Современные микропроцессоры

ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ

ИМ. К.Г. РАЗУМОВСКОГО»

В Г.КАЛИНИНГРАДЕ

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине: Информатика с элементами программирования

 

Тема: Современные микропроцессоры.

 

 

 

 

    Выполнил

 

 

 

 

 

 

Студент  1 курса

Факультета УИ

Специальности 09.03.01

Группы 14 ИВТп

личный номер 14/047229

Ф.И.О. Калиниченко Е.АПроверил: Макаров П.А.

 

 

 

 

 

 

 

2015 год

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение          3

1. Общая характеристика микропроцессора   4

2. Структура микропроцессора      5

2.1 Устройство управления       6

2.2 Арифметико-логическое устройство    7

2.3 Микропроцессорная память      8

2.4 КЭШ-память         9

2.5 Интерфейсная часть микропроцессора   10

3. Типы микропроцессоров       11

4. Сравнительная характеристика современных микропроцессоров        12

Заключение          14

Библиография         15

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Вычислительная техника прошла те же этапы эволюции, которые прошли и все прочие технические устройства от ручных приспособлений к механическим устройствам и далее к гибким автоматическим системам. За двадцать лет развития персональные компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства по обработке самых различных видов информации, которые качественно расширили сферу применения вычислительных машин. Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и миникомпьютеры 1980-х годов. Мощность микрокомпьютера позволяет его использовать в качестве сервера для организации работы многих персональных компьютеров в сети. После того как компьютерные системы широко начали использоваться в промышленных целях, потребовалось меньше людей для производства, а также увеличилась скорость и объемы производимой продукции. Для работы в той или иной отрасли созданы специальные программы.

Также можно отметить широкие возможности компьютера, огромную память и скорость обработки информации.

 

 

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 

Процессор – основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных из других регистров. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора можно управлять обработкой данных.

Для микропроцессора характерны:

• простота производства (по единой технологии)
• низкая стоимость
• малые габариты (пластина, площадью несколько см или кубик со стороной несколько мм)
• высокая надежность
• малое потребление энергии

 

 

2. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Микропроцессор выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПК. Обычно структура микропроцессора представляет собой одну или несколько больших интегральных схем (БИС). Она может состоять из отдельных блоков (секций), а может быть размещена на одном чипе (кристалле). Секционная структура позволяет увеличить разрядность и ёмкость запоминающего устройства, однако при этом увеличивается количество блоков, что изменяет габариты, мощность и энергопотребление процессора. Однокристальный микропроцессор обладает постоянной разрядностью и выполняет набор команд, хранящихся в его памяти. Отличительной особенностью данного микропроцессора является наличие общей шины, по которой организуется прием, передача данных и осуществляется взаимодействие между внутренними блоками и внешними устройствами.

В состав микропроцессора входят:

• устройство управления
• арифметико-логическое устройство
• внутренняя регистровая память
• КЭШ – память
• схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти
• схемы управления системной шиной и др.

 

2.1 УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ

 

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во всем блоке машины

Устройство управления формирует управляющие сигналы для выполнения следующих процедур:

• выборки из регистра счетчика адреса операндов, команды микропроцессорной памяти, адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
• выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
• расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
• считывание из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
• считывания из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях и формировании полных адресов операндов;
• выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
• записи результатов операции в память;
• формирования адреса следующей команды программы.

 

2.2 АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ  УСТРОЙСТВО

 

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций, преобразования информации.

Функционально АЛУ состоит из 2х регистров, сумматора и схем управления (местное устройство управления). Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на её вход двоичных кодов. Сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр2 (Pr2) – разрядность слова. При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат; в Pr2 – второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр1 может и принимать информацию с кодовых шин данных и выдавать информацию на них, регистр2 только получает информацию с этих шин. Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора арифметико-логического устройства.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (+ ; -; *; :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми числами. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

 

2.3 МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ПАМЯТЬ

 

Микропроцессорная память – память небольшой ёмкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время необходимое на поиск или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами – тысячными долями микросекунды). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины, участвующей в вычислениях.

Внутренняя память микропроцессора состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков регистров разной длины у МП Pentium.

Регистры МПП делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов, результатов выполнения операций и режимов работы ПК и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

 

2.4 КЭШ – ПАМЯТЬ

 

Кроме внутренней регистровой памяти в микропроцессоре может быть своя встроенная КЭШ – память.

Регистровая КЭШ–память высокоскоростная память сравнительно небольшой ёмкости, являющаяся буфером между оперативной памятью и памятью микропроцессора и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ–памяти не доступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает «тайник».

В КЭШ–памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении команды программы данные с небольшим опережением записываются в КЭШ–память.

По принципу записи результатов различают 2 типа КЭШ–памяти:

1. КЭШ–память «с обратной записью» - результаты операций прежде, чем их записать в оперативную память, фиксируются в КЭШ–памяти, а затем контроллер КЭШ–памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в оперативную память;
2. КЭШ–память «со сквозной записью» - результаты операций параллельно записываются и в КЭШ–память и в оперативную память.

Микропроцессоры, начиная от МП80486, имеют встроенную КЭШ–память (1-го уровня), чем в частности и обуславливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют КЭШ–память отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium ёмкость этой памяти не большая (8 Кбайт), то у Pentium Pro она достигает 256–512 Кбайт. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная КЭШ–память (2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, ёмкость которой может достигать нескольких Мегабайтов.

2.5 ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования микропроцессора с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполненной программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП. Узел формирования адреса, блок регистров команд, являющейся буфером команд в микропроцессоре, внутреннюю интерфейсную шину микропроцессора и схемы управления шиной и портами ввода – вывода.

Порты ввода – вывода – это пункты системного интерфейса ПК, через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у микропроцессора может быть 65536. Каждый порт имеет адрес – номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода – вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и 2 регистра памяти – для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода – вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

• Формирование адреса порта и управляющей информацией для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
• Прием управляющей информацией от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
• Организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода – вывода и микропроцессором.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины. При доступе к порту микропроцессор посылает сигнал по кодовой шине инструкций, которая оповещает все устройства ввода – вывода, что адрес на кодовой шине адреса является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по кодовой шине данных осуществляется обмен данными.

микропроцессор устройство память регистр

3. ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

 

При оценке параметров микропроцессора и выборе микропроцессорной серии большую роль играет разрядность прибора, которая задает элементарный объём обрабатываемых данных. Чем больше разрядность, тем выше производительность и шире возможности адресации. В ранних приборах разрядность регистров, шин управления, а также информационных шин почти всегда была одинаковой. Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории – RISC и CISC.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенной системой команд. Они обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает унификация регистров.

CISC (Complete Instruction Set Computer) - процессоры с полным набором инструкций. Состав и назначение их регистров неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций.