Центральный процессор ПК

Негосударственное образовательное  учреждение среднего профессионального  образования

Ангарский Экономико-Юридический  колледж. 
 
 
 
 

Реферат

По  теме: Центральный  процессор ПК 
 

Выполнил  студент:

Терехов Кирилл 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Ангарск 2011

 

Содержание

1. Что такое центральный процессор ПК___________________3
2. Шины процессора___________________________________3

1. Шина данных………………………………………………..4
2. Шина адреса…………………………………………………4
3. Шина управления…………………………………………...4

3. Адресация………………………………………………………..5

4. Разрядность………………………………………………………6
5. Кэш – память……………………………………………………..6
6. Технологии расширения команд процессора…………………..6
7. Hyper – Threading………………………………………………...7

 

1. Что такое Центральный  процессор ПК

 

    Центральный процессор (ЦП), или CPU, или процессор ПК – это специальный чип, который выполняет все основные вычислительные операции и осуществляет обработку информации. Процессор ПК исполняет программный код – последовательность команд (инструкций), каждая из которых закодирована и размещена в памяти.

    В общем случае каждая команда содержит операционную и операндную части. Первая содержит сведения о действиях, которые процессор должен выполнить, а вторая указывает процессору операнды – то, над чем должен «трудится» процессор. Операндная часть описывает до двух операндов инструкции. Это могут быть значения операндов, явные или неявные ссылки на регистры процессора, хранящие операнды, адрес ячейки памяти, регистры процессора и т. д. длина инструкции выражается в байтах.

    Логический  адрес исполняемой команды (инструкции) хранится в регистре Instruction Pointer (указатель инструкции) – счетчике команд. После исполнения значение счетчика увеличивается на длину инструкции, указывая на начало следующей инструкции.

    Существует  два типа инструкций:

    - линейные. Выполняются в соответствии  с их размещением в памяти  по нарастанию адреса;

    - передачи управления. К ним относятся  инструкции переходов и вызовов  процедур, которые содержат адрес  следующей исполняемой инструкции.

    Несмотря  на то, что последовательность исполнения инструкций четко предписывается командным  кодом, она может быть нарушена исключениями и прерываниями. Исключения – это  особые ситуации, возникающие при  выполнении инструкций (управляются  ОС). Аппаратные прерывания представляют собой вызовы процедур по электрическим  сигналам в специальных контактах  процессора. Источниками аппаратных прерываний являются, например, контроллеры  устройств, системы управления питанием. Кроме того, последовательность инструкций может изменяться по сигналу перезапуска  процессора. 
 

2. Шины  процессора

 

    В основу архитектуры современных  ПК положен магистрально – модульный  принцип. Модульная архитектура  предполагает магистральный (шинный) принцип  обмена информацией между устройствами с помощью следующих шин:

    - данных;

    - адреса;

    - управления.

    Физически шины представляют собой многопроводные линии. 

    Шина  данных

По этой шине данные, например считанные из оперативной памяти блоки информации, могут быть переданы процессору, а  затем после обработки отправлены обратно в оперативную память для временного хранения. Основная характеристика шины данных – разрядность, которая определяется разрядностью процессора (количеством двоичных разрядов, обрабатываемых за один такт). Чем выше разрядность, тем больше пропускная способность. Процессоры x486 имели 32 – разрядные шины данных, Pentium – 64 – разрядные, а Pentium III – двойные 64 – разрядные . 

    Шина  адреса

Известно, что каждое устройство ПК или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Процессор выбирает устройства или  ячейки памяти, в которые записывает или из которых считывает информацию по шине данных. Адрес же передается по адресной шине только в одном  направлении от процессора к оперативной  памяти и устройствам.

    Разрядность шины адреса обуславливает количество ячеек оперативной памяти с уникальными  адресами, которые можно рассчитать по формуле 2^р, где р – разрядность шины адреса. Например, для 32 – разрядной шины адреса количество адресуемых ячеек памяти составляет 4 294 967 296 (2³²). 

Шина  управления

    По  шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией. Сигналы  управления определяют, какую операцию нужно выполнять, синхронизируют обмен  информацией между устройствами и т. д. 
 
 

3. Адресация

    Почти все время работы процессора связано  с оперативной памятью, из которой  извлекаются и в которую заносятся  данные (операнды), подлежащие обработке. Поэтому работа разбивается на несколько  этапов, а их результаты сохраняются. Для этих цепей используется собственная  память процессора (регистры).

    Все действия по обработке данных в процессоре выполняются командами, представленными  в определенном формате – комбинации размера всех полей и их расположения в команде. Команда делится на две области:

    - область кода операции (указывает,  что вообще необходимо делать);

    - область адресов (операнд, с  которым это надо делать).

    Область адресов состоит из трех полей: в  первых двух хранятся адреса операндов, а в третье записывается адрес  результата действия над операндами.

    В двухадресных командах область адресов  состоит из двух полей: полей адресов  первого и второго операндов, а адрес результата записывается в поле адреса первого операнда. В одноадресных командах область  адресов состоит из одного поля, в котором находиться адрес операнда, а адрес второго операнда и  результата совпадает с сумматором. Есть и безадресные команды.

