Процессор (центральный)

Принципы Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым Джоном фон Нейманом еще в 1945 году в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. программой, хранящейся в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. Перечислим основные принципы Джона фон Неймана:

1. Принцип программного управления. Работа ЭВМ осуществляется под управлением программы.

2. Принцип хранимой программы. Программа хранится в памяти ЭВМ как и остальные данные с которыми работает машина.

3. Принцип двоичного кодирования. Вся информация в компьютере кодируется в двоичном коде.

4. ЭВМ должна состоять из:

· арифметико-логического устройства, предназначенного для выполнения арифметических и логических операций;

· устройства управления, которое управляет всей работой машины;

· запоминающего устройства;

· устройства ввода-вывода информации.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором.

Внутренние устройства ЭВМ

Процессор (центральный)

Центральный процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Микропроцессор, как правило выполнен на одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС).

В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство, устройство управления, внутренняя регистровая память (регистры), КЭШ-память и некоторые другие устройства.

1. АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций (то есть является собственно вычислителем ЭВМ). Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройств управления.

Действия с действительными числами (представленными в форме с плавающей запятой) выполняются в специальном блоке. В некоторых компьютерах (например, в IBM-386) с этой целью использовался арифметический сопроцессор.

В АЛУ имеются собственные регистры. Это набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора.

2. УУ - устройство управления, обеспечивающее общее управление логическим процессом по программе, хранящейся в основной памяти, и координацию работы всех устройств ПЭВМ. В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства – регистр команд, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т.д.

3. Среди обязательного набора регистров процессора можно отметить следующие. Регистр данных – служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операции. Регистр аккумулятор – регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр указатель стека – используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел – первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки используются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей.

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой;

2) разрядностью;

3) архитектурой.

1) Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в микропроцессоре. Работа микропроцессора (МП) синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях) тем выше его быстродействие.

Быстродействие - скорость обработки информации (измеряется количеством операций в секунду). При одинаковой тактовой частоте быстродействие ПЭВМ может быть различно.

Pentium: частота от 75 до 266 МГц. Тактовая частота указывается сразу за моделью микропроцессора: Pentium /100.

2) Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут передаваться или обрабатываться одновременно.

Понятие «разрядность» включает:

· разрядность внутренних регистров МП;

· разрядность шины данных;

· разрядность шины адреса

Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Она измеряется количеством бит информации, которую можно одновременно хранить или обрабатывать в них.

Разрядность шины данных измеряется количеством информации, которую можно передать по шине за один такт. От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами.

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство МП, то есть максимальное количество полей (обычно байтов) памяти, к которым можно осуществить доступ. Если, например, разрядность шины адреса равна 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2²⁰, т.е. примерно, один миллион ячеек.

3) Архитектура процессора в основном характеризуется набором тех регистров, которые входят в состав процессора.

2.2. Память

Память – устройство, предназначенное для приема, хранения и выдачи информации. Память делится на внешнюю и внутреннюю. Если объем внутренней памяти ограничен, то внешней не ограничен.

Основные характеристики памяти:

· Время доступа (быстродействие). Это промежуток времени, за который может быть записана или прочитана порция информации (например, содержимое ячейки памяти) после подачи ее адреса и соответствующего управляющего сигнала.

· Ёмкость. Ёмкость определяет максимальное количество информации, которое может храниться в памяти.

Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Таблица 1

2.3. Внутренняя память

Внутренняя память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Она имеет достаточно высокое быстродействие, но ограниченный объем.

На логическом уровне внутренняя память представляет собой совокупность ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. К содержимому ячеек можно обращаться путем указания их адресов. Каждая ячейка может быть использована для хранения либо порции данных, либо команды. В большинстве современных ЭВМ ячейка имеет разрядность 1 байт. Совокупность битов, которые АЛУ может одновременно поместить в регистр или обработать, обычно называют машинным словом.

Внутренняя память делится на ОЗУ и ПЗУ.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) служит для приема, временного хранения и выдачи информации. В нем содержатся программы и данные, доступные для использования процессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. ОЗУ является энергозависимым, т.е. при отключении питания информация из него исчезает (если нет батарейного или аккумуляторного питания). Оперативная память собирается на ферритовых сердечниках или полупроводниковых микросхемах.

Микропроцессор использует в своей работе только информацию, хранимую во внутренней памяти. Если же необходимые программы или данные находятся на другом устройстве, то они должны быть перед использованием помещены в ОЗУ.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) является энергонезависимым и обеспечивает надежное хранение и выдачу информации. Содержимое ПЗУ не может быть изменено. В нем хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные (например, программа базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input and Output System), программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера, программа настройки конфигурации компьютера).

CMOS – полупостоянная память, предназначенная для хранения параметров конфигурации компьютера. Она обладает низким энергопотреблением. Для нее используется специальный аккумулятор, поэтому ее содержимое не исчезает при выключении компьютера.

Кэш-память – сверхоперативная память, предназначена для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и ее извлечением из оперативной памяти. Она располагается как бы между микропроцессором и ОЗУ. Время доступа к кэш-памяти меньше, чем к обычной памяти.

В кэш-памяти хранятся часто используемые части программ и данные. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужной информации в кэш-памяти. Для работы с кэш-памятью имеется специальный контроллер, который анализирует выполняемую программу и пытается определить, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Конечно, процессор может и подкачать информацию, которая и не понадобится. Отношение объема используемой информации из кэш-памяти к объему неиспользуемой определяет эффективность кэширования.

Современные процессоры имеют, как правило, встроенную кэш-память. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлена дополнительная кэш-память.

Видеопамять – память для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Для видеопамяти в компьютере имеется особое устройство, называемое видеокартой, или графическим ускорителем. Видеокарту вообще можно рассматривать как самостоятельный специализированный компьютер, в нем есть и свой процессор, и оперативная память (та самая видеопамять, о которой идет речь), и ПЗУ с программой, управляющей работой процессора видеокарты.

Поиск по сайту: