13. Структура процессора.

Основные элементы процессора:

• Регистры

• АЛУ – арифметико-логическое устройство

• БУ – блок управления

• ТГ – тактовый генератор

Регистры – это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, крегистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции.

Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд).

Тактовый генератор, или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора. С помощью тактовых импульсов выполняется синхронизация для внутренних команд процессора и остальных устройств. Тактовый генератор вырабатывает (генерирует) прямоугольные импульсы, которые следуют с определённой частотой (для разных процессоров частота разная).

В теории электронно-вычислительных машин различают два понятия: машинный такт и машинный цикл.

Машинный такт соответствует одному периоду импульсов тактового генератора и является основной единицей измерения времени выполнения команд процессором.

Машинный цикл состоит из нескольких машинных тактов. Машинный цикл – это время, необходимое для выполнения одной команды.

Машинный цикл может отличаться для разных команд. Для простых команд может потребоваться всего 1-2 машинных такта. В то время как для сложных команд, таких как умножение, может потребоваться до 50 машинных тактов и более. Это очень важный момент. Когда вы будете писать реальные программы, которые очень критичны к быстродействию, следует помнить о том, что разные команды требуют соответствующего времени работы процессора. То есть одни и те же действия можно выполнить, например, за 100 машинных тактов, а можно и за 20. Это зависит от опыта и квалификации программиста, а также от конкретных задач.

Доработка программы таким образом, чтобы она выполнялась максимально быстро (то есть для её выполнения требовалось как можно меньше машинных тактов) называетсяоптимизация по быстродействию. В таких случаях часто приходится чем-то жертвовать, например, усложнять программу или увеличивать её размер. Есть и другие типы оптимизации, например, оптимизация по размеру. В этом случае обычно жертвуют быстродействием, чтобы получить программу с минимальным размером исполняемого файла. Выбор оптимизации зависит от конкретной задачи. Вопросы оптимизации будут рассмотрены в соответствующем разделе.

Устройство управления - функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с программой решения задачи.

Устройство управления обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать.

Управление от программы решения задачи, которое хранится в памяти компьютера, обеспечивает полную автоматизацию процесса решения. Поэтому компьютеры - универсальные ЭВМ - называют программно-управляемыми автоматами. 

14. Регистры процессора

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

 Имеется 3 типа регистров:

• общие регистры хранят целые числа или адреса. Размер общего регистра совпадает с размером машинного слова и в 32-разрядной архитектуре равен четырем байтам. Число общих регистров и их назначение зависит от конкретного процессора. В большинстве Ассемблеров к ним можно обращаться по именам R0, R1, R2, ...Среди общих регистров имеются регистры специального назначения: указатель стека SP (Stack Pointer), счетчик команд PC (Program Counter) и др.;

• регистр флагов содержит биты, которые устанавливаются в единицу или в ноль в зависимости от результата выполнения последней команды. Так, бит Z устанавливается в единицу, если результат равен нулю (Zero), бит N — если результат отрицательный (Negative), бит V — если произошло переполнение (oVerflow), бит С - если произошел перенос единицы из старшего или младшего разряда (Carry), например, при сложении двух целых чисел или при сдвиге. Значения битов в регистре флагов используются в командах условных переходов;

• плавающие регистры содержат вещественные числа. В простых процессорах аппаратная поддержка арифметики вещественных чисел может отсутствовать. В этом случае плавающих регистров нет, а операции с вещественными числами реализуются программным путем.

15. Регистры общего назначения

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например в строковых. РОН, не характерные для эпохи мейнфреймов типа IBM/370^[1] стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — i8085, i8086 и последующих^[2

РЕГИСТР КОМАНД (instruction register). Регистр процессора, в котором находится исполняемая в данный момент команда. Она вызывается на Р. к. из оперативной памяти

Счетчик команд — регистр процессора, содержащий адрес текущей выполняемой команды. В зависимости от архитектурысодержит либо адрес инструкции, которая будет выполняться, либо той, которая выполняется в данный момент^{[источник не указан 1293 дня]}.

Регистр флагов — регистр процессора, отражающий текущее состояние процессора.

16. Структура команды процессора. Цикл выполнения команд

17. Понятие рабочего цикла, такта процессора

Цикл процессора - период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора - промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internal clock)генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Такт процессора (такт синхронизации) - квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция - выборка, сравнение, пересылка данных.