64,65. Процессор эвм: понятие, функции, состав, конструктивное исполнение, основные характеристики

Процессор - основная часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки информации. В зависимости от выполняемой функции процессор может быть центральным, или управляющим конкретной задачей. Процессор предназначен для автоматического (без участия человека) выполнения последовательности операций (арифметических, логических, операций обмена информацией). Для этого составляется программа, состоящая из команд.

Функции процессора:

• Управление

• Синхронизация

• Координация

работой всех устройств ЭВМ

Для обеспечения выполнения функций в состав процессора обязательно входят:

• Устройство управления (преобразует командную информацию в управляющие сигналы, воздействие которых на блоки компьютера обеспечивает автоматическое выполнение команд );

• Арифметическо – логическое устройство (непосредственно выполняет арифметические и логические операции);

• Блок регистров (хранит коды и адреса выполняемых команд, промежуточные данные, управляющую информацию).

В состав процессора (или устройства управления) входят также:

Блок связи с оперативной памятью - организует обмен информацией процессора с оперативной памятью и защиту участков оперативной памяти от недозволенных данной программе обращений.

Генератор тактовых импульсов задает тактовую частоту и через устройство управления задает ритм работы компьютера. Промежуток времени между двумя тактовыми импульсами – машинный такт. За машинный такт выполняется одна или несколько микроопераций.

АЛУ микропроцессора состоит из:

• двоичного сумматора;

• регистров хранения операндов;

• регистров сдвига (для умножения);

• (инвертора (для вычитания).

Устройство управления согласно коду операции, содержащемуся в команде, УУ формирует внутренние сигналы управления. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для обращения к данным определенной ячейки памяти. В состав УУ входят схемы:

• Регистров

• Дешифраторов;

• Счетчиков.

Различают следующие регистры CPU:

№	Название регистра	Обозначение	Назначение
1	Регистры общего назначения	РОН	Временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти
2	Регистр команды	РК	Служит для размещения текущей команды, которая находится в нём в течении
3	Регистр, счетчик адреса команды	РАК, СчАК	Содержит адрес текущей команды
4	Регистр адреса	РА(Ч)	Содержит адрес одного из операндов выполняемой команды
5	Регистр числа	РЧ	Содержит операнд выполняемой команды, РЧ также несколько
6	Регистр результата	РР	Хранит результата выполнения команды
7	Сумматор	РСум	Регистр, осуществляющий операции сложения чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде.
8	Регистр состояния (флаговый регистр)	РФ	Содержит информацию о состоянии процессора (признак результата, ход выполнения программы)

Характеристиками процессора являются:

• Разрядность - количество одновременно принимаемых, обрабатываемых бит.

• Тактовая частота – количество тактовых импульсов в единицу времени, выдаваемых генератором.

• Элементная база, используемая для производства (электронные лампы, полупроводниковые элементы, интегральные схемы, большие и сверхбольшие интегральные схемы).

• Технологические особенности – наличие технологических элементов, повышающих производительность (конвейеризация, суперконвейеризация, динамическое исполнение команд и т.д.)

66 – 69. Процессор ЭВМ: команда, машинный цикл, машинный такт, этапы выполнение команды

Работа ЭВМ – непрерывное выполнение тех или иных программ, Программы могут загружать новые программы. Каждая программа состоит из отдельных команд и предназначена для решения определенной задачи.

Каждая команда инициирует операцию. Команда делится на ряд элементарных составных частей – микрокоманд.

Микрокоманда вызывает элементарное действие – микрооперацию. Для выполнения микрооперации требуется машинный такт. Машинный такт - промежуток времени между двумя соседними тактовыми импульсами, вырабатываемыми синхрогенератором.

В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное количество тактов. Например, пересылка из одного регистра в другой выполняется за несколько тактов. А перемножение двух чисел требует количество тактов, на порядок больше. Удлинение команды происходит, например, от того, что обрабатываемые данные находятся не в регистрах процессора, а в памяти и, их нужно предварительно считывать.

Машинный цикл – промежуток времени, за который по команде выполняется операция, равен нескольким машинным тактам.

Машинный цикл – это интервал времени, за который происходят выработка команды, ее распознавание, выполнение.

