Схемотехника / Опорні конспекти / Модуль 2 / 2.3-к Мікропроцесор
.pdfТема 2.3: Призначення, архітектура та структура мікропроцесора.
Мета: Ознайомити з призначенням, архітектурою та структурою мікропроцесора.
Перелік питань для вивчення.
1.Причини створення мікропроцесорів.
2.Призначення процесора.
3.Фізична будова та технології виготовлення процесорів.
4.Програмістська модель мікропроцесора.
5.Однокристальний мікропроцесор.
6.Архітектура та структура мікропроцесора.
7.Логічна схема роботи процесора.
8.Система команд процесора.
9.Сумісність та сімейства процесорів.
1. Причини створення мікропроцесорів.
Розробники логічних схем не раз замислювались над питанням: чи можна спроектувати схему, яка може виконувати будь-які арифметичні та логічні операції з двійковими даними за допомогою заданої програми?
Така схема повинна бути універсальною в застосуванні. Вона може замінити будь-які логіч-
ні схеми. Не потрібно кожного разу складати комбінаційну схему з різних елементів. Універсальну схему можна програмувати так, щоб виконувалися необхідні логічні функції.
Структура цієї універсальної схеми складна, а її вартість повинна бути високою. Але сучасні технології дають можливість здешевити процес виготовлення мікросхем.
Такі універсальні схеми з часом були створені. Їх назвали мікропроцесорами або просто процесорами.
2. Призначення процесора.
Дуже часто в технічній документації назва комп’ютера співпадає з моделлю процесора.
Процесор - це головний функціональний пристрій комп’ютера, який здійснює складне опра-
цювання інформації. В склад процесора входить також пристрій керування. Процесор не тільки
опрацьовує інформацію та керує даним процесом, але й забезпечує при цьому взаємодію з
пристроями пам'яті, введення та виведення інформації.
Процесор – це пристрій для опрацювання інформації та керування роботою комп’ютера.
Процесор, який керує роботою всього комп'ютера, називають центральним процесором -
CPU (Central Processing Unit).
Деякі пристрої сучасних комп'ютерів мають власні спеціалізовані процесори. Наприклад,
відеокарта має власний графічний процесор. Надалі процесором будемо називати центральний процесор комп'ютера.
3. Фізична будова та технології виготовлення процесорів.
У комп'ютерів перших поколінь в якості процесора виступав великий пристрій, який скла-
дався з багатьох компонентів електроніки: ламп, транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів. Всі з'єднання між цими компонентами були реалізовані за допомогою паяння та проводів, а пізніше – друкарського монтажу.
Успіхи мікроелектронних технологій, створення великих і надвеликих інтегральних схем
(ВІС та НВІС) дозволили розмістити всі елементи процесора на одному кристалі напівпровідника.
Процесор - це мікросхема високого ступеня інтеграції, яка складається з величезної кількості електронних компонентів, розміщених на кристалі напівпровідника малого розміру.
Основний компонент процесора - це кристал кремнію, виготовлений за спеціальною техно-
логією. Кристал містить безліч транзисторів та інших елементів, сполучених між собою метале-
вими мостами-контактами (рис. 2.3.1). Транзистори наділяють процесор здатністю виконувати
опрацювання числової інформації.
Рис. 2.3.1 Кристал процесора Pentium Pro в розрізі під мікроскопом.
Сучасні технології виготовлення НВІС дуже складні та вимагають дорогого устаткування.
Створення заводу по виробництву таких мікросхем обходиться в мільярди доларів. Але вартість цифрової техніки, побудованої на них, неухильно знижується. Пояснюється це тим, що інтег-
ральна схема з великою кількістю елементів є універсальною. Вона застосовується в найрізнома-
нітніших пристроях.
Отже, таку мікросхему можна випускати величезними тиражами - мільйонами штук з використанням високопродуктивних автоматичних і роботизованих ліній та ділянок виробництва.
4. Програмістська модель мікропроцесора.
Застосування НВІС дуже сильно вплинуло на принципи побудови цифрових систем, їх архітектуру, логічну структуру, математичне забезпечення. З'явився новий підхід до проектування таких систем - на основі програмованої логіки. Цей підхід допускає використання однієї або декількох стандартних універсальних мікросхем, які працюють під керуванням програми.
У 1970-х роках з'явилася НВІС, яка в значній мірі могла виконувати функції процесора.
Таку інтегральну схему назвали мікропроцесором (МП).
Вже третину століття в історії розвитку мікропроцесорної техніки провідну позицію зай-
має американська фірма Intel. Її постійним конкурентом є американська компанія AMD.
Якщо до мікропроцесора додати пам'ять і пристрої введення-виведення інформації, то така
система може виконувати функції комп'ютера. Саме завдяки появі мікропроцесорів вдалося ство-
рити персональні комп'ютери.
