Процессоры компьютеров
5.1. Классификация процессоров
Процессоры можно классифицировать по различным признакам.
По назначению их делят на центральные и периферийные. В однопроцессорных компьютерах (а к таковым относится большинство современных персональных компьютеров) все основные функции вычисления и управления выполняются одним процессором. Но некоторые периферийные устройства могут иметь свои процессоры (например, мониторы, принтеры и т.д.). Применение нескольких процессоров в вычислительной системе обеспечивает большую эффективность использования аппаратурных средств компьютера.
По способу выполнения арифметических и логических операций процессоры делят на синхронные, асинхронные и комбинированные. В синхронных процессорах любая операция независимо от ее сложности выполняется за один машинный такт. При этом машинное время расходуется неэффективно, так как для выполнения наиболее простых операций, которых обычно достаточно много, требуется время, значительно меньшее одного такта. В асинхронных процессорах любая операция занимает время, необходимое для ее непосредственного выполнения, после чего компьютер сразу переходит к выполнению следующей операции. Следовательно, асинхронные процессоры будут более быстродействующими, но они отличаются повышенной сложностью по сравнению с синхронными. В комбинированных процессорах простые операции обычно выполняются синхронно, а сложные – асинхронно.
По способу организации передачи и обработки информации процессоры делят на параллельные, последовательные и комбинированные. Процессоры параллельного действия предназначены для обработки информации, представленной в параллельном коде. Такая обработка производится одновременно пр всем разрядам, что ускоряет выполнение необходимой операции. Процессоры последовательного действия предназначены для обработки информации, представленной в виде временной последовательности импульсов. При этом выполнение необходимых опреаций производится с использованием одноразрядных электронных узлов за столько тактов, сколько разрядов представлено в кодах обрабатываемой информации.
По архитектуре и набору используемых микрокоманд они делятся на CISC (complex instruction set computing) и RISC (reduced instruction set computing) системы. Их отличие состоит в том, что CISС системы используют полный набор команд в процессоре, а RISC системы – ограниченный набор команд. CISC архитектура используется в микропроцессорах фирмы Intel, в то время как RISC архитектура в микропроцессорах большинства остальных фирм (IBM, AMD, Motorola и др.). В настоящее время наблюдается тенденция к слиянию этих двух архитектур.
Структурная схема процессора
В зависимости от области применения компьютера состав процессора и его структура могут существенно меняться. На фиг. 6.1 проведена упрощенная структурная схема процессора. с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).
ОЗУ
СОЗУ
АЛУ
УУ
БУР
Рис. 4.1. Структурная схема процессора
Основными блоками процессора являются устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управляющих регистров (БУР). АЛУ совместно с блоком управляющих регистров образует вычислитель процессора. Устройство управления вырабатывает необходимую последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих согласованную работу всех блоков компьютера при выполнении заданной программы. Арифметико-логическое устройство процессора служит для выполнения арифметических и логических операций над числами, представленными в соответствующих кодах. АЛУ через устройство управления связано с запоминающими устройствами (ОЗУ, СОЗУ), откуда оно получает исходные данные и куда записываются результаты вычислений. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) не входят в состав процессора, но являются необходимыми элементами для работы компьютера и пояснения функционирования самого процессора. Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) или кэш-память является составной частью процессора и служит для согласованной работы быстродействующего процессора с относительно медленной оперативной памятью. В кэш-памяти запоминаются на некоторое время полученные ранее данные, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Благодаря кэш-памяти время простоя процессора (ожидание новых команд и данных) сводится к минимуму. В современных процессорах кэш-память делается двух уровней (реже трех) – L1 и L2 - причем, первый уровень располагается на одном кристалле с процессором, а второй делается в виде отдельной микросхемы.
Арифметико-логическое устройство процессора
Арифметико-логическое устройство служит для выполнения арифметических и логических преобразований над словами (операндами). Выполняемые АЛУ операции можно разделить на следующие группы :
операции двоичной арифметики над числами с фиксированной точкой;
операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики над числами с плавающей точкой;
операции десятичной арифметики;
операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
операции специальной арифметики;
операции над логическими кодами (логические операции);
операции над алфавитно-цифровыми полями.
Современные процессоры персональных компьютеров обычно реализуют операции всех приведенных групп. Специализированные же процессоры часто не имеют схем для выполнения некоторых операций, например, над числами с плавающей точкой, десятичной арифметики, алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами [ 5 ].
К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, умножение и деление. Группу логических операций составляют операции дизъюнкция («ИЛИ») и конъюнкция («И») над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг и логический сдвиг.
Можно привести следующую классификацию АЛУ.
По способу функционирования АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно по времени над всеми разрядами операндов.
По способу представления чисел различают АЛУ для чисел с фиксированной точкой, для чисел с плавающей точкой, для десятичных чисел.
По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, но значительно возрастают затраты на оборудование. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируют нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.
По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие прием из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов в другие устройства. АЛУ управляется устройством управления УУ, генерирующим управляющие сигналы, которые инициируют выполнение в АЛУ определенных микроопераций.
В современных АЛУ длина слова составляет 32 или 64 разряда и имеет тенденции к дальнейшему возрастанию.