Мікропроцесор в персональній
електронно-обчислювальної машини
Реферат по курсу «Навчальна практика»
Виконав: студент групи 742701 Карпович П. І.
Білоруський державний університет інформатики і
радіоелектроніки
Мінськ 2008
Введення
Будь-яка
ЕОМ призначена для обробки інформації причому, як правило, здійснює
цю обробку опосередковано - представляючи інформацію у вигляді чисел. Для роботи з
числами машина має спеціальну найважливішу частину - мікропроцесор. Це
універсальне логічне пристрій, який оперує з двійковими числами,
здійснюючи найпростіші логічні і математичні операції відповідно до
програмою, тобто в заданій послідовності і керує роботою інших
пристроїв комп'ютера. Для зберігання цієї заданої послідовності служать
запам'ятовуючі пристрої.
Мікропроцесор
є найважливішим пристроєм у персональної електронно-обчислювальної машини,
практично визначальним і продуктивність ПЕОМ в цілому. Однак
продуктивність ПЕОМ залежить не тільки від характеристик мікропроцесора, а й
від функцій інших пристроїв що входять до складу ПЕОМ (запам'ятовуючих
пристроїв, відео адаптерів та інших).
Розвиток
мікропроцесорів в електронній індустрії проходить настільки швидкими темпами,
що кожна модель мікропроцесора ставала малопотужною з моменту появи
нової моделі, а ще через 2-3 роки вважалася застарілою і знімалася з виробництва.
Пристрій
мікропроцесора
Визначення мікропроцесора
Мікропроцесор
- Центральний пристрій (або комплекс пристроїв) ЕОМ (або обчислювальної
системи), що виконує арифметичні і логічні операції, задані
програмою перетворення інформації, керує обчислювальним процесом і
координує роботу пристроїв системи (запам'ятовуючих, сортувальних, вводу --
виводу, підготовки даних і ін.) В обчислювальній системі може бути декілька
паралельно працюючих процесорів; такі системи називають багатопроцесорними.
Наявність декількох процесорів прискорює виконання однієї великої або декількох
(у тому числі взаємозалежних) програм. Основними характеристиками мікропроцесора
є швидкодія і розрядність. Швидкодія - це число виконуваних
операцій в секунду. Розрядність характеризує обсяг інформації, який
мікропроцесор обробляє за одну операцію: 32-розрядний процесор за одну
операцію обробляє 32 біт інформації, 64-розрядний - 64 біта. Швидкість
роботи мікропроцесора багато в чому визначає швидкодію комп'ютера. Він
виконує всю обробку даних, що надходять у комп'ютер і зберігаються в його
пам'яті, під керуванням програми, також зберігається в пам'яті. Персональні
комп'ютери оснащують центральними процесорами різних потужностей. Основні
функції яких обробка даних за заданою програмою шляхом виконання
арифметичних і логічних операцій і програмне керування роботою пристроїв
комп'ютера.
Пристрої мікропроцесора
Пристрій
керування (УУ). Здійснює координацію роботи всіх інших пристроїв,
виконує функції керування пристроями, керує обчисленнями в комп'ютері.
Арифметико-логічне
пристрій (АЛУ). Так називається пристрій для цілочисельних операцій.
Арифметичні операції, такі як додавання, множення і ділення, а також
логічні операції (OR, AND, ASL, ROL і ін) обробляються за допомогою АЛП.
Ці операції складають переважну більшість програмного коду в більшості
програм. Всі операції в АЛП виробляються в регістрах - спеціально відведених
осередках АЛП. У процесорі може бути декілька АЛУ. Кожне здатне виконувати
арифметичні або логічні операції незалежно від інших, що дозволяє
виконувати кілька операцій одночасно. Арифметико-логічний пристрій
виконує арифметичні і логічні дії. Логічні операції поділяються на
дві прості операції: "Так" і "Ні" ( "1" і "0").
