<<
>>

Процессор

* 1

Персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ) — это комплекс различных устройств, каждое из которых выполняет свойственные ему функции под управлением своего контроллера параллельно с процессором и другими такими же активными устройствами.

Инициирует, организует и контролирует эту работу процессор.

Процессор (микропроцессор) — центральное обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобра- зований данных, для организации обращения к ОЗУ, внешним на- копителям, периферийным устройствам и для управления ходом вычислительного процесса.

Центральный процессор выполняет следующие функции:

■ выборка команд из ОЗУ;

■ декодирование команд;

■ выполнение операций, закодированных в командах;

■ управление пересылкой информации между своими регистрами и ОЗУ;

■ обработка прерываний.

Основные характеристики процессора:

■ разрядность — количество двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или пересылаться процессором одновременно;

■ тактовая частота — количество тактов, равное количеству эле- ментарных действий, которое совершает процессор в секунду. Характеристики процессоров обусловливаются целым набором

параметров: технология производства; архитектура и тактовая ча- стота; количество и разрядность регистров; система команд; раз- мерность шин; объем встроенной кэш-памяти, напряжение пита- ния, рабочая температура и тип корпуса.

В центральных процессорах ПЭВМ используются CISC- процессоры (процессоры с полной системой команд и с аппаратной реализацией отдельных операций).

В основе всех настоящих и будущих процессоров для ПЭВМ остается система команд (машинный код) первых 32-разрядных процессоров: процессора Intel 80386 (центральный) и сопроцессора Intel 80387 (математический), или, как их еще называют, х86- процессоров, для которых и разрабатывалось все известное про- граммное обеспечение.

В качестве дополнительных команд используются SIMD- расширения (Single Instruction Multiple Data — одна инструкция над множеством данных), предназначенные для обработки звуко- вых сигналов, видеосигналов и телекоммуникационной информа- ции, для ускорения обработки трехмерной графики и других ин- тенсивных вычислений.

Процессорное ядро (или просто ядро) — это конкретное аппарат- ное воплощение архитектуры процессора в кристалле СБИС, явля- ющееся стандартом для целой серии совместимых процессоров и обладающее определенным набором строго обусловленных харак- теристик: тактовой частотой, объемами кэш первого и второго уровней, количеством регистров, АЛУ и т.д.

Термин «архитектура ядра» означает совместимость современ- ных микропроцессоров (МП) с общепринятой системой команд и совокупность аппаратных решений, присущих определенной груп- пе процессоров разных производителей.

Повышение производительности МП достигается, в частности, за счет использования многоуровневой кэш-памяти, которая явля- ется «составным буфером» ядра процессора, служащим для увели- чения скорости обмена с ОЗУ.

Кэш первого уровня (К1) разделяется на две равные аппаратные части с независимыми шинами: кэш инструкций (К1И), в которую поступают только команды для последующего декодирования, и кэш данных (К1Д), в которую поступают только данные, предназна- ченные для внутренних регистров процессора.

Кэш второго уровня (К2) содержит в себе весь объем данных, на- ходящихся в К1И и К1Д, и по объему памяти всегда больше, чем К1: у современных процессоров объем К2 достигает 2 Мбайт, а объем К1 не превышает 128 Кбайт.

В современных МП уровни кэш-памяти функционируют на той же частоте, что и процессорное ядро, за счет чего скорость обмена информацией по внутренней шине кэш второго уровня может быть более чем на порядок выше скорости обмена процессора с ОЗУ по внешней шине FSB.

Использование двух независимых шин (внутренней шины кэш второго уровня и внешней шины FSB) позволяет ядру получить од- новременный доступ к их данным и повысить пропускную способ- ность процессора в несколько раз.

Для преобразования машинных команд во внутреннюю систему элементарных микрокоманд, исполняемых ядром, используется де- кодирующий блок—-декодер. Команды считываются из К2, при не- обходимости подвергаются декодированию и в виде последователь- ности микрокоманд помещаются в К1И. Если команда исполняется повторно, то ее не приходится снова декодировать.

Для повышения производительности процессора служат блок предсказания переходов и блок предвыборки данных. Первый определяет, есть ли в обрабатываемом декодером блоке команды перехода, будут ли эти переходы совершены и по каким адресам, а второй компенсирует задержки при обращении к ОЗУ за счет опе- режающей загрузки ранее востребованных данных в кэш второго уровня.

Реализацию параллельного и внеочередного выполнения команд, поступающих из декодера, осуществляет блок конвейера мик- рокоманд, представляющий собой буфер, в котором хранятся мик- рокоманды, упорядоченные по времени исполнения.

Для параллельного выполнения нескольких команд в процессо- рах используют разное количество однотипных функциональных (исполняющих) устройств: арифметико-логические устройства и блоки вычислений с плавающей запятой. 64-разрядные АЛУ опери- руют с целыми числами, выполняя арифметические действия (сло-

жение, вычитание, умножение и деление) и логические операции (ИЛИ, И, НЕ и их комбинации). Как правило, АЛУ функционирует на тактовой частоте, вдвое превышающей тактовую частоту ядра. 128-разрядные блоки вычислений работают с числами с плавающей запятой и выполняют дополнительные наборы команд SIMD.

Разрядность ядра определяют внутренние физические реги- стры, которые используются в процессе вычислений. В регистрах хранятся промежуточные результаты выполнения микроопераций, через них проходят все данные и микрокоманды, поступающие на исполнение, осуществляется передача адресов доступа к внутрен- ней и системной памяти ПЭВМ.

Внешнюю производительность процессора определяет частота шины данных. Частота ядра Ея, т.е. внутренняя тактовая частота процессора, задается произведением частоты шины FSB F„, пода- ваемой с системной платы на формирователь xF (встроенный мно- житель тактовой частоты), на его внутренний коэффициент умно- жения, который может составлять 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Дальнейшее наращивание тактовой частоты с обеспечением нормального теплового режима СБИС становится практически не- возможным. Проблема повышения производительности МП в на- стоящее время решается за счет перехода на многоядерные струк- туры; при этом уменьшается или сохраняется тактовая частота на достигнутом уровне и поддерживается стабильное энергопотре- бление.

<< | >>
Источник: Н.В.СТРУМПЭ, В.Д.СИДОРОВ. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ. 2014 {original}

Еще по теме Процессор:

  1. Кудинов Ю. И., Пащенко Ф. Ф., Келина А. Ю.. Практикум по основам современной информатики: Учебное пособие., 2011
  2. Ю. И. КУДИНОВ, Ф.Ф. ПАЩЕНКО, А. Ю. КЕЛИНА. ПРАКТИКУМ ПО ОСНОВАМ СОВРЕМЕННОЙ ИНФОРМАТИКИ, 2011
  3. Рекомендации Анти-шизоиду:
  4. Степанов А. Н.. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей, 2007
  5. В. И. Юров. Assembler. Учебник для вузов. 2-е изд, 2003
  6. Лариса Александровна Малинина Вадим Васильевич Лысенко Максим Анатольевич Беляев. Основы информатики: Учебник для вузов, 2006
  7. Основные этапы управления.
  8. Протосознание “Правополушарное” и “левополушарное” сознание
  9. 9.3.1. Жизнь не стоит на месте
  10. Сущность процесса управления в организациях.
  11. Основные характеристики системы управления
  12. Поддержание баланса между входом и выходом организации.