Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Компьютер – это универсальное устройство, которое может управлять другими устройствами по специальному алгоритму, сохраненному в собственной внутренней памяти. Запись алгоритма для компьютера называется программой. В состав любого компьютера входит процессор, это основа компьютера, его «мозг». Процессор выполняет все вычисления и управляет всеми остальными компонентами компьютера. Также обязательной частью любого компьютера является оперативная память. В оперативной памяти хранится как сама программа, по которой производятся вычисления так и сами обрабатываемые данные. В состав компьютера обязательно входит шина – набор проводников по которым передаются сигналы управления и данные между составными частями компьютера. В составе компьютера может быть одна шина или несколько. К шине подключаются внешние устройства. Наиболее распространенные это жесткий диск, клавиатура, мышь, монитор, сетевая карта, модем и другие. Ни одно из внешних устройств не является обязательным, но какие-то внешние устройства всегда присутствуют, так как через них происходит связь компьютера с внешним миром.

Процессор является основой любого компьютера. Это сверхбольшая интегральная микросхема, содержащая внутри миллионы транзисторов. Современные процессоры чрезвычайно сложны и могут содержать несколько уровней описания и построения.^[1]

Целью данной курсовой работы является изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик центрального процессора.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

На протяжении всей истории развития человечество изобретало, совершенствовало и развивало технические средства для проведения вычислений и обработки данных. Одними из первых средств для проведения вычислений были счетные палочки, которые до сих пор используются в дошкольных учреждениях для обучения счету. Постепенно средства для проведения вычислений становились все более сложными и позволяли производить большее количество операций, появились счетные доски (абак), счеты, логарифмическая линейка, арифмометр и наконец, компьютер.

Первая счетная машина была изобретена французским математиком Блезом Паскалем в 1642 году, она могла выполнять только операции сложения и вычитания. В 1673 году немецкий математик Готфрид Лейбниц создал прототип арифмометра, который мог выполнять все четыре математических действия.^[2]

В 1854 году Джордж Буль написал работу, в которой описал своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применяемую к различным объектам. Этот раздел математической логики впоследствии назовут булевой алгеброй. Пользуясь этой системой можно закодировать высказывания с помощью специального языка, а затем манипулировать ими как в математике обычными числами. Основные операции этой системы И, ИЛИ и НЕ.^[3]

В 1936 году английским математиком Аланом Тьюрингом, для формализации понятия алгоритма, была предложена абстрактная вычислительная машина, названная впоследствии машиной Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой простейшую вычислительную машину, но несмотря на простоту на ней можно вычислить все, что можно вычислить на любой другой машине, осуществляющей вычисления с помощью последовательности элементарных действий.^[4]

В 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом были сформулированы общие принципы, составляющие основу архитектуры большинства компьютеров. Общие принципы фон-неймановской архитектуры следующие: принцип программного управления – из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности; принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти; принцип адресности – основная память состоит из пронумерованных ячеек, так что процессору в любой момент времени доступна любая ячейка. Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода.^[5]

В нашей стране, независимо от фон Неймана, Сергеем Алексеевичем Лебедевым были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных вычислительных машин.^[6]

В 1940-х годах двадцатого века создаются первые электронно-счетные машины. Первые электронно-счетные машины изготавливались на лампах и реле, занимали огромные площади, потребляли большое количество энергии, имели малое быстродействие и низкую надежность. Развитие полупроводниковой электроники способствовало появлению интегральной технологии, появлению больших и сверхбольших интегральных микросхем, что позволило революционно повысить быстродействие и надежность, значительно уменьшить габариты и потребляемую мощность электронно-вычислительных машин. В 1974 году фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор. В 1976 году был создан первый персональный компьютер, содержащий, ставшим традиционным, набор функциональных узлов: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода-вывода, системную шину, источник питания. Персональный компьютер представляет собой наиболее развитый класс микропроцессорных систем. Несмотря на то, что первый персональный компьютер выпустила фирма Apple, сейчас в основном персональными компьютерами называют IBM PC-совместимые компьютеры. Это связано с тем, что фирма IBM не скрывала принципов устройства своих компьютеров и не патентовала основных решений. В результате большинство производителей стали выпускать совместимые компьютеры, фактически они стали стандартом для персональных компьютеров.^[7]

ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ

Универсальный, то есть процессор позволяющий производить все вычисления микропроцессор, предназначенный для выполнения в ЭВМ основных функций управления работой других узлов компьютера и функций обработки данных, называется центральным процессором — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессоры, которые предназначаются для выполнения специальных задач, называются сопроцессорами — FPU (Function Processing Unit). Для сопроцессоров характерно наличие расширенного набора регистров специализированных команд и типов данных, которые позволяют облегчить программирование и ускорить выполнение специализированных операций. В названии сопроцессора, как правило, отражается его специализация, например, математический сопроцессор, используется для выполнения математических операций, графический ускоритель (сопроцессор) применяется для вывода изображения на экран. Математический сопроцессор, специально оптимизирован для работы с определенным типом центрального процессора и производит вместо него основной объем арифметических, тригонометрических, логарифмических и экспоненциальных операций, производя эти операции с большой скоростью. Графический сопроцессор обеспечивает большую производительность при обработке трехмерной графики и построения на экране быстро изменяющихся изображений.^[8]

Чтобы классифицировать микропроцессоры применяется несколько признаков, главными из которых являются:

Применяемое количество больших интегральных схем, на которых реализован процессор. Существуют однокристальные, многокристальные и многосекционные микропроцессоры. В однокристальном микропроцессоре все устройства выполнены в одном корпусе, на одном кристалле кремния, и он представляет собой функционально законченное устройство, в котором разрядность шин фиксирована. В многокристальном микропроцессоре каждая из его частей – блок обработки команд и данных, управляющее устройство выполнена отдельно, поэтому для работы микропроцессора необходимо их взаимное соединение. В многосекционном микропроцессоре все части выполнены на одном кристалле, но вместе с тем взаимное соединение таких процессоров позволяет наращивать разрядность используемых шин. Наиболее существенным различием между процессорами является количество разрядов адреса и данных, которые всегда кратны байту.
Разрядность шины адреса (адресное пространство микропроцессора).
Разрядность шины данных.
Разрядность внутренних регистров.

Исполняемое микропроцессором количество команд, и их функциональность. Различают многофункциональную и сокращенную системы команд. Первую из них называют CISC (Complex Instruction Set Computer — «Компьютер с Полным Набором Команд»). Для полного набора команд, каждая из команд микропроцессора специализирована и предназначается для выполнения какого-либо одного законченного и полнофункционального действия. Такие команды имеют различную длину и состоят из большого числа действий. Процессор с сокращенной системой команд называют RISC (Reduced Instruction Set Computer — «Компьютер с Сокращенным Набором Команд»). В этой системе предполагается применение только простейших команд, при этом каждая команда выполняет элементарные операции, поэтому любые действия микропроцессора обеспечиваются совокупностью таких команд. Длина таких команд невелика и фиксирована, что позволяет увеличить быстродействие микропроцессора и значительно упростить его структуру.

Частота тактирующих сигналов микропроцессора, которая характеризует его быстродействие, это количество элементарных операций выполняемых микропроцессором в одну секунду.^{^[9]}

Постоянная борьба разработчиков за повышение производительности микропроцессоров привела к многоуровневой системе кэширования практически во всех процессорах. Многоуровневая кэш – память является составным буфером ядра процессора, который служит для увеличения скорости обмена со значительно более медленной оперативной памятью. Для работы с кэш – памятью используется последовательный алгоритм поиска нужной информации. Вначале нужная информация ищется в кэш первого уровня, если ее там нет, то поиск производится в кэш второго уровня. Если нужной информации и там нет, то производится поиск в кэш третьего уровня. Если нужной информации нет ни в одном кэш, то процессор производит обращение к оперативной памяти для последующего заполнения кэш – памяти нужной информацией. В связи с тем, что объем такой кэш – памяти невелик, данные и использованные команды периодически удаляются из кэш и по мере необходимости заменяются новыми. В современных микропроцессорах все уровни кэш – памяти практически работают на той же частоте, что и ядро процессора, и поэтому скорость обмена информацией с кэш – памятью зачастую более чем на порядок превышает скорость обмена процессора с основной оперативной памятью. Скорость работы с кэш – памятью зависит не только от частоты, но и от ширины шины, с помощью которой она интегрирована в ядро процессора. Аппаратная реализация связи между кэш первого и второго уровня в большинстве процессоров представляет собой двунаправленную 64-х разрядную шину, или однонаправленную шину шириной до 256 бит, работающую либо на прием, либо на передачу.^{^[10]}

Для того, чтобы можно было выполнять несколько команд одновременно в современные процессоры встраивают ряд внутренних конвейеров. Технология, когда одновременно выполняются несколько команд называют суперскалярной. Параллельное и внеочередное выполнение команд в ядре осуществляет блок конвейера микрокоманд, который представляет собой буфер, в котором в специально организованной очереди хранятся микрокоманды, упорядоченные по времени выполнения. В конвейере также хранятся необходимые данные о выделенных ресурсах процессора: используемые регистры и функциональные устройства для внеочередного параллельного выполнения команд. Количество микроинструкций, которые одновременно могут выполняться, и минимальное время выполнения отдельной команды определяется длиной конвейера. По мере выполнения микрокоманд, очередь сдвигается, освобождая место для следующих микрокоманд, которые поступают из декодера. Следующая микрокоманда находится в очереди, ожидая готовности данных или освобождения ресурсов микропроцессора.^[11]

Несколько лет назад производителям стало понятно, что сохранение существующей архитектуры микропроцессоров сдерживает их развитие, так как наращивать тактовую частоту и обеспечивать нормальный тепловой режим сверхбольшой интегральной схемы становится практически невозможно. Было принято решение о повышении производительности микропроцессоров за счет перехода на многоядерные структуры, при этом тактовая частота сохранялась на достигнутом уровне, или даже уменьшалась, также поддерживалось стабильное энергопотребление. По оценкам разных экспертов двухкратное увеличение ядер процессора может приводить к росту производительности более чем на 40%, а четырехъядерный процессор имеет в 1,5 раза большую производительность, чем лучшие 2-х ядерные. В настоящее время можно утверждать, что увеличение числа ядер микропроцессора является оптимальным способом увеличения производительности ЭВМ. При этом производительность многоядерных процессоров зависит от эффективного программного обеспечения. При создании многоядерных процессоров, производители применяют следующие подходы:^[12]

используют одинаковые и независимые процессорные ядра, которые расположены на разных кристаллах и которые объединены в одном корпусе (многосекционный микропроцессор);
независимые и одинаковые процессорные ядра размещают на одном кристалле;
процессорные ядра интегрированы в один кристалл и при этом используют общие встроенные ресурсы, такие как шину FSB, кэш второго уровня, контроллер системной памяти.

В целях снижения потребляемой мощности и для улучшения теплового режима сверхбольшой интегральной схемы во всех современных процессорах введена система двойного питания. Процессоры с двойным напряжением питания используют 3,3 В для питания буферов шины FSB и пониженное напряжение для питания ядра – у разных типов процессоров может изменяться от 1,4 до 2,0 В. При этом ядро работает на более высокой частоте и потребляет значительную часть мощности. Схемы преобразования уровней включаются между ядром и буферами для согласования уровней напряжения.^[13]

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССОР ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Основу ЭВМ составляет процессор – центральное обрабатывающее устройство, которое служит для логических и арифметических преобразований данных, организации обращений к оперативной памяти, внешним устройствам, управления ходом вычислительного процесса. Его задача выполнять программы расположенные в основной памяти. Для этого он извлекает команды из памяти, определяет их тип и затем последовательно выполняет их.^[14]