Звичайно ці два пристрої виділяються чисто умовно, конструктивно вони не
розділені.
AGU
(Address Generation Unit) - пристрій генерації адрес. Це пристрій не
менш важливе, ніж АЛП, тому що він відповідає за коректну адресацію при завантаженні
або збереження даних. Абсолютна адресація в програмах використовується тільки в
рідкісних виключень. Як тільки беруться масиви даних, у програмному коді
використовується непряма адресація, що змушує працювати AGU.
Математичний
співпроцесор (FPU). Процесор може містити кілька математичних співпроцесорів.
Кожний з них здатний виконувати, щонайменше, одну операцію з плаваючою
точкою незалежно від того, що роблять інші АЛП. Метод конвеєрної обробки
даних дозволяє одному математичному співпроцесора виконувати декілька
операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як
цілочисельні, так і з плаваючою точкою і, крім того, містить набір корисних
констант, що прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним
процесором, забезпечуючи, таким чином, високу продуктивність. Система
виконує команди співпроцесора в тому порядку, в якому вони з'являються в
потоці. Математичний співпроцесор персонального комп'ютера IBM PC дозволяє
йому виконувати швидкісні арифметичні та логарифмічні операції, а також
тригонометричні функції з високою точністю.
Дешифратор
інструкцій (команд). Аналізує інструкції з метою виділення операндів і
адрес, по яких розміщаються результати. Потім слід повідомлення іншому
незалежному пристрою про те, що необхідно зробити для виконання
інструкції. Дешифратор допускає виконання декількох інструкцій одночасно
для завантаження усіх виконуючих пристроїв.
Кеш-пам'ять.
Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер
для прискорення обміну даними між процесором і оперативною пам'яттю, а також
для зберігання копій інструкцій і даних, які нещодавно використовувалися
процесором. Значення з кеш-пам'яті витягуються напряму, без звернення до
основної пам'яті. При вивченні особливостей роботи програм було виявлено, що
вони звертаються до тих чи інших областях пам'яті з різною частотою, а саме:
комірки пам'яті, до яких програма зверталася недавно, швидше за все, будуть
використані знову. Припустимо, що мікропроцесор здатний зберігати копії цих
інструкцій в своїй локальній пам'яті. У цьому випадку процесор зможе кожен раз
використовувати копію цих інструкцій протягом усього циклу. Доступ до пам'яті
знадобитися на самому початку. Для зберігання цих інструкцій необхідний зовсім
невеликий обсяг пам'яті. Якщо інструкції у процесор надходять досить
швидко, то мікропроцесор не буде витрачати час на очікування. Таким чином
заощаджуватися час на виконання інструкцій. Але для самих швидкодіючих
мікропроцесорів цього недостатньо. Розв'язання цієї проблеми полягає в
поліпшення організації пам'яті. Пам'ять усередині мікропроцесора може працювати з
швидкістю самого процесора.
Кеш
першого рівня (L1 cache). Кеш-пам'ять, що знаходиться усередині процесора. Вона
швидше всіх інших типів пам'яті, але менші за обсягом. Зберігає зовсім недавно
використану інформацію, яка може бути використана при виконанні
коротких програмних циклів.
Кеш
другого рівня (L2 cache). Також знаходиться усередині процесора. Інформація,
що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті
першого рівня, але зате по обсязі пам'яті він більше. Також у цей час в
процесорах використовується кеш третього рівня.
Основна
пам'ять. Набагато більше за обсягом, чим кеш-пам'ять, і значно менше
швидкодіюча.
Багаторівнева
кеш-пам'ять дозволяє знизити вимоги найбільш продуктивних
мікропроцесорів до швидкодії основний динамічної пам'яті. Кеш-пам'ять, як
відомо, може досить сильно впливати на продуктивність процесора в
залежно від типу виконуваних операцій, однак її збільшення зовсім не
обов'язково принесе збільшення загальної продуктивності роботи процесора. Всі
залежить від того, наскільки додаток оптимізований під дану структуру і
використовує кеш, а також від того, зберігаються чи різні сегменти програми в
кеш цілком або шматками.
Шина
- Це канал пересилання даних, використовуваний спільно різними блоками
системи. Шина може являти собою набір провідних ліній у друкованій платі,
дроти, припаяні до висновків роз'ємів, у які вставляються друковані плати,
або плоский кабель. Інформація передається по шині у вигляді груп бітів. До складу
шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія
(паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі
використовувати одну лінію (послідовна шина). До шині може бути підключено
багато прийомних пристроїв - одержувачів. Зазвичай дані на шині призначаються
тільки для одного з них. Поєднання керуючих та адресних сигналів, визначає
для кого саме. Керуюча логіка збуджує спеціальні стробірующіе
сигнали, щоб вказати адресату, коли йому слід приймати дані.
Одержувачі і відправники можуть бути односпрямованим і двонаправленими.
Розрізняють декілька типів шин.
Шина
даних. Служить для пересилання даних між процесором і пам'яттю або процесором
і пристроями вводу-виводу. Ці дані можуть являти собою як команди
мікропроцесора, так і інформацію, яку він посилає в порти введення-висновку або
приймає звідти.
Шина
адрес. Використовується ЦП для вибору необхідної комірки пам'яті або пристрою
введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, що відповідає одній
з комірок пам'яті або одного з елементів введення-виведення, що входять в систему.
Шина
управління. По ній передаються керуючі сигнали, призначені пам'яті і
пристроїв введення-виведення. Ці сигнали вказують напрямок передачі даних (у
процесор або з нього).
BTB (Branch Target Buffer) - буфер цілей розгалуження. У
цій таблиці знаходяться всі адреси, куди буде або може бути зроблений перехід.
Процесори Athlon ще використовують таблицю історії розгалужень (BHT - Branch
History Table), яка містить адреси, за якими вже здійснювалися
розгалуження.
Регістри
- Це внутрішня пам'ять процесора. Представляють собою ряд спеціалізованих
додаткових комірок пам'яті, а також внутрішні носії інформації
мікропроцесора. Регістр є пристроєм тимчасового збереження даних, числа
або команди і використовується з метою полегшення арифметичних, логічних і
пересильних операцій. Над вмістом деяких регістрів спеціальні
електронні схеми можуть виконувати деякі маніпуляції. Наприклад,
"вирізати" окремі частини команди для подальшого їх використання
або виконувати певні арифметичні операції над числами. Основним елементом
регістра є електронна схема, яка називається тригером, яка здатна
зберігати одну двійкову цифру. Регістр являє собою сукупність тригерів,
пов'язаних один з одним певним чином загальною системою управління.
Існує кілька типів регістрів, що відрізняються видом виконуваних операцій.
Деякі
важливі регістри мають свої назви, наприклад:
суматор
- Регістр АЛП, що бере участь у виконанні кожної операції.
лічильник
команд - регістр УУ, вміст якого відповідає адресі чергової
виконуваної команди; служить для автоматичної вибірки програми з
послідовних комірок пам'яті.
регістр
команд - регістр УУ для збереження коду команди на період часу, необхідний
для її виконання. Частина його розрядів використовується для збереження коду операції,
інші - для збереження кодів адрес операндів.
Архітектура мікропроцесора
Архітектура
мікропроцесора (Architecture) - принцип його внутрішньої організації, загальна
структура, конкретна логічна структура окремих пристроїв. Поняття
архітектури мікропроцесора включає в себе систему команд та способи адресації,
можливість суміщення виконання команд у часі, наявність додаткових
пристроїв у складі мікропроцесора, принципи і режими його роботи. Виділяють
поняття мікроархітектури і макроархітектури.
Мікроархітектура
мікропроцесора - це апаратна організація і логічна структура
мікропроцесора, регістри, керуючі схеми, арифметико-логічні пристрої,
запам'ятовувальні пристрої та що зв'язують їх інформаційні магістралі.
Макроархітектура
мікропроцесора - це система команд, типи оброблюваних даних, режими
адресації і принципи роботи мікропроцесора.
В
загальному випадку під архітектурою ЕОМ розуміється абстрактне уявлення машини в
термінах основних функціональних модулів, мови ЕОМ, структури даних.
В
відповідності з архітектурними особливостями, що визначають властивості системи
команд, розрізняють:
Мікропроцесори з CISC архітектурою.
CISC
(Complex Instruction Set Computer) - Комп'ютер зі складною системою команд.
Історично вони перші і включають велику кількість команд. Всі
мікропроцесори корпорацій Intel (Integrated Electronics) і AMD (Advanced Micro
Devices) відносяться до категорії CISC. Для прискорення роботи CISC процесорів
застосовується набір додаткових інструкцій (Instruction Set). Природно
тільки за умови підтримки цих наборів з боку програми. Всі
традиційні сучасні процесори підтримують набір інструкцій MMX, який
був найпершим (розроблений корпорацією Intel ще в 1997 році). MMX
розшифровується як MultiMedia eXtensions (мультимедійні розширення). Він
представив додаткові можливості, орієнтовані на обробку цифрового
зображення і звуку. В основі технології лежить концепція (мікроархітектура)
SIMD (Single Instruction Many Data - "одна команда, багато даних"),
коли за допомогою однієї інструкції одночасно обробляється кілька
елементів даних. SSE, SSE2, 3DNow! - Подальший розвиток цієї ідеї. Мікропроцесори
Intel Pentium 3 підтримують SSE, а Pentium 4 і AMD Athlon 64 ще й SSE2 (це
відноситься і до відповідних мікропроцесорах Intel Celeron). Процесори AMD
Athlon і Duron підтримують набори інструкцій 3DNow! Professional і MMX, в
Athlon XP була додана підтримка SSE (на рівні мікрокоду ядра).
Мікропроцесори з RISC архітектурою.
RISC
(Reduced Instruction Set Computer) - Комп'ютер з скороченою системою команд.
Спрощена система команд і скорочена до такого ступеня, що кожна інструкція
виконується за єдиний такт. Внаслідок цього спростилася структура
мікропроцесора, і збільшилося його швидкодію. Усі команди працюють з
операндами і мають однаковий формат. Звернення до пам'яті виконується за допомогою
спеціальних команд завантаження регістра й запису. Простота структури і невеликий
набір команд дозволяє повністю реалізувати їхнє апаратне виконання і
ефективний конвеєр при невеликому обсязі обладнання. Арифметику RISC --
процесорів вирізняє високий ступінь дроблення конвеєра. Цей прийом дозволяє
збільшити тактову частоту (отже, і продуктивність) комп'ютера; ніж
більш елементарні дії виконуються в кожній фазі роботи конвеєра, тим
вище частота його роботи. RISC - процесори з самого початку орієнтовані на реалізацію
всіх можливостей прискорення арифметичних операцій, тому їх конвеєри
мають значно більш високу швидкодію, ніж CISC - процесорах. У
Внаслідок чого, RISC - процесори в 2 - 4 рази швидше що мають ту ж тактову
частоту CISC - процесорів зі звичайною системою команд і високу продуктивність,
незважаючи на більший обсяг програм, на (30%). Дейв Паттерсон і Карло Секуін
сформулювали 4 основних принципи RISC:
1.Любая
операція повинна виконуватися за один такт, незалежно від її типу.
2.Система
команд повинна містити мінімальну кількість найбільш часто використовуваних
найпростіших інструкцій однакової довжини.
3.Операціі
обробки даних реалізуються тільки у форматі "регістр - регістр" (операнди
вибираються з оперативних регістрів процесора, і результат операції
записується також у регістр; а обмін між оперативними регістрами й пам'яттю
виконується тільки за допомогою команд загрузкізапісі).
