Структурна схема ПК, Основний алгоритм роботи процесора, класи процесорів (CISC, RISC, MISC, VLIW).
Центральнийпроцессор (ЦП, або центральне процесорний пристрій - ЦПУ; англ. Central processing unit, CPU, дослівно - центральне обробляє пристрій) - виконавець машинних інструкцій, частина апаратного забезпечення комп'ютера або програмованого логічного контролера; відповідає за виконання операцій, заданих програмами.
Мікропроцесор - це процесор, виконаний у вигляді великої інтегральної схеми (БІС) і ув'язнений в герметичний корпус. В основі будь-якої ПЕОМ (персональної ЕОМ) лежить використання мікропроцесорів. Мікропроцесор є "мозком" комп'ютера. Він здійснює виконання програм, що працюють на комп'ютері, і керує роботою інших пристроїв комп'ютера.
Основними характеристиками мікропроцесора є швидкодія і розрядність. Швидкодія - це число виконуваних операцій в секунду. Розрядність характеризує обсяг інформації, який мікропроцесор обробляє за одну операцію: 8-розрядний процесор за одну операцію обробляє 8 біт інформації, 32-розрядний - 32 біта. Швидкість його роботи багато в чому визначає швидкодія комп'ютера. У IBM PC використовуються мікропроцесори, розроблені фірмою Intel, або сумісні з ними процесори інших фірм.
Структурна схема ПК:
│ А Л У │ │ У У │ │ РЕГІСТРИ │
АЛУ - арифметичне-логічний пристрій. Воно забезпечує виконання основних операцій з обробки інформації.
Будь-яке завдання комп'ютер розбиває на окремі логічні операції, вироблені над двійковими числами, причому в одну секунду здійснюються сотні тисяч або мільйони таких операцій. Додавання, віднімання, множення і ділення - елементарні операції, що виконуються АЛП ЕОМ. Повний набір таких операцій називають системою команд, а схеми їх реалізації становлять основу АЛП. Крім арифметичного пристрою АЛУ включає і логічний пристрій, призначений для операцій, при здійсненні яких відсутній перенесення з розряду в розряд. Іноді ці операції називають логічне І і логічне АБО. Всі операції в АЛП виробляються в регістрах - спеціально відведених осередках АЛП. Час виконання найпростіших операцій визначається мінімальним часом додавання двох операндів, що знаходяться в регістрах. В разі. якщо одне або обидва доданків знаходяться не в регістра, а в пристрої, що запам'ятовує (ЗП), враховується також час пересилки доданків в регістри і час
записи отриманої суми в ЗУ. У більшості сучасних мікропроцесорів цей час становить від кількох сотень наносекунд до декількох мікросекунд.
УУ - пристрій управління, управляє процесом обробки і забезпечує зв'язок із зовнішніми пристроями. РЕГІСТРИ - внутрішні носії інформації мікропроцесора. це внутрішня
пам'ятьпроцесора. Регістрів - три. Один зберігає команди або інструкції, два інших - дані. Відповідно до командами процесор може виробляти додавання, віднімання або сопостав-
ня вмісту регістрів даних.
Основний мікропроцесор визначає швидкодію комп'ютера. Початковий варіант комп'ютера IBM PC і модель IBM PC XT використовують мікропроцесор Intel-8088. Модель IBM PC AT використовує більш могутній мікропроцесор Intel-80286 і її продуктивність приблизно в 5-6 разів більше, ніж у IBM PC XT. Моделі серії PC / 2 використовують більш потужний процесор Intel-80386. Їх продуктивність приблизно в 3-4 рази більше, ніж у IBM PC AT, однак це збільшення продуктивності істотно, в основному, для вирішення завдань, що вимагають великого обсягу обчислень.
Характеристики мікропроцесорів. Мікропроцесори відрізняються один від одного двома характеристиками: типом (моделлю) і тактовою частотою. Найбільш поширені моделі Intel-8088, що
80286, 80386SX, 80386 (DX), 80486 (SX, SX2, DX, DX2, DX4 і т.д.) і Pentium, вони приведені в порядку зростання продуктивності і ціни. Однакові моделі мікропроцесорів можуть мати різну тактову частоту - чим вище тактова частота, тим вище продуктивність і ціна мікропроцесора.
Тактова частота 0указивает, скільки елементарних операцій (тактів) мікропроцесор виконує в одну секунду. Тактова частота вимірюється в мегагерцах (МГц). Слід зауважити, що різні моделі мікропроцесорів виконують одні й ті ж операції (наприклад, складання або множення) за різне число тактів. Чим вище модель мікропроцесора, тим менше тактів потрібно для виконання одних і тих же операцій. Тому мікропроцесор Intel-80386 працює в два рази швидше Intel-80286 з такою же
Співпроцесори. Мікропроцесори 8088, що 80286, 80386 сконструйовані так, що вони дозволяють використовувати арифметичні співпроцесори 8087, 80287, 80387 фірми "Intel" -відповідно.
Спеціалізація співпроцесорів полягає у швидкій обробці чисел Сплавати коми. Вони можуть виконувати як звичайні операції додавання, вичетанія, множення і ділення, так і більш
складні операції, такі як обчислення тригонометричних функцій.
Конструктивно закладені в мікропроцесор сигнали, дозволяють передавати роботу сопроцессору і потім отримувати результати обробки. Щоб використовувати арифметичний співпроцесор, що знаходиться в складі комп'ютера, необхідні програми, які можуть видавати спеціальні коди, необхідні для запуску співпроцесора.
Арифметичні ОПЕРАЦІЇ - це такі операції, як додавання, віднімання, множення, ділення та інші.
ЛОГІЧНИХ ОПЕРАЦІЇ - це такі операції, як порівняння, відредагувати і відзначити, логічне І і логічне АБО, виняток, перевірка по масці та інше.
ОПЕРАЦІЇ ВВЕДЕННЯ-ВИВЕДЕННЯ - це такі операції, як почати, зупинити, опитати пристрої введення-виведення, опитати канали і так далі.
ОСНОВНИЙ АЛГОРИТМ роботи процесора.
Основний алгоритм роботи процесора.
Весь алгоритм роботи процесора можна описати в трьох рядках
Однак для повного уявлення необхідно визначити логічні схеми виконання тих чи інших команд, обчислення величин, а це вже функції Арифметико-логічного Пристрої
Зверніть увагу, що після читання черговий команди процесор збільшує СК на довжину команди. Тому при наступному виконанні тіла циклу процесор прочитає і виконає наступну команду програми, потім ще одну і т. Д. Цикл закінчиться, коли зустрінеться і буде виконана спеціальна команда "стоп". В результаті ЕОМ автоматично, без участі людини, команда за командою виконає всю команду цілком.
Автоматизм роботи процесора, можливість виконання довгих послідовностей команд без участі людини - одна з основних відмінних осбенно ЕОМ як універсальної машини обробки інформації.
ПРИНЦИП ПРОГРАМНОГО УПРАВЛІННЯ.
Пам'ять машини можна уявляти собі як довгу сторінку, що складається з окремих рядків. Кожна така рядок називається осередком пам'яті, і в свою чергу, поділяється на розряди. Вмістом будь-якого розряду може бути або 0, або 1. Значить в будь-яку комірку пам'яті записується деякий набір
Всі ЕОМ працюють в принципі однаково. Коли б ви не заглянули в пам'ять ЕОМ, в її осередках зберігаються набори нулів і одиниць. ЕОМ виконує без участі людини не тільки одну команду, а й довгу послідовність команд (програму). В цьому і полягає один з основних принципів роботи ЕОМ - принцип програмного управління.
пам'яті комп'ютера вихідних даних і результату.
Загальний вигляд команди машини може бути таким:
Суматора. При виконанні ЕОМ програми в лічильник команд послідовно заносяться номери осередків, де містяться виконувані команди, самі команди поміщаються в регістр команд, а в суматорі відбуваються арифметичні дії. Суматор також має свій осередок - для проміжних результатів обчислень. Відзначимо, що команди сучасних ЕОМ можуть займати кілька осередків пам'яті.
