Центральный процессор

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Мая 2015 в 23:23, реферат

Описание работы

В работе рассмотрены: характеристики, состав: АЛУ, устройство управления, генератор тактовых импульсов, регистр данных, регистр команд, регистр адреса.

Файлы: 1 файл

refer_kolt.docx

— 41.87 Кб (Скачать файл)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Центральный процессор. Характеристики, состав: АЛУ, устрой-ство управления, генератор тактовых импульсов, регистр данных, ре-гистр команд, регистр адреса.

 

1. Понятие ЦП

 

В области вычислительной техники различают процессоры:

центральные;

специализированные;

ввода/вывода;

передачи данных;

коммуникационные.

Центральный процессор (ЦП) – это основное устройство ЭВМ, осуществляющее обработку данных и выполняющее функции управления системой (инициирование ввода/вывода, управление доступом к основной памяти, обработку сигналов, поступающих от различных внешних устройств и от внутренних устройств ЭВМ и др.).

 

2. Логическая структура ЦП

 

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

 

 

Рис. 1. Логическая структура ЦП

 

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 1.):

средства обработки;

средства управления системой и программами;

локальная память;

средства управления вводом/выводом и памятью;

системные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины.

Локальная память состоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти.

Средства управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.

Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:

регистры общего назначения;

средства выполнения стандартного набора операций;

средства управления вычислительным процессом.

Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.

 

3. Структурная схема процессора

 

Структурная схема ЦП изображена на рисунке 2.

Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:

Центральное устройство управления;

Арифметико-логическое устройство;

Устройство управления памятью;

Сверхоперативное запоминающее устройство;

Устройство предварительной выборки команд и данных;

Интерфейс магистрали.

Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

 

 

Рис. 2

 

Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.

Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.

Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

сумматоры,

буферные и рабочие регистры,

специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),

собственный блок управления (иногда).

Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.

Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).

Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.

Во внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.

Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.

Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.

В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:

несколько целочисленных устройств;

устройство плавающей точки (блок FPU);

устройство выполнения переходов;

устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.

 

4. Характеристики процессора

 

Говоря о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунду. Производительность, в свою очередь, характеризуется радом параметров:

степенью интеграции;

внутренней и внешней разрядностью обработки данных;

тактовой частотой;

памятью, к которой может адресоваться процессор;

объемом и устройством кэш-памяти.

Степень интеграции процессора – число транзисторов, которые могут уместиться на микросхеме.

 

Например,

для

8086

0,029

млн.

 

для

i486DX

1,2

млн.

 

для

Pentium MMX

4,5

млн.

 

для

Pentium III MMX2

9,5

млн.


 

Внутренняя разрядность данных – количество бит, которое процессор может обрабатывать одновременно. Особенно важна эта характеристика для арифметических команд, выполняемых внутри ЦП.

Внешняя разрядность данных – разрядность системной шины. Тактовая частота современных процессоров превышает 300 МГц, тактовая частота системной шины составляет лишь 66 МГц. В самых последних моделях материнских плат – порядка 100 и 133 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы ЦП.

Тактовая частота – количество циклов (или машинных тактов) в секунду, вырабатываемых генератором тактовых сигналов. Современные персональные компьютеры имеют несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на различных частотах. Говоря о тактовой частоте системы, имеют в виду тактовую частоту системной шины.

 

Табл. 1. Характеристики различных процессоров

Тип процессора

Тактовая частота,

МГц

Внешняя разрядность данных, бит

Внутренняя разрядность данных, бит

8086

5, 8, 10

16

16

80486 DX

25, 33, 50

32

32

80486 DX4

75, 100

32

32

Pentium MMX

166, 200, 233, 266

64

32

Pentium II/III

400 - 500, 533 и более

64

32


 

 

Ширина ША, или количество ячеек памяти, к которым может адресоваться процессор.

Ширина ШД, или количество бит данных, которые могут быть одновременно переданы по ШД.

 

5. Регистровые структуры центрального  процессора

 

Набор регистров и их структуры рассмотрим на примере процессоров Intel с CISC-архитектурой. Можно выделить следующие группы регистров:

1. Основные  функциональные регистры (используются  при выполнении прикладных программ) :

регистры общего назначения (РОН);

указатель команд;

регистр флагов;

регистры сегментов.

2. Регистры  процессора (FPU) обработки чисел с  плавающей точкой (используются  при выполнении прикладных программ):

регистры данных;

регистр тегов;

регистр состояния;

регистр указателей команд и данных FPU;

регистр управления FPU.

3. Системные  регистры (используются при выполнении  системных программ):

регистры управления микропроцессора;

регистры системных адресов.

4. Регистры  отладки и тестирования (используются  при отладке и тестировании). Все 16-разрядные регистры микропроцессоров 8086, 80186, 80286 входят в состав набора 32-разрядных регистров.

 

6. Основные функциональные регистры

 

Содержимое этих регистров определяется текущей задачей, т.е. в эти регистры автоматически загружается новое значение при переключении задач.

Регистры общего назначения. Восемь 32-разрядных регистров предназначены для хранения данных и адресов. Они поддерживают работу с данными разрядностью 1,8, 16, 32 и 64 бита, битовыми полями длиной от 1 до 32 бит и адресами размером 16 и 32 бита. Младшие 16 разрядов этих регистров (рис. 3) доступны отдельно при использовании соответствующего имени, например регистр ЕАХ (имя АХ для 16 разрядов).

 

Рис. 3. Структура регистра общего назначения ЕАХ

 

При операциях с байтами можно отдельно обращаться к младшему байту (разряды 0 - 7) и старшему байту (8 – 15) по именам AL и АН. Доступ к отдельным байтам обеспечивает дополнительную гибкость при операциях с данными.

Регистры сегментов и дескрипторы сегментов. Шесть 16-разрядных сегментных регистров (CS, SS, DS, ES, FS, GS) содержат значения селекторов сегментов, указывающих на текущие адресуемые сегменты памяти. С каждым из них связан программно-недоступный регистр дескриптора сегмента (рис. 4).

В защищенном режиме каждый сегмент может иметь размер от 1 байта до 4 Гбайт, в режиме реальных адресов максимальный размер сегмента составляет 64 Кбайта.

Селектор в CS обеспечивает обращение к текущему сегменту команд, селектор в SS — к текущему сегменту стека, селекторы в DS, ES, FS, GS — к текущим сегментам данных. Каждый регистр дескриптора содержит 32-разрядный размер сегмента и другие необходимые атрибуты.

Когда в регистр сегмента загружается новое значение селектора, содержимое соответствующего регистра дескриптора автоматически корректируется. В реальном режиме базовый адрес сегмента получается путем сдвига значения селектора на 4 разряда влево (20 разрядов), максимальный размер и атрибуты сегмента в реальном режиме имеют фиксированные значения.

 

Рис. 4. Регистры сегментов и соответствующие регистры дескрипторов

 

Указатель команд. Указатель команд (рис. 5) представляет собой 32-разрядный регистр с именем EIP, содержимое которого используется в качестве смещения при определении адреса следующей выполняемой команды. Смещение задается относительно базового адреса сегмента команд CS. Младшие 16 бит (0 — 15) содержат 16-разрядный указатель команд с именем IP, который используется при 16-разрядной адресации.

Информация о работе Центральный процессор