2.2 Типовой состав
В состав центрального процессора
входят:
устройство управления (УУ);
арифметико-логическое устройство
(АЛУ);
запоминающее устройство (ЗУ)
на основе регистров процессорной памяти
и кэш-памяти процессора;
генератор тактовой частоты
(ГТЧ).
генератор тактовой частоты
(ГТЧ).
Устройство управления организует
процесс выполнения программ и координирует
взаимодействие всех устройств ЭВМ во
время её работы.
Арифметико-логическое устройство
выполняет арифметические и логические
операции над данными: сложение, вычитание,
умножение, деление, сравнение и др.
Запоминающее устройство - это
внутренняя память процессора. Регистры
служит промежуточной быстрой памятью,
используя которые, процессор выполняет
расчёты и сохраняет промежуточные результаты.
Для ускорения работы с оперативной памятью
используется кэш-память, в которую с опережением
подкачиваются команды и данные из оперативной
памяти, необходимые процессору для последующих
операций.
Генератор тактовой частоты
генерирует электрические импульсы, синхронизирующие
работу всех узлов компьютера. В ритме
ГТЧ работает центральный процессор. К
основным характеристикам процессора
относятся:
Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.
Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду.
2.3 Принципы функционирования
Микропроцессор представляет
собой сложное электронное устройство
для выполнения различных операций. Любой
процессор поддерживает определенный
набор команд, которые может исполнять,
и содержит набор внутренних ячеек памяти,
регистров, с которыми может работать
гораздо быстрее, чем с внешней памятью.
Возможности ПК, как универсального исполнителя
по работе с информацией определяется
системой команд процессора. Эта система
команд представляет собой язык машинных
команд. (ЯМК) Из языка ЯМК составляются
программы управления работой компьютера.
Отдельная команда представляет отдельную
операцию (действие) компьютера. В ЯМК
существуют операции по которым выполняется
арифметич., логич. операции, операции
управления последовательностью команд,
операции передачи данных из одних устройств
памяти в другие и пр. Различают два типа
архитектуры микропроцессоров – CISC и
RISC.
CISC (Complex Instruction
Set Computer) подразумевает, что процессор
поддерживает очень большой набор команд
(более 200) (полную систему команд) и имеет
небольшое число регистров. Реализующие
на уровне машинного языка комплексные
наборы команд различной сложности (от
простых, характерных для микропроцессора
1-го поколения, до значительной сложности,
характерных для современных процессоров.
В свою очередь RISC-архитектура
(Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный
набор команд и большое число внутренних
регистров. Все команды работают с операндами
и имеют одинаковый формат. Обращение
к памяти выполняется с помощью специальных
команд загрузки регистра и записи. Простота
структуры и небольшой набор команд позволяет
реализовать полностью их аппаратное
выполнение и эффективный конвейер при
небольшом объеме оборудования. Высокая
степень дробления конвейера. Споры о
том, что лучше, идут до сих пор. RISC-процессор
работает быстрее, т. к. команды простые.
И стоят дешевле, но программы для них
занимают больше места, чем для CISC. Именно
поэтому в условиях дефицит оперативной
памяти первоначальное развитие процессоров
для персональных компьютеров пошло в
направлении CISC-архитектуры Все процессоры,
совместимые с набором команд х86 являются
CISC процессорами, хотя некоторые могут
иметь элементы RISC-архитектуры. Микропроцессоры
5 поколения имеют 64 разрядную шину данных
и адресов. Могут работать с 8,16,32 битными
данными, поддерживают конвейерную структуру
и обладают возможностью предсказывать
направление переходов в программе. Процессоры,
обладающие немного большими возможностями,
как правило, относят к шестому поколению.
Рассмотрим основные принципы работы
современных процессоров. Прежде всего
отметим, что процессор выполняет программу,
которая хранится в памяти, Программа
представляет собой набор команд (инструкций)
и данных. Последовательно считывая команды
процессор выполняет соответствующие
действия. Каждая команда представлена
несколькими байтами, причем длина ее
не фиксирована и может составлять от
1 по 15.
2.4 Характеристики
центрального процессора
Тактовая частота — это основная характеристика процессора, которая определяет его возможности и производительность системы в целом. Каждый тип процессора выпускается в виде целой линейки (семейства) моделей, отличающихся различными характеристиками и, прежде всего, тактовой частотой. Так, процессор Pentium IV может выпускаться в различных модификациях с тактовой частотой от 2,0 До 3,8 МГц. Тактовая частота процессора определяется двумя факторами: частотой системной шины и внутренним множителем процессора (внутренней тактовой частотой). Первый параметр фактически не зависит от самого процессора, а определяется системной платой, точнее ее чипсетом. Системные платы могут выпускаться с разными частотами — от 256 до 800 МГц . Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри ПК. В ритме этого метронома работает ЦП. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Измеряется в МГц.