В состав практически любого процессора входят: арифметико-логическое устройство (далее АЛУ), блок управления, быстрая память небольшого объема. АЛУ выполняет арифметические операции и логические операции. Блок управления вызывает команды из памяти и определяет их тип. Быстрая память предназначена для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Быстрая память состоит из регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Операции чтения и записи в регистровой памяти производятся очень быстро, так как они находятся внутри центрального процессора.^[15]

Отдельные элементы процессора связаны между собой внутренней шиной, связь с внешними устройствами и в первую очередь с оперативной памятью осуществляется через внешнюю шину. Основных шин три – это шина данных, шина адреса и командная шина. В большинстве процессоров шина адреса 32-х разрядная, то есть состоит из 32 параллельных проводников. Комбинация из 32 единиц и нулей образует 32-х разрядный адрес, который указывает на одну из ячеек оперативной памяти. К этой ячейке подключается процессор для чтения данных из ячейки в один из своих регистров или записи в эту ячейку содержимого регистра.^[16]

По этой шине данных происходит чтение и запись данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных, как правило, 64-х разрядная, то есть состоит из 64 параллельных проводников, по которым на обработку поступают сразу восемь байтов. Чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему необходимы команды. Команды также поступают в процессор из оперативной памяти, но не из области, где хранятся данные, а из области памяти, в которой хранится программный код. У большинства современных процессоров шина команд 32-х разрядная, однако, существуют процессоры и с 64-х разрядной командной шиной и с 128-и разрядной шиной.^[17]

ЭВМ условно можно разделить на два блока – операционный и управляющий. Для выполнения любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого узла ЭВМ подать определенную последовательность управляющих сигналов, особым образом распределенную во времени. Блок, отвечающий за выработку последовательностей управляющих сигналов, называется устройством управления. Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит выполнение микрокоманд (преобразование информации) в операционном блоке, а также производятся операции записи в оперативную память и операции чтения из оперативной памяти. Устройства управления подразделяются на устройства управления с жесткой логикой, и устройства управления с программируемой логикой.^[18]

В машине фон Неймана в качестве операционного устройства применяется АЛУ. Так как разнообразие обрабатываемых данных и выполняемых операций велико, существует не одно устройство, а целый комплекс операционных устройств, каждое из которых выполняет свое подмножество команд. Выделяют операционные устройства: логических операций, целочисленной арифметики, десятичной арифметики, чисел с плавающей запятой и другие. В общем варианте арифметико-логическое устройство должно содержать узлы для реализации основных логических операций, операций сдвига, инвертирования, и сложения чисел в формате с фиксированной запятой. Используя этот набор, имеется возможность с помощью программного способа обеспечить выполнение всех логических и арифметических операций для чисел с фиксированной запятой, а также и для других форм представления информации. Однако подобный способ не позволяет добиться высокой скорости производимых вычислений и поэтому количество функциональных узлов в составе АЛУ постоянно возрастает.^[19]

Набор функциональных элементов, из которых строятся структуры различных операционных устройств, называется структурным базисом. Структурный базис операционных устройств включает в себя регистры, шины и комбинационные схемы. Регистры предназначены для хранения слов данных. Шины связывают регистры и предназначены для передачи слов данных. Комбинационные схемы производят вычисления в зависимости от управляющих сигналов устройства управления. Таким образом, выполнение команды сводится к нескольким операциям пересылки из регистра в регистр и если это необходимо, преобразование пересылаемых слов на комбинационных логических схемах. Регистры предназначены для хранения двоичных слов. Регистр представляет собой линейку триггеров, при подаче на входы которых определенной комбинации сигналов, выходы меняют свое состояние. Регистры могут быть явно программно-видимыми, видимыми косвенно, внутренними (например, регистр адреса памяти и регистр для обмена данными с памятью, регистры для хранения внутренних результатов). Шины представляют собой набор параллельных проводников. Предназначены для связи между собой различных устройств и передачи данных между адресатами параллельным кодом. Арифметико-логическое устройство – это комбинационная схема, которая не содержит внутри элементов памяти. Она принимает на вход два операнда (например, содержимое двух регистров) и формирует на выходе результат операции. Большинство процессоров содержат одну общую схему для выполнения операций И, ИЛИ и сложения над двумя машинными словами. Такая схема для i-разрядных слов состоит из i одинаковых схем для каждой битовой позиции.^[20]

Выше описанное устройство является устройством с жесткой структурой. Более широко применяются операционные устройства с магистральной структурой. В операционных устройствах с магистральной структурой все регистры объединены в единый блок регистров общего назначения, а все комбинационные схемы в операционный блок, который также ассоциируется с определением арифметико-логическое устройство. Операционный блок и блок регистров общего назначения объединяются между собой с помощью магистралей, поэтому и появилось название – магистральное операционное устройство.^[21]

Устройство управления микропроцессора осуществляет функции управления ходом вычислительного процесса, осуществляя автоматическую выборку и выполнение команд программы. Входной информацией для устройства управления является:^[22]

тактирующие сигналы, с поступлением каждого сигнала устройство управления выполняет одну или несколько микроопераций;
код операции, он поступает из регистра команд и применяется для того, чтобы определить, какие микроопераций должны выполняться в данный момент времени;
флаги, нужны для определения состояния процессора, что необходимо для исполнения команд перехода по определенному условию;
сигналы, поступающие из системной шины, они нужны для обслуживания прерываний и осуществления прямого доступа к памяти.

Микропрограммный автомат, в свою очередь, формирует следующую выходную информацию:

внутренние сигналы управления, для перемещения операндов из регистра в регистр и инициации работы операционных устройств;
формирование сигналов на системной шине, для управления памятью и устройствами ввода-вывода.

Элементарные действия, выполняемые устройством управления в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями. Совокупность одновременно выполняющихся микроопераций образует микрокоманду. Набор микрокоманд, определяющий порядок выполнения машинного цикла, составляет микропрограмму. Устройство управления (микропрограммный автомат) определяет микропрограмму как определенную последовательность исполнения микроопераций.

В структуре устройства управления можно выделить две составляющие части – адресную и управляющую. Адресная часть необходима для формирования адресов команд и адресов операндов в основной памяти. Управляющая часть отвечает за координацию работы адресной части, операционного блока, основной памяти и других входящих в состав ЭВМ устройств.

В состав управляющей части входят микропрограммный автомат, регистр команд, узел прерываний и приоритетов. Микропрограммный автомат осуществляет декодирование команды и формирует определенную последовательность микрокоманд. От того, каким способом происходит формирования микрокоманд, различают микропрограммные автоматы с жесткой логикой и микропрограммные автоматы с программируемой логикой.

В состав адресной части устройства управления входят операционный узел устройства управления, счетчик команд и регистр адреса. Регистр адреса предназначен для хранения адресов операндов, а счетчик команд предназначен для формирования и хранения адресов команд. Содержимое этих регистров пересылаются в регистр адреса основной памяти. Операционный узел устройства управления осуществляет обработку адресных частей команд и формирует исполнительные адреса операндов. При выполнении команд перехода операционный узел устройства управления подготавливает адрес следующей команды. Операционный узел устройства управления иногда совмещают с основным операционным устройством.^[23]

Название всего устройства управления определяется типом используемого микропрограммного автомата. В микропрограммном автомате с жесткой логикой управляющие выходные сигналы формируются с помощью определенным образом спроектированных и единожды соединенных логических схем. Микропрограммный автомат с программируемой логикой отличается от микропрограммного автомата с жесткой логикой наличием памяти микропрограмм. Для каждой команды вычислительного устройства в этой памяти соответствует своя микропрограмма. Микропрограммирование сигналов управления предложил британский ученый Морис Уилкс в 1951 году. В ЭВМ появились три уровня выполнения команд – между сигналами управления и командами появилась микропрограмма. Любая команда интерпретировалась в микропрограмму. Аппаратное обеспечение микропроцессора выполняло только микропрограммы с ограниченным набором микрокоманд, соответственно при этом значительно уменьшались аппаратные затраты. В конце 60-х годов идея о том, что программа должна сначала интерпретироваться микропрограммами, и только затем выполняться непосредственно электроникой, стала преобладать у большинства производителей. Но в современных микропроцессорах отказались от идеи микропрограммирования, так как она стала сдерживать рост производительности, притом, что аппаратные затраты стали значительно менее существенны.^[24]

ГЛАВА 4. АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ КОМАНД

По мере развития вычислительной техники появлялись различные архитектуры системы команд, в определенное время некоторые из них становились основными.

