессор (МП) (microprocessor, processor) – это центральный процессор, выполненный на сверхбольшой интегральной схеме (СБИС). МП является устройством, реализующим выполнение программ и управляющим работой остальных узлов и устройств ПК. [3, с. 301]

Его характеристики определяют возможности и области практического использования ПК, а также их техническую совместимость. Модели микропроцессоров отличаются архитектурой, тактовой частотой и разрядностью. В частности, МП одной модели могут иметь различную тактовую частоту, задаваемую ее генератором, и, соответственно, различаться по производительности. [1, с. 171]

Физически микропроцессор представляет собой созданный по специальной технологии кристалл кремния общей площадью в 1-3 см². Этот кристалл содержит огромное количество логических элементов, эквивалентных транзисторам. [9, с. 75]

Упрощенная структура микропроцессора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Упрощенная структура микропроцессора

Основные функции показанных узлов следующие.

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 (очередь) 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. [5, с. 59]

Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) 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 АЛУ не участвует в ее выполнении. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, 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 АЛУ на возможно более высокой частоте. [5, с. 60]

Регистры — это функционально ориентированные ячейки памяти, в том числе регистр команд, накапливающий регистр и регистр последовательного управления.

Самый важный регистр – счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. Также есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства процессоров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции. [11, с. 70]

Регистр признаков (регистр состояния) 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. [5, с. 61]

Схема управления прерываниями 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 текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти значениями внутренних регистров.

Схема управления прямым доступом к 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.

Изначально пользователь взаимодействовал с аппаратурой компьютера на языке машинных команд, как представлено на рисунке 2а. При этом в его поле зрения отсутствовали отдельные вентили и поступающие в них сигналы. Рассмотрение велось на уровне битов, байтов, полей, кодов операций, адресов операндов и так далее. Довольно быстро специалисты обнаружили, что выполнение процессором большинства машинных команд включает в себя практически одинаковые действия.

В связи с этим в 1951 году Морис Винсент Уилкс и Кембриджского университета с целью упрощения аппаратного обеспечения компьютера предложил подход, который впоследствии получил название микропрограммирования. Для его реализации в структурную организацию вычислительной системы между цифровым логическим уровнем и уровнем машинных команд включается дополнительный микроархитектурный уровень, как представлено на рисунке 2б.

На рисунке 2б кроме микроархитектурного уровня изображены еще два дополнительных уровня в организации вычислительной системы, которые также появились позднее. Это уровень операционной системы, автоматизирующий доступ программам и пользователям ко всем ресурсам компьютера, а также уровень приложений, которые обычно обеспечивают пользователям значительно более удобный интерфейс, чем работа на уровне машинных команд или уровне операционной системы. [8, с. 304]

Рисунок 2 Схемы взаимодействия пользователя с ЭВМ

Для повышения удобства составления программ, а также для управления последовательностью выполнения действий возможности процессоров по обработке данных существенно расширены. Реальные процессоры могут выполнять сотни различных действий, не входящих в базовый набор операций. Все множество действий, которые могут быт выполнены процессором, называются системой команд.

Системой команд процессора называется набор действий над данными, которые могут быть им выполнены. Система команд процессора взаимно-однозначно связана с его моделью. [8, с. 108]

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Тактовая частота представляет собой техническую характеристику отдельных устройств компьютера, которая равна количеству тактов, управляющих работой устройства, в единицу времени. Единицей измерения тактовой частоты является герц, равный одному такту в секунду. [8, с. 77]

Тактовая частота различных процессоров, даже одой и той же модели, может изменяться в широких пределах. Например, тактовая частота процессора i8086 в зависимости от его модификации колеблется в пределах от 5 до 10 МГц.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров x86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86.

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры x86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня базовая частота материнской платы составляет 100–200 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты. Коэффициент внутреннего умножения в современных процессорах может достигать 10–20 и выше.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской платы. [7, с. 90]

Итак, было рассмотрено понятие микропроцессора, история появления и его назначение.

Функции процессора

После включения питания процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на прямой доступ к памяти.

Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения.