Основні функціональні компоненти процесора
Провісник розгалужень: Модуль пророкування розгалужень намагається вгадати, яка послідовність буде виконуватися щораз коли програма містить умовний перехід, так щоб пристрої попередньої вибірки і декодування отримували б інструкції готовими попередньо.
Блок плаваючою точки. Третій виконує модуль всередині Pentium, що виконує нецілочисельне обчислення
Первинний кеш: Pentium має два внутрічіпових кеша по 8kb, по одному для даних і інструкцій, які набагато швидше більшого зовнішнього вторинного кеша.
Шинний інтерфейс: приймає суміш коду і даних в CPU, розділяє їх до готовності до використання, і знову з'єднує, відправляючи назовні.
Мал. 1 Внутрішня будова процесора
Це майже все що стосується самого загального оповідання про процесори - майже будь-яка операція може бути виконана послідовністю простих інструкцій, подібних описаним.
Класи процесорів (CISC, RISC, MISC, VLIW).
Здатність виконання декількох машинних інструкцій за один такт процесора. Поява цієї технології призвело до істотного збільшення продуктивності.
Complex Instruction Set Computer - обчислення зі складним набором команд. Процесорна архітектура, заснована на ускладненому наборі команд. Типовими представниками CISC є мікропроцесори сімейства Intel x86 (хоча вже багато років ці процесори є CISC тільки по зовнішній системі команд).
Спрощення набору команд покликане скоротити конвеєр, що дозволяє уникнути затримок на операціях умовних і безумовних переходів. Однорідний набір регістрів спрощує роботу компілятора при оптимізації виконуваного програмного коду. Крім того, RISC-процесори відрізняються меншим енергоспоживанням і тепловиділенням.
Серед перших реалізацій цієї архітектури були процесори MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. У мобільних пристроях широко використовуються ARM-процесори.
Minimum Instruction Set Computer - обчислення з мінімальним набором команд. Подальший розвиток ідей команди Чака Мура, який вважає, що принцип простоти, початковий для RISC-процесорів, занадто швидко відійшов на задній план. У запалі боротьби за максимальну швидкодію, RISC наздогнав і перегнав багато CISC процесори по складності. Архітектура MISC будується на стековой обчислювальної моделі з обмеженим числом команд (приблизно 20-30 команд).
Very Long Instruction Word - наддовгих командне слово. Архітектура процесорів з явно вираженим паралелізмом обчислень, закладеним в систему команд процесора. Є основою для архітектури EPIC.
Поняття «Переривання», класифікація переривань (програмні та апаратні).
Переривання (англ. Interrupt) - сигнал, що повідомляє процесору про настання якої-небудь події. При цьому виконання поточної послідовності команд припиняється і керування передається обробнику переривання, який реагує на подію і обслуговує його, після чого повертає управління в перерваний код.
Залежно від джерела виникнення сигналу переривання діляться на:
- асинхронні або зовнішні (апаратні) - події, які виходять від зовнішніх джерел (наприклад, периферійних пристроїв) і можуть статися в будь-який довільний момент: сигнал від таймера, мережевої карти або дискового накопичувача, натискання клавіш клавіатури, рух миші;
- програмні (окремий випадок внутрішнього переривання) - ініціюються виконанням спеціальної інструкції в коді програми. Програмні переривання як правило використовуються для звернення до функцій програмно-апаратних засобів (firmware), драйверів і операційної системи.
Термін «пастка» (англ. Trap) іноді використовується як синонім терміну «переривання» чи «внутрішнє переривання». Як правило, слововживання встановлюється в документації виробника конкретної архітектури процесора.
Переривання. Обробка переривань.
Переривання являють собою механізм дозволяє координувати
паралельне функціонування окремих пристроїв обчислювальної системи і
реагувати на особливі стани виникають при роботі процесора.
Переривання - це примусова передача управління від виконується
програми до системи, а через неї до відповідної програми обробки
переривань, яка відбувається при певному подію. Основна мета запровадження
переривань - реалізація асинхронного режиму роботи і розпаралелювання
роботи окремих пристроїв обчислювального комплексу. механізм переривань
реалізується апаратно-програмними засобами.