Анализируя архитектуры команд необходимо выделить два существенных момента. Первый момент – это состав операций, которые выполняются вычислительной машиной и их сложность. Второй момент – это где хранятся операнды, что влияет на длину адресов и их количество в адресной части команды.^[25]

При современном подходе к технологии программирования в основном ориентируются на языки высокого уровня. Основная цель при этом – облегчить процесс написания программы. При этом переход к программированию на языках высокого уровня породил серьезную проблему – сложные операторы очень сильно отличаются от простых машинных операций, которые реализуются в большинстве вычислительных машин. Эта проблема получила название семантическою разрыва. Следствием семантического разрыва является неэффективное выполнение программ на ЭВМ. С целью преодолеть семантический разрыв, в настоящее время разработчики микропроцессоров выбирают один из трех подходов и как следствие один из трех типов архитектуры системы команд:

CISC – архитектуру с полным набором команд (Complex Instruction Set Соmputer);
RISC – архитектуру с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Compllter);
VLIW – архитектуру с командными словами сверхбольшой длины: (Vегу Long Instruction Word)

В микропроцессорах использующих архитектуру системы команд CISC проблема семантического разрыва решается за счет дополнения системы команд сложными командами, расширения системы команд. При этом команды семантически аналогичны операторам языков высокого уровня. Исторически основоположником CISC – архитектуры является компания IBM, аналогичный подход использует и компания Intel в микропроцессорах серии 8086 и Pentium. Архитектура CISC является фактическим стандартом в микропроцессорах для персональных компьютеров.

Для CISC – архитектуры характерно следующее:^[26]

наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;
большое количество машинных команд, некоторые из команд аппаратно реализуют сложные операторы языков высокого уровня;
широкое применение микропрограммирования;
широкое разнообразие способов адресации операндов;
разное время выполнения команд;
широкое множество команд различной разрядности, длина команды может составлять от одного до десяти байт;
преобладают двухадресные форматы команд;
имеются команды, где обработка совмещается с обращением к памяти.

Применение CISC – архитектуры ведет к усложнению аппаратуры ЭВМ, и в основном к усложнению устройства управления. Это, в свою очередь, отрицательно сказывается на производительности ЭВМ в целом.

Эта проблема заставила более тщательно проанализировать программы, которые получались после компиляции с языков высокого уровня. Был произведен ряд исследований, в результате которых обнаружилось, что процент команд, эквивалентных операторам языков высокого уровня, в большинстве программ не превышает десяти - двадцати, а для наиболее сложных команд даже 0,2%. При этом объем аппаратных средств, требующихся чтобы реализовать дополнительные команды, сильно возрастает. Объем микропрограммной памяти при поддержании сложных команд может увеличиваться на 60%.^[27] Тщательный анализ результатов этих исследований привел к появлению RISC архитектуры.

В 1980 году американским ученым Дэвидом Паттерсоном впервые был использован термин RISC. Идея RISC – архитектуры заключается в сокращении списка команд, при этом наиболее часто используются простейшие команды, оперирующие данными, которые размещены только в регистрах микропроцессора. Сложные команды языков высокого уровня выполняются с помощью набора простых команд, число которых больше чем в СISC, зато время их выполнения меньше.

Для RISC – архитектуры характерно следующее:^[28]

сравнительно небольшое число команд с простым декодированием;
очень сильно уменьшено количество форматов команд;
почти все команды выполняются за один такт;
ограниченное количество способов адресации;
наличие длинного регистрового файла, что позволяет большему объему данных храниться в регистрах микропроцессора большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;
обращение к памяти происходит только лишь с помощью специальных команд чтения и записи;
применяются трехадресные команды, что кроме упрощения дешифрации делает возможным сохранение большего числа переменных в регистрах без необходимости их последующей перезагрузки;
эффективная загрузка конвейера команд.

В 1980 году Дэвид Паттерсон с коллегами из Беркли изготовили две ЭВМ, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Основными идеями этих машин стало разделение медленной памяти и высокоскоростных регистров, а также применение регистровых окон. В 1981 году Джон Лерой Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание машины MIPS, основное внимание в которой было уделено эффективной реализации конвейерной обработки с помощью тщательного планирования компилятором загрузки конвейера.^[29]

В последних разработках микропроцессоров фирмы Intel и AMD широко используют идеи, свойственные RISС – архитектуре, так что постепенно различия между CISC и RISC архитектурами стираются.

Концепция VLIW – архитектуры (команды cо словами сверхбольшой длины) основывается на RISС – архитектуре, где происходит объединение нескольких простых RISC – команд в одну сверхдлинную команду и параллельное выполнение команд.^[30]

Ответ на вопрос где могут храниться операнды, и каким образом к ним осуществляется доступ, играет большую роль в выборе архитектуры системы команд. В связи с этим различают следующие виды архитектур системы команд:^[31]

стековую;
аккумуляторную;
регистровую;
с выделенным доступом к памяти.

Стековая архитектура основана на памяти, состоящей из взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу – последним вошел, первым вышел. Такую память называют стеком. Верхнюю ячейку памяти называют вершиной стека. Для работы со стеком используется две операции: рush (занесение в стек) и рор (извлечение из стека). Запись данных возможна только в верхнюю ячейку стека, при этом вся хранящаяся в стеке информация сдвигается на одну позицию вниз. Чтение данных допустимо только из вершины стека. Извлеченные данные удаляются из стека, а оставшиеся данные в стеке сдвигаются на одну позицию вверх. В микропроцессорах, с реализованной архитектурой системы команд на основе стека, операнды перед их обработкой помещаются в две верхних ячейки стека. Результат операции также заносится в стек. В большинстве процессоров стек организован в участке обычной памяти с адресной организацией. Для этого в процессоре применяется специальный регистр – указатель стека. Указатель стека содержит адрес участка памяти, в который будет осуществляться стековый доступ, иначе говоря, адрес верхушки стека. Регистр – указатель стека, как правило, программно доступен, и к нему можно обращаться как к любому другому регистру. Архитектура системы команд на основе стека долгое время считалась неперспективной, но в настоящее время возрождается интерес к стековой архитектуре процессора, это связано с возрастающей популярностью языка Java, семантике которого наиболее близка именно стековая архитектура.^[32]

Аккумуляторная архитектура исторически появилась одной из первых. В аккумуляторной архитектуре для хранения одного из операндов логической или арифметической операции в микропроцессоре используется специальный выделенный регистр – аккумулятор. Результат операции также помещается в этот же регистр – аккумулятор. Так как адрес одного из операндов заранее предопределен, в команде достаточно явно указать адрес только второго операнда. Вначале оба операнда хранятся в основной памяти, и до начала выполнения операции один из них необходимо загрузить в аккумулятор. После выполнения команды результат будет помещен в аккумулятор, при этом если он не является операндом для следующей команды, его необходимо сохранить в памяти. Достоинством аккумуляторной архитектуры системы команд являются короткие команды и простота декодирования команд. Вместе с тем наличие только одного регистра делает необходимым многократные обращения к основной памяти.^[33]

В ЭВМ с регистровой архитектурой системы команд, микропроцессор содержит в себе набор регистров или регистровый файл, называемыми также регистрами общего назначения. Этот регистровый файл, в некотором смысле, можно рассматривать как явно управляемую быструю регистровую память для хранения недавно использовавшихся данных. Размер регистров совпадает с размером машинного слова и обычно фиксирован. К любому регистру можно обратиться, явно указав его номер. Количество регистров общего назначения в архитектурах типа CISC обычно составляет от 8 до 32, поэтому для указания адреса конкретного регистра необходимо не более пяти разрядов. Благодаря этому в адресной части команд можно одновременно указать номера двух, а также зачастую и трех регистров (например, двух регистров операндов и одного регистра результата). В RISC – архитектуре используется намного большее число регистров общего назначения (до нескольких сотен). Вместе с тем типичная для таких процессоров длина команды (как правило, 32 разряда) позволяет указать в команде до трех регистров. Регистровая архитектура позволяет расположить операнды либо в регистрах, либо в основной памяти, с учетом этого в рамках регистровой архитектуры системы команд выделяются три подвида команд обработки: регистр – регистр; регистр – память; память – память.^[34]