    Существует  несколько типов адресации одного операнда:

    - непосредственная адресация (вместо  адреса операнда в команде  указывается сам операнд (целое  число));

    - полный, или абсолютный, тип адресации  (в команде указан полный адрес  ячейки, где находятся данные);

    - косвенная адресация (в поле  адреса операнда может быть  указан адрес регистра или  ячейки оперативной памяти, где  хранится тот же адрес, по  которому можно найти ячейку  с нужным операндом). Количество  звеньев (или ступеней перехода) называется глубиной косвенной  адресации.

    Для нескольких операндов, или массивов, обычно указывается адрес массива  и номер (индекс) элемента. Начальный  адрес указывается в команде, где также имеется поле с номером  регистра, в котором находится  значение индекса или номер ячейки в массиве относительно начального адреса – модификация адресов. Существует и относительная адресация, когда  в регистре указан начальный адрес, в команде – адрес этого  регистра и смещение относительно начального адреса. Все остальные адреса операндов  получатся суммированием адреса и смещения. 

4. Разрядность

 

    Первые  процессорные регистры могли хранить  лишь 4 – битные числа. Затем появились 8 – и 16 – битные процессоры, с  появлением процессора x386 был реализован 32 – битный режим, что позволило работать с числами размерностью свыше двух миллиардов. 

5. Кэш – память

 

    Это статическая память (Statiс RAM – SRAM), которая, в отличие от динамической памяти, не требует периодической регенерации (обновления). Время доступа у этой памяти не более 2 нс., т. е. она может синхронно работать с процессором на частоте 500 МГц и более. Контроллер кэш – памяти находится в чипе северного моста чипсета материнской платы.

    В x386 процессорах кэш – память объемом 128 Кб располагалась на материнской плате. Начиная с процессоров x486, появился дополнительный кэш в процессоре, работающий на его частоте, - кэш первого уровня (Level I – LI). На материнской плате устанавливается кэш второго уровня (L2). В большинстве современных процессоров кэш LI и L2 встроены в ядро процессора. Причем если в Pentium II и Pentium III кэш второго уровня работает на половинной частоте процессора, то у Celeron, AMD K6 – III, Athlon и Pentium IV – на частоте процессора, что положительно сказывается на производительности.  

6. Технологии  расширения команд процессора

 

    Первой  такой выделенной технологией можно  считать MultiMedia eXtension (MMX) – расширение базового набора команд процессора (57 команд для обработки графики и звука). Одной командой можно обрабатывать множество данных, что существенно повышает производительность (SIMD – Single Instruction, Many Data – одна команда, много данных).

    При работе с ММХ – командами данные хранятся в регистрах сопроцессора, что означает невозможность выполнения операции с плавающей запятой  при одновременном выполнении ММХ  – программы. Кроме того, ММХ – команды предназначены только для работы с целыми числами.

    Из  технологии SIMD вышли две конкурирующих системы для поточной обработки данных.

    Так, в процессоры AMD K6 – 2, кроме блока ММХ – команд, был добавлен блок 3D Now!, отвечающий за обработку трехмерных изображений. В него включено 27 новых команд для обработки чисел с плавающей запятой, и, в отличие от ММХ, 3D Now! Не поддерживает работу с процессором.

    В процессорах Pentium III появился универсальный мультимедийный ускоритель, работающий по принципу SIMD, но не зависящий от ядра. Это стало возможно благодаря новому блоку SSE (Streaming SIMD Extensions – поточное SIMD – расширение). В него входят 70 команд, оперирующих 8 специальными 128 – битными регистрами. SSE позволяет выполнять одновременные операции над содержимым двух регистров. 

7. Hyper – Threading

 

    До  недавнего времени повышение  скорости работы процессоров связывали  исключительно с увеличением  их тактовой частоты и размера  кэша. Но одновременное выполнение нескольких потоков также приводит к росту скорости работы процессора, причем более существенному. Именно в обработке нескольких потоков заключается суть новой технологии Hyper – Threading.

    Как известно, процессор оперирует набором  нескольких команд, которые необходимо выполнить. Для этой цели используется счетчик команд, который указывает  на ячейки памяти, где хранится следующая  для исполнения команда. После каждой команды значение этого регистра увеличивается до самого завершения потока. По окончании выполнения потока в счетчик команд заносится адрес  следующей подлежащей исполнению инструкции. Потоки могут прерывать друг друга, но процессор запоминает значение счетчика команд в стеке и загружает  в счетчик новое значение. Общеизвестный  способ решения данной проблемы состоит  в использовании двух процессоров  – если один процессор в каждый момент времени может выполнять  один поток, то два процессора за то же время могут выполнять уже  два потока. Способность распределить выполнение нескольких потоков по ресурсам компьютера называют многопоточностью.

    Что-то подобное многопоточности предлагает и новая технология от компании Intel под названием Hyper – Threading. Появилась она в ответ на проблему неполного использования исполнительных блоков процессора. Hyper – Threading – это название технологии одновременной многопоточности (Simultaneous Multi – Threading – SMT). Один физический процессор, по сути, эмулирует ОС как два логических. В процессоре с Hyper – Threading каждый логический процессор имеет свой набор регистров (включая и отдельный счетчик команд), а чтобы не усложнять технологию, в ней не реализуется одновременное исполнение некоторых команд в двух потоках.