Таким образом, основные функции любого процессора следующие:

1. выборка (чтение) выполняемых команд;
2. ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;
3. вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;
4. обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
5. адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;
6. обработка прерываний и режима прямого доступа. [5, с. 58]

Итак, было рассмотрено как микропроцессор обрабатывает команды и выделены его основные функции.

Классификация процессоров

Классификация микропроцессоров согласно Степиной В. В.

Степина Вера Владимировна в книге «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» рассмотрела классификацию микропроцессоров, представленную на рисунке 3.

Рисунок 3 Классификация процессоров Степиной В. В.

1. По числу БИС в микропроцессорном комплекте:
2. однокристальные МП;
3. многокристальные МП;
4. многокристальные секционные МП.

В первую очередь на такое деление повлияли возможности БИС: ограниченное число элементов, выводов корпуса, в то время как МП— довольно сложное устройство, имеющее много логических элементов и требующее большое количество выводов корпуса БИС.

Однокристальный МП получен при реализации всех аппаратных средств МП в виде одной БИС или СБИС. Основные характеристики таких МП зависят от технологии изготовления БИС.

Многокристальные МП получены при разбиении его логической структуры на функционально законченные части и реализации их в виде БИС

Многокристальные секционные МП получаются, когда в виде БИС реализуются логические структуры МП при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями

1. По назначению:
2. универсальные;
3. специальные.

Универсальные МП могут быть применены для решения широкого круга задач. При этом их эффективная производительность мало зависит от проблемной специфики задачи. Как правило, это определяется достаточно широкой универсальной системой команд.

Специальные МП проблемно ориентированные МП, которые нацелены на ускоренное выполнение определенных функций, что увеличивает эффективную производительность при решении только определенной задачи.

1. По виду обрабатываемых входных сигналов:
2. цифровые;
3. аналоговые.

Сами микропроцессоры цифровые устройства, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в микропроцессор через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются. После обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход.

С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы.

При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной настройки цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов. [12, с. 23]

1. По характеру временной организации работы:
2. одномагистральные;
3. многомагистральные.

Одномагистральные - все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов;

Многомагистральные - устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям.

1. По количеству выполняемых программ:
2. однопрограммные;
3. мультипрограммные.

Однопрограммные (однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. 

Мультипрограммные либо могут одновременно выполнять несколько программ, либо имеют средства для поддержки виртуальной мультипрограммности.

1. По составу команд:
2. RISC- процессоры;
3. CISC- процессоры.

RISC- процессоры эффективны в тех областях применения, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. [12, с. 20]

Процессоры с традиционными наборами команд называют CISC-процессорами с полными наборами команд.

Итак, Степина В. В. В книге «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» [10] классифицировала микропроцессоры по 6 параметрам: по числу БИС, назначению, виду обрабатываемых вводных сигналов, характеру организации работы, количеству выполняемых команд и составу команд.

Классификация микропроцессоров согласно Максимову Н.В.

Максимов Николай Вениаминович в книге «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем», в зависимости от набора и порядка выполнения команд и отражающих также хронологию развития ЭВМ выделил четыре класса:

1. CISC;
2. RISC;
3. MISC;
4. VLIW.

CISC (Complex Instruction Set Computer) – классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 1940-х годах с появлением первых компьютеров и в которой ЦП использует микропрограммы для выполнения большого набора разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации, для этого требуется наличие сложных электронных цепей для декодирования и исполнения. В течение длительного периода производители компьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и полные системы команд.

Типичным примером CISC являются процессоры Intel x86. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт, и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура процессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности. [4, с. 215]

В первую очередь, для CISC микропроцессоров характерно небольшое количество регистров общего назначения. В Pentium процессорах имеются восемь восьмиразрядных регистров, восемь шестнадцатиразрядных и восемь тридцатидвухразрядных.

При выполнении команд все регистры общего назначения являются равноправными, однако некоторые из них имеют специальное назначение, так как используются в различных командах по умолчанию.