4.Состав
системи команд повинен бути "зручний" для компіляції операторів мов високого
рівня.
Приклад
мікропроцесора з RISC-аpхітектуpой - Power PC. Мікропроцесор Power PC почав
розроблятися в 1981 році трьома фірмами: IBM, Motorola, Apple.
Мікропроцесори з MISC архітектурою.
MISC
(Minimum Instruction Set Computer) - Комп'ютер з мінімальною системою команд.
Послідовність простих інструкцій об'єднується в пакет, таким чином,
програма перетворюється у невелике количество довгих команд.
Двома
основними архитектурами набору команд, що використовуються комп'ютерної промисловістю
на сучасному етапі розвитку обчислювальної техніки є архітектури CISC
і RISC.
Система команд мікропроцесора
Незважаючи
на бурхливу еволюцію обчислювальної техніки, основний набір команд досить слабо
змінився. Система команд будь-який ЕОМ обов'язково містить такі групи
команд обробки інформації.
Команди
передачі даних (перепис), що копіюють інформацію з одного місця в інше.
Арифметичні
операції, до яких в основному відносять операції додавання і віднімання. Множення
і поділ зазвичай реалізується за допомогою спеціальних програм.
Логіка
операції, що дозволяють комп'ютера проводити аналіз одержуваної інформації.
Найпростішими прикладами команд даної групи можуть служити порівняння, а
також відомі логічні операції і, або, не.
Зрушення
двійкового коду ліворуч і праворуч. У деяких випадках зрушення використовуються для
реалізації множення і ділення.
Команди
введення і виведення інформації для обміну з зовнішніми пристроями. В деяких ЕОМ
зовнішні пристрої є спеціальними службовими адресами пам'яті, тому
введення і вивід здійснюється за допомогою команд перепису.
Команди
управління, що реалізують нелінійні алгоритми. Сюди відносять умовний і
безумовний переходи, а також команди звернення до підпрограмі (перехід з
поверненням). Часто до цієї групи відносять операції з управління процесором типу
зупинка чи ні операції.
Будь-яка
команда ЕОМ зазвичай складається з двох частин - операційної і адресної.
Операційна частина що також називається кодом операції вказує, яку дію
необхідно виконати з інформацією. Операційна частина є у будь-якої команди.
Адресна частина описує, де використовується інформація зберігається і куди помістити
результат. У деяких командах керування роботою машини адресна частина може
відсутнім.
Код
операції можна уявити собі як деякий умовний номер у загальному списку
команд. В основному цей список побудований відповідно до визначених
внутрішніми закономірностями.
Адресна
частина має значно великою різноманітністю. Основу адресної частини
складає операнд. Залежно від кількості можливих операндів команди
можуть бути одно-і двоадресного. У двоадресного командах результат записується
або в спеціальний регістр (суматор), або замість одного з операндів.
Способи адресації даних
Способи
(або методи) адресації не що інше, як способи вказівки на ті чи інші осередки
пам'яті, з якими повинен маніпулювати оператор. Існує багато різних
методів адресації. Кількість їх залежить від типу процесора. Наявність великої
кількості способів адресації забезпечує високу гнучкість у побудові
програм і є великою перевагою системи команд даного типу ЕОМ.
Способи адресації практично однакові для всіх команд, в яких присутні
операнди. Розглянемо три основні способи адресації даних.
Реєстрова
адресація. При цьому способі операндом є один з регістрів загального
призначення. Число зберігається безпосередньо в реєстрі. Записується як Rn, де
n - номер регістра.
Непряма
адресація. При цьому способі адресації в одному з регістрів загального призначення
міститься не саме число, з яким потрібно працювати, а його адресу, то є номер
комірки пам'яті, в якому число знаходиться. Записується як (Rn), де n - номер
регістра.
автоінкрементним
адресація. Цей вид адресації дещо складніше двох попередніх. Крім
основного дії (непрямого звернення до комірки пам'яті), при використанні
цього методу, відбувається ще зміна адреси цього звернення. У даному випадку
збільшується покажчик адреси комірки пам'яті, до якої ми звертаємося, тобто
вміст регістра, що служить дороговказом адреси. Дане збільшення відбувається
автоматично, без будь-якої команди. Записується ця адресація як (Rn) +.
Те, що знак + стоїть після імені регістра, натякає на порядок виконання
команди: спочатку відбувається операція з осередком, на яку вказує адресу
поміщений у регістр Rn, а потім вже вміст регістра збільшується на 2
(якщо оператор працює зі словом, то перехід до адреси наступного слова), або
на 1 (якщо оператор працює з байтом, перехід до адреси наступного байта).
Даний спосіб адресації застосовується для роботи з масивами і при використанні
стека (наприклад, при використанні підпрограм).
Параметри мікропроцесора
Параметри визначають продуктивність
1.
Тактова частота (Частота ядра) (Internal clock) - це кількість електричних
імпульсів в секунду. Кожен імпульс несе в собі якусь інформацію - це можуть
бути команди процесора або дані пам'яті. Тактова частота задається кварцовим
генератором - одним із блоків, розташованих на материнській платі. Тактова
частота кварцового генератора витримується з дуже високою точністю і лежить в
мега або гігагерцовий діапазоні. Мікропроцесор, що працює на тактовій частоті
800 МГц, виконує 800 мільйонів робочих тактів за секунду. Залежно від
складності оброблюваної команди процесора для виконання завдання іноді
необхідно сотні і тисячі тактів. Чим вище тактова частота ядра, тим вище
швидкість обробки даних. Сучасні мікропроцесори працюють на частотах від
800 МГц до 4,7 ГГц.
2.
Обсяг Кеш-пам'яті (Cache) - Кеш-пам'ять швидка пам'ять, яка використовується процесором
для прискорення операцій, що вимагають звертання до пам'яті. На загальну
продуктивність впливає розмір кеша L2. Чим більше L2, тим дорожче процесор,
тому що память для кеша ще дуже дорога. Тому ефективніше збільшувати частоту
кеша, а для цього він повинен знаходитися якомога ближче до ядра процесора.
Кеш-пам'ять може працювати на частоті 1/4, 1/3, 1/2, 1/1 від частоти ядра.
Сучасні мікропроцесори мають кеш об'ємом від 8 Кб до 5Мб.
3.Разрядность
- Максимальна кількість розрядів двійкового коду, які можуть оброблятися
або передаватися одночасно. Більшість сучасних мікропроцесорів
побудовано на 32-х бітної архітектури IA-32 (Intel Architecture 32 bit) або на
64-х бітної IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Продуктивність 64-х бітових
мікропроцесорів набагато вище.
4.
Швидкодія мікpопpоцессоpа - це число елементаpних опеpацій, виконуваних
мікpопpоцессоpом в одиницю часової (опеpаціі/секунда).
Експлуатаційні параметри мікропроцесора
1.
Напруга живлення мікропроцесора - величина напруги живлення
мікропроцесорів залежить від технологічного процесу і від частоти ядра. Чим
менше кристал і нижче частота, тим менше напруга живлення. Напруга
харчування сучасних мікропроцесорів від 0,5 В до 3,5 В, найчастіше від 1,2 В до
1,75 В.
2.
Ток ядра - у сучасних мікропроцесорів струм, що протікає через ядро від 1 А до
90 А.
3.
Споживана потужність - залежить від величини напруги живлення і від частоти
ядра. Чим менше напругу живлення і частота, тим менше споживана
потужність. Потужність сучасних мікропроцесорів від 1Вт до 120 Вт. Найчастіше в
межах 40-70 Вт
4.
Максимальна температура нагріву кристала - максимальна температура
кристала, при якій можлива стабільна робота мікропроцесора. У
сучасних мікропроцесорів вона коливається в межах від 60