Инструкция	Вызываемые действия	Временная характеристика
Программа	Решение задачи, реализация алгоритма	Совокупность машинных циклов
Команда	Операция	Машинный цикл
Микрокоманда	Микрооперация	Машинный такт

Процессор (CPU), запрашивает и выполняет команды программы. Программа и данные к ней находятся в памяти. Процессор всегда знает адрес выполняемой команды. Для хранения адреса команда имеет специальный регистр – счетчик адреса команд (СК). Для хранения кода выполняемой команды имеет регистр команд (РК).

Программа – набор команд для реализации конкретной задачи.

Команда – закодированная инструкция процессору для выполнения конкретного действия. Каждой команде соответствует одна операция.

Совокупность всех команд, которые данный процессор может выполнить, называется системой команд.

Программа заносится в оперативную память компьютера. Оперативная память представляет собой набор пронумерованных (проадресованных) ячеек. Каждая команда имеет адрес, по которому она хранится в оперативной памяти в закодированном виде (в виде кода команды). Адрес команды – номер ячейки памяти, содержащей данную команду.

Каждой команде соответствует одна операция – набор действий, выполняемых процессором. Команда выполняется за интервал времени, в течение которого она хранится в УУ. При этом производится ее преобразование в соответствующий набор управляющих сигналов. Интервал времени, за который происходят выработка, хранение и преобразование команды в набор управляющих сигналов, называется машинным циклом. Для обозначения элементарных действий, являющихся частью операции, используется термин микрооперация. Интервал времени, в течении которого выполняется одна или несколько микроопераций, называется машинный такт.

Существует следующая иерархия этапов выполнения команд:

• Программа (задача)

• Операция (команда) выполняется за машинный цикл.

• Одна или несколько операций выполняются за машинный такт.

Этапы выполнения команды

• Процессору сообщается адрес первой команды.

• Процессор к выполнению команды: запрашивает по этому адресу команду из памяти. Команда поступает в процессор для выполнения. Процессор дешифрирует (распознает) поступившую команду, настраивается на ее выполнение.

• Процессор выполняет команду.

• Затем процессор вырабатывает адрес следующей команды либо увеличением адреса текущей команды либо по результатам выполнения текущей команды.

Процессор вновь запрашивает команду по адресу, процесс повторяется до тех пор, пока не будет выработан признак конца программы.

Выполнение команды микропроцессором

Выполнение команды микропроцессором соответствует классическому алгоритму работы процессора.

Особенностью является шинный принцип связи: МП «общается» с остальными компонентами компьютера через шины.

Шина (информационная шина) – система проводников (линий), по которым происходит обмен информацией между компонентами компьютера. Шины делятся на группы в зависимости от типа передаваемых данных:

• шина адреса ША,

• шина данных ШД

• шина управления ШУ)

И в зависимости от функционального назначения (что соединяют):

• системная шина,

• шина памяти,

• шина КЭШ памяти,

• шина ввода/вывода).

Различают этапы выполнения команды микропроцессором:

1. Микропроцессору сообщается адрес первой команды.

2. Происходит подготовка к выполнению команды:

• МП выставляет адрес команды на ША;

• Схема выборки памяти находит содержимое по этому адресу и пересылает его (команду) в МП по ШД;

• Команда распознается устройством управления;

• МП настраивается на выполнение команды и УУ вырабатывает соответствующие сигналы на ШУ.

3. Команда выполняется.

4. Формируется адрес следующей команды. Процесс повторяется, пока не будет выработан или передан извне признак конца программы.

Такой алгоритм позволяет выполнить программу шаг за шагом. Если в программу имеются переходы или циклы, содержимое СК (адрес команды, которую надо выполнить) не вычисляется, а извлекается из самой команды.

В современных компьютерах используется метод конвейеризации - технологии «опережающего перехода»: устройства процессора работают не последовательно, а параллельно. Одно считывает команду, другое - распознает, третье – вычисляет адреса операндов и т.д. Подготовка к выполнению следующей команде начинается до завершения предыдущей: на разных ступенях конвейера находятся разные команды. Такой подход значительно ускоряет выполнение команды в случае линейной последовательности. В случае перехода конвейер вынужден очиститься, и следующая команда будет выполняться дольше.

Метод имеет развитие – использование не одного конвейера, а нескольких, работающих параллельно