Второй отличительной чертой CISC микропроцессоров является очень большое количество различных инструкций. Для кодирования кодов операций в формате команд выделяется 2 байта. Некоторые команды имеют один и тот же код операций, но операции выполняются над разными размерами операндов – это осуществляется за счет использования специальных байтов-префиксов, которые указывают, какие размеры операнда надо использовать. [2, с. 36]

К началу 80-х годов классические CISC полностью исчерпали себя. Расширять набор инструкций в рамках этого подхода дальше не имело смысла, наоборот - технологи столкнулись с тем, что из-за высокой сложности CISC-процессоров оказалось трудно наращивать их тактовую частоту, а из-за медленной работы оперативной памяти тех времен, зашитые в память процессора расшифровки сложных инструкций зачастую работают медленнее, чем точно такие же цепочки команд, встречающиеся в основной программе. Таким образом, стало очевидным, что CISC-процессоры нужно упрощать - и на свет появился RISC. [6, с. 26]

RISC (Redused Instuction Set Computer) — архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. и имел шифр IBM 801.

Разработчики свели к минимуму набор инструкций и количество режимов адресации памяти, сжав все в простой и удобный для декодирования регулярный машинный код.

В классическом варианте RISC из инструкций, обращающихся к оперативной памяти, оставлены только две: Load - загрузить данные в регистр и Store - сохранить данные из регистра. Они избавились от инструкций вроде вычисления синуса, косинуса или квадратного корня, так как их можно реализовать программно. [6, с. 27]

Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации.

Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

Начиная с процессора Pentium, корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия.

В то время, как в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо в большинстве случаев десять тактов и более, процессоры RISC близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. [4, с. 216]

Процессор MISC работает с минимальным набором длинных команд и характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIW обеспечивает выполнение группы команд за один цикл работы процессора.

Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIW концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

VLIW (Very Large Instruction Word – очень длинное командное слово) — архитектура, которая появилась относительно недавно. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций.

Идея VLIW базируется на том, что задача эффективного планирования параллельного выполнения нескольких команд осуществляется не аппаратными средствами, а возлагается на «разумный» компилятор. [2, с. 44] Специальный компилятор планирования перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду.

В течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд, а во-вторых — упростить структуру процессора. Этим технология VLIW отличается от суперскалярности (здесь отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы, а не заранее, из-за этого усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы). [4, с. 216]

Итак, Максимов Н. В.раздели микропроцессоры на четыре класса CISC, RISC, MISC, VLIW.

Заключение

Актуальность данной темы работы, обусловленная профессиональной значимостью формирования будущего компетентного специалиста в области информационных технологий, подтверждена.

Объектом исследования явился центральный процессор персонального компьютера.

Предметом исследования являлись назначение, функции и классификация центрального процессора.

Целью исследования являлись изучение устройства центрального процессора, рассмотрение его функций.

Для достижения цели были выполнены следующие задачи:

1. проанализированы и описаны понятие центрального процессора, его назначение и основные функции;
2. описана классификация микропроцессора.

Таким образом, практическая значимость заключается в изучении процессора и его классификации.

Список литературы

1. Воройский Ф. С. Информатика. Энциклопедия словарь справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 760 с.
2. Замковец С. В., Захаров В. Н., Красовский В. Е. Эволюция архитектур современных микропроцессоров // Системы и средства информатики. 2011 № 21 С. 34-46.
3. Макарова Н.В., Волков В.Б. Информатика. СПб.: Питер. 2011. 576 с.
4. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. М.: Форум, 2013. 512 с. 
5. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники: курс лекций, учебное пособие. М.: «Интернет-Университет Информационных Технологий», 2009. 440 с.
6. Озеров С. Архитектура CPU // Компьютерра. 2005. № 37 С. 25-38.
7. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс. СПб.: Питер, 2011. 640 с.
8. Степанов А.Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. СПб.: Питер, 2007. 509 с.
9. Степанов А.Н. Информатика. СПб.: Питер, 2010. 720 с.
10. Степина В.В. Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем. М.: ИНФРА-М, 2018. 288 с.
11. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2007. 844 с.
12. Шаляпин В.В. Основы микропроцессорной техники. Учебное пособие. СПб.: Издательство Политехнического университета, 2011. 214 с.