Техшаг
Процессор состоит из многих
миллионов транзисторов. Их можно условно
представить себе в виде точек в узлах
прямоугольной сетки — как зерна люминофора
на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Расстояние между транзисторами про¬цессора
определяется используемой технологией
производства и в настоящее время составляет
0,09 мк или 90 нм. Чем меньше это расстояние,
тем лучше. Уменьшение размеров транзистора
влечет за собой уменьшение шага, а значит,
уменьшается мощность тепловыделения
и себестоимость изготовления, увеличивается
максимально достижимая частота процессора.
Разрядность процессора. Разрядностью называют максимальное
количество разрядов двоичного кода, которые
могут обрабатываться или передаваться
процессором одновременно. Разрядность
процессора определяется разрядностью
его регистров, в которые помещаются обрабатываемые
данные. Например разрядность регистра
2 байта – 16 бит, то разрядность ЦП – 16.,
8 байт -64 Ячейка – группа последовательных
байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию,
доступную для обработки отдельной командой
процессора. Содержимое ячейки память
называется машинным словом. Очевидно,
что размер ячейки памяти и машинного
слова равен разрядности процессора. Обмен
информацией между ЦП и внутренней памятью
производится машинными словами. Адрес
ячейки памяти – равен адресу мл. байта
( байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и
ячеек начинается с 0. Адреса ячеек кратны
количеству байтов в машинном слове. Итак, Ячейка – вместилище информации,
машинное слово – информация в ячейке.
Адресное Пространство. По адресной шине процессор
передает адресный код – двоичное число,
обозначающее адрес ячейки памяти или
внешнего устройства, куда направляется
информация по шине данных. Адресное пространство – это диапазон адресов
( множество адресов) к которым может обратиться
процессор, используя адресный код. Если
адресный код содержит n – бит, то размер адресного пространства 2n байт Обычно размер адресного кода = количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины)
Архитектура. ЦП - конструкция процессора и имеющаяся система команд (инструкций)К архитектуре относятся следующие элементы) Система команд и способы адресации) Возможности совмещения выполнения команд во временив) Наличие дополнительных узлов и устройств в составе МПг) Режимы работы процессора) Система команд представляет собой совокупность
команд, которые могут выполняться процессором.
х86, MMX SSE SSE2 SSE3 3DNOWб)
Конвейер
Сегодняшние процессоры обеспечивают
совмещение выполнения нескольких последовательно
расположенных команд во времени, образуя
конвейерную обработку. Процессор разделяет
выполнение команды на этапы. Например Pentium — на 5 этапов:
1) прочитать из памяти часть программы (выборка, считывание команды из ОЗУ или КЭШа) 2) определить длину инструкции (декодирование и дешифрирование команды, т.е. определение кода выполняемой операции) 3) определить адрес ячейки памяти, если она используется
в данной команде 4) выполнить команду 5) сохранить полученный результат. Каждый этап называется ступенью. Получается 5-ступенчатый конвейер.
При конвейерной обработке
на выполнение каждого этапа отводится
1 такт тактовой частоты. В каждом новом
такте заканчивается выполнение одной
команды и начинается выполнение новой. Этот процесс
называется поточной обработкой . Общее время выполнения команды в конвейере с 5 ступенями будет составлять 5 периодов тактовой частоты. В каждом такте конвейер будет одновременно обрабатывать 5 различных команд. Итак, конвейеризация повышает производительность
процессора, но она не сокращает время
выполнения отдельной команды. Выигрыш получается за счет того, что обрабатывается
сразу несколько команд. Суперскалярный процессор наличие — двух конвейеров. Суперконвейерный — более 5 этапов в конвейере Подобное решение резко повышало производительность ЦП. Применяется много конвейерная обработка. Практически все инструкции могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов. Суперсклярный и суперконвеерный означает наличие более двух конвейеров и более пяти этапов в конвейере соответственно. Конвейер оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ, которые могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов.
Встроенные устройства Основными компонентами центрального
процессора являются ядро, кэш-память и шина. Ядро процессора выполняет инструкции. Операнды
инструкций хранятся в регистрах. Размер
регистров определяет разрядность процессора.
Понятие «ядро» имеет и топологический
смысл — оно размещено в центре микросхемы
процессора, а по его периферии располагаются
кэш-память и другие блоки. Один и тот же
тип процессора может быть построен на
различных «ядрах». Сегодня мы имеем многоядерные
системы. Размещается 2, 4, 6, 8 ядер на одном
кристалле.