Структури систем переривань можуть бути самими різними, але всі вони
мають загальну особливість - переривання неодмінно веде за собою зміну
порядку виконання команд процесором. Механізм обробки переривань
включає в себе наступні елементи:
1. Встановлення факту переривання (прийом та ідентифікація сигналу на
2. Запам'ятовування стану перерваного процесу (стан процесу
визначається значенням лічильника команд, вмістом регістра
процесора, специфікацією режиму: для користувача або
3. Управління апаратно передається програмі обробки переривання. В цьому
обробки переривання, а у відповідні регістри з слова
4. Збереження інформації перерваної програми, яку не вдалося врятувати
за допомогою дій апаратури.
5. Обробка переривання. Робота може бути виконана тією ж
підпрограмою, якій було передано управління на 3-му кроці, але в ОС
найчастіше ця обробка реалізується шляхом виклику соотв. підпрограми.
6. відновлення інформації відноситься до перерваного процесу.
7. Повернення в перервану програму.
Перші 3 кроки реалізуються апаратними засобами, а решта -
Головні функції механізму переривання:
1. Розпізнавання або класифікація переривання.
2. Передача управління обробникові переривання.
3. Коректне повернення до перерваної програми
Перехід від перерваної програми до обробника і назад повинен
проводиться якомога швидше. Одним з швидких методів є
використання таблиці сприяння. перелік усіх допустимих для комп'ютера
перерваної програми, перед передачею управління обробникові, вміст
регістрів процесора запам'ятовується або в пам'яті з прямим доступом або в
Обслуговування переривань. Наявність сигналу переривання не обов'язково
повинно викликати переривання що виконується програми, процесор може
володіти системою захисту від переривань: відключення системи переривань або
заборона або маскування окремих сигналів переривань. програмне
управління цими коштами дозволяє ОС регулювати обробку сигналів
переривання. Процесор може обробляти переривання відразу по приходу
переривання, відкладати їх обробку на деякий час, повністю
нехтувати. Зазвичай операції переривання виконуються тільки після
завершення виконання поточної команди. Оскільки сигнали переривання
виникають в довільні моменти часу, то на момент переривання може
існувати кілька сигналів переривання, які можуть бути оброблені
тільки послідовно. Щоб обробити сигнали переривання в розумному
порядку їм присвоюються пріоритети. Програми керуючи спеціальними
регістрами маски, дозволяють реалізувати різні дисципліни обслуговування:
1) з відносним пріоритетом. При цьому обслуговування не переривається навіть
при наявності запитів з більш високими пріоритетами. після закінчення
обслуговування даного запиту (поточного) обслуговується запит з найвищим
пріоритетом. для організації такої дисципліни необхідно в програмі
обслуговування даного запиту накласти маски на всі інші переривання
або просто відключити систему переривань.
2) з абсолютним пріоритетом. Завжди обслуговуються завдання з найвищим
пріоритетом. Для реалізації цієї дисципліни при запиті на обробку
переривань маскуються всі переривання з нижчим пріоритетом. При цьому
можливо багаторівневе переривання, т. е. переривання програми обробки
переривання. Число рівнів переривання в цьому режимі змінюється і залежить
від пріоритету запиту за принципом стека: LCFS - last come first served, т
е. запит з більш високим пріоритетом може перервати запит з більш
низьким пріоритетом. У відповідь на запит на переривання система
переривань ідентифікує сигнал і якщо переривання дозволені, то
управління передається на соотв. програму обробки переривань.
Службові секції, в яких здійснюється збереження контексту
перерваної задачі і остання секція в якій здійснюється
відновлення контексту, щоб система переривань не зреагувала повторно
на сигнал запиту на переривання. Ця система переривань автоматично
відключає переривання, тому необхідно в підпрограм обробки переривань
знову включати цю систему обробки переривань. Отже, на час виконання
центральній секції обробки переривань переривання дозволені, на час
роботи заключній секції підпрограма обробки переривань повинна бути
відключена, а після відновлення контексту перерваної завдання включена
знову. Ці дії потрібно виконувати в кожній обробці переривань. під
багатьох ОС 1 секція обробки переривань виділяється в спеціальний
програмний модуль зв. супервизором переривань.