Исполнение команды типа регистр – регистр характеризуется фиксированной длиной команды, быстротой выполнения и простотой реализации, но при этом большой длиной кода. Команды типа регистр - регистр являются основными в процессорах типа RISC.

Тип команд регистр-память имеют малую длину кода, простое декодирование, но при этом длинное место адреса в коде и потерю операнда при записи. Этот тип команд характерен для процессоров типа CISC.

Вариант память – память считается неэффективным, хотя и применяется в некоторых моделях процессоров типа CISC.

К несомненным достоинствам регистровых архитектур системы команд относится компактность получаемого кода, высокая скорость производимых вычислений за счет обращения к регистрам вместо обращений к памяти. Вместе с тем эта архитектура требует использования более длинных инструкций в сравнении с аккумуляторной архитектурой. В настоящее время этот вид архитектуры является преобладающим.^[35]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель данной курсовой работы посвящена изучению процессора персонального компьютера, его назначению и классификации.

Процессор является основным звеном персонального компьютера, его «мозгом» и служит для обработки различных массивов данных, произведения вычислений, а также для управления работой всех устройств персонального компьютера.

В первой главе курсовой работы рассмотрена история изобретения и развития различных средств, призванных облегчить вычисления, от древнейших времен до наших дней. Во второй главе рассмотрена классификация микропроцессоров с точки зрения их строения, применяемых технологий, аппаратных особенностей. В третьей главе рассмотрен состав и функционирование микропроцессора. В четвертой главе рассмотрены архитектуры системы команд, применяемые различными разработчиками микропроцессоров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. 512 с.
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. 816 с.
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. 367 с.
http://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK_pt1/Book
_teria_prog_1.html. Голиков В.А. Интернет-курс по дисциплине Теория программирования. Часть первая. Московский финансово-промышленный университет «Университет», 2006
Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. 272 с.
Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. 640 с.
Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ. Изд. 2-е. М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. 184 с.
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. 336 с.

http://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/ProgBK_pt1/Book_teria_prog_1.html Голиков В.А. Интернет-курс по дисциплине Теория программирования. Часть первая. Московский финансово-промышленный университет «Университет», 2006 ↑
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. С. 33. ↑
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 11. ↑
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 15. ↑
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс, 2013. С. 37 - 38. ↑
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 16 - 18. ↑
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Учебное издание. М.: Форум, 2013. С. 20 - 21. ↑
Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. С. 42 - 43 ↑
Догадин Н. Б. Архитектура компьютера. Учебное пособие. Изд. 2-е. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. С. 43 - 44 ↑
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 82 -84 ↑
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 85 -86 ↑
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 88 ↑
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 89 ↑
Сидоров В.Д., Струмпэ Н.В. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Учебник. Изд. 3-е. М.: Издательский центр «Академия», 2014. С. 79 ↑
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. Изд. 6-е. СПб.: Питер Пресс: 2013. С. 76 - 77 ↑
Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. С. 87 ↑
Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. Изд. 3-е. Стандарт третьего поколения. СПб.: Питер, 2011. С. 87 ↑
Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ. Изд. 2-е. М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. С. 35 - 36 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 87 - 88 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 88 - 89 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 93 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 95 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 97 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 95 - 99 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 103 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 104 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 105 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 105 -106 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 106 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 106 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 107 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 107 - 108 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 108 - 109 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 109 ↑
Молодяков С.А. ЭВМ и периферийные устройства. Часть I. Основы организации ЭВМ. Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ, 2012. С. 109 - 110 ↑