Кэш-память (RAM cache) — высокоскоростная статическая (SRAM) память, использующаяся для ускорения доступа к данным, хранящимся в более медленной, но дешевой динамической (DRAM) памяти. Ускорение доступа производится, когда процессор многократно обращается к одним и тем же данным или командам программы. Кэш сохраняет последние данные я команды, и процессор быстро считывает их из кэша. КЭШ является своего рода буфером, согласующим быстрый процессор и относительно медленную оперативную память, что значительно ускоряет процесс обработки данных.Бывает 2 типа: L1 и L2 (уровни 1
и 2 от англ. level — «уровень»).Кэш L1 изначально был интегрирован
в кристалл процессора и является его
неотъемлемой частью. В нем размешаются
инструкции процессора и данные для этих
инструкций. Большой кэш L1 очень полезен
в условиях многозадачности, так как он
хранит так называемый контекст задач, т.е. информацию, необходимую для переключения на эти
задачи при поочередном выполнении. Размер
2*32Кб , 2*64Кб , 2*128Кб ,2*256 Кб. Кэш L2 служит для компенсации
разницы частоты работы процессора и ОЗУ.
Располагается или на мат. плате или в корпусе
процессора, отдельно от его ядра. Основным
его параметром является размер: чем он
больше, тем быстрее работает система.
Но память эта дорогостоящая, поэтому размер Кэша является компромиссом между
производительностью и стоимостью системы.
Типичные размеры кэш -памяти для разных
процессоров (512Кб, 1Мб, 2Мб, 4Мб) Итак, Кэш
позволяет повысить производительность
за счет уменьшения случаев ожидания поступления
информации из более медленной ОП. Нужные
команды и данные берутся из более быстрого
Кэша, куда заранее заносятся. Использование
двух КЭШей исключает конфликты при считывании
информации, идет одновременное считывание. Связь процессора с другими
устройствами на системной плате, в частности
с основной памятью, осуществляется через шину процессора. Заметим, что раньше и основная память, и процессор находились на одной шине, которая называлась системной. Сейчас для повышения производительности процессор имеет собственную шину. (1066МГц, 800МГц, 533МГц, 333МГц). Сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется
для особо точных и сложных расчетов, а
также для работы с рядом графических
программ.
В процессоре можно выделить
еще следующие основные части:
-блок предсказания ветвлений (адреса перехода БПАП); блок вычислений с плавающей точкой; -средства обнаружения ошибок ЦП Контроль ветвлений программы. Если в программе встречается условный или безусловный
переход, то после декодирования инструкции
перехода и получения адреса процессор
начинает считывать данные с нового адреса.
Ясно, что до получения этого адреса конвейер
простаивает. Подобная ситуация происходит
достаточно часто, поэтому для снижения
«негативных» последствий ветвлении программы
все переходы, встречающиеся в программе, запоминаются в специальном буфере
адресов переходов (branch target buffer). При выполнении
инструкции перехода процессор проверяет
наличие адреса в буфере и начинает чтение
программы с этого адреса. В случае безусловного
перехода создается таблица «истории»
переходов, исходя из которой процессор
решает будет произведен переход или нет,
и начинает выполнение инструкций
с предсказанного адреса — так называемое
опережающее исполнение (speculative execution),
Понятно, что если адрес предсказан неправильно,
то все выполнение прекращается, конвейер
очищается и начинается исполнение с правильного адреса.
Поэтому весьма важно, чтобы вероятность
правильного прогноза была наиболее высокой.
В современных процессорах она лежит в пределах 80-90%.Блок предсказания адреса перехода
позволяет повысить производительность
за счет экономии времени путем предсказания
возможных путей выполнения разветвляющего алгоритма. Блок вычислений с плавающей
точкой FPU (Floating Point Unit).Данный блок обеспечивает выполнение операций
с плавающей точкой и мультимедийных операций
ММХ. Обычно он содержит свой отдельный
конвейер, так как правило, такие операции
могут исполняться только в одном конвейере.
На производительность блока FPU в последнее
время стали обращать внимание из-за появления
множества приложений, написанных для
команд ММХ или для работы с трехмерной
графикой, не говоря уже о чисто вычислительных задачах. Являясь очень сложными устройствами,
современные процессоры имеют возможности
настройки своих параметров. Например,
в процессорах Pentium можно отключать второй
конвейер или блок предсказания ветвлений,
что позволяет оценить прирост производительности,
обеспечиваемый этими элементами ядра
процессора. Кроме того, практически все
процессоры имеют свою так называемую
визитную карточку — специальную инструкцию,
которая помогает однозначно идентифицировать
процессор. Данная инструкция называется
CPUID и выдает ИМЯ фирмы разработчика, тип
семейств, модель и версию процессора,
а также показывает его основные свойства,
в частности наличие блока FPU или ММХ. Наличие средств обнаружения
ошибок ЦП.В ЦП имеются устройства самотестирования для проверки работоспособности большинства элементов процессора.
Используя специальный формат данных: бит четности, т.е. к каждому операнду добавляется бит четности, в результате все числа становятcя четными, появление нечетного числа – сигнал о сбое при работе процессора.