Отже, мікропроцесор - це виконаний за інтегральною технологією цифровий пристрій,
який опрацьовує інформацію та керує її введенням і виведенням згідно заданої програми.
5. Однокристальний мікропроцесор.
Найбільшого поширення набули мікропроцесори, виконані на одному кристалі, або одно-
кристальні мікропроцесори.
Мікропроцесор (рис. 2.3.2) є нероз'ємним конструктивним елементом. Корпус мікропроцесора виготовлений з пластмаси або кераміки. Мікропроцесор під’єднується до інших елементів комп’ютера за допомогою виводів. Число виводів може бути різним. Зі зростанням числа електро-
нних компонентів мікропроцесора збільшується також число виводів. Сучасні мікропроцесори
мають їх більше тисячі. З міркувань зручності кількість виводів прагнуть обмежити.
Безперервне вдосконалення інтегральних технологій приводить до змін в структурі мікро-
процесора.
Рис. 2.3.2 Зовнішній вигляд сучасного мікропроцесора.
6. Архітектура та структура мікропроцесора.
Архітектура мікропроцесора - це відомості про його будову, функціональні можливості та організацію роботи з інформацією.
Структура мікропроцесора - це відомості тільки про його будову.
Таким чином, архітектура мікропроцесора є більш загальним поняттям, ніж структура.
Основою будь-якого мікропроцесора (рис. 2.3.3) є арифметико-логічний пристрій (АЛП).
АЛП виконує опрацювання інформації - арифметичні та логічні дії з початковими даними згідно команд програми. Самі дані (початкові, проміжні та кінцевий результат) знаходяться в регістрах даних (РД), а команди - в регістрі команд (PK). Керування всіма процесами по введенню та виве-
денню інформації, взаємодії між АЛП, РД і PK здійснює багатофункціональний пристрій керування (ПК). Дані, команди та сигнали керування передаються по системі провідників, які називають-
ся внутрішньою шиною (ВШ).
Рис. 2.3.3 Типова структурна схема мікропроцесора.
Розглянемо в загальному вигляді взаємодію наведених на рис. 2.3.3 структурних елементів мікропроцесора в процесі опрацювання інформації.
Порядок дій задається пристроєм керування ПК, якому для забезпечення синхронної взаємодії всіх елементів необхідні постійні тактові імпульси. Ці імпульси виробляє спеціальна мікро-
схема на материнській платі - тактовий генератор. При надходженні кожного нового тактового імпульсу відбувається якась дія: переміщення інформації з одного регістра в інший, перетворення інформації в тому чи іншому регістрі, підключення до внутрішньої шини або якісь інші дії. Кожна
операція виконується в певній послідовності за декілька тактів, число яких залежить від склад-
ності операції.
Зміст операцій визначається командами, які надходять в регістр команд РК. Дані, з якими виконуються операції, надходять в регістр даних РД.
Команди та дані являються двійковими числами. У загальному випадку ці числа називають словами або машинними словами.
Слово - це інформація, яку використовує мікропроцесор. В перших мікропроцесорах слово складалося з чотирьох розрядів. У міру вдосконалення мікропроцесорів збільшувалася довжина слів та розрядність регістрів для їх зберігання. Сучасні мікропроцесори є 64-розрядними (64-біто- вими). Чим більша розрядність регістрів мікропроцесора, тим кращі функціональні можливості він має, тим вища його продуктивність.
Наприклад, у 8-розрядному регістрі команд можуть знаходитися 256 (28) різних чисел. Отже, 8-розрядний мікропроцесор у загальному випадку може виконувати 256 різних команд.
Обчислітьсамостійно, скільки різнихкомандможе виконувати 64-розрядний мікропроцесор.
Здатність виконувати безліч різних операцій робить мікропроцесор могутнім і гнучким обчислювальним інструментом.
7. Логічна схема роботи процесора.
З логічної точки зору процесор складається з безлічі регістрів.
Регістр– цекомірканадшвидкоївнутрішньоїпам’ятіпроцесорадлязберіганнямашиннихслів.
Врегістрах може знаходитись наступна інформація:
-дані;
-команди;
-адреси.
Опрацювання даних відбувається за допомогою команд.
Надсилаючи інформацію в різні регістри процесора, можна керувати її опрацюванням. В цьому полягає принцип виконання програм.
Обмін даними між процесором та іншими пристроями комп'ютера відбувається за допомо-
гою систем провідників, які називаються процесорними шинами. Таких шин є три:
1)шина даних - реалізує обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю та іншими пристроями комп’ютера. Шину даних процесора називають також передньою шиною (Front-Side Bus - FSB), шиною процесора або системною шиною. Сучасні процесори ма-
ть 64-розрядну шину даних. Така шина складається з 64 ліній, по яких за один раз на опрацювання поступають відразу 8 байт даних;
2)шина адрес – передає адреси комірок оперативної пам’яті та адреси інших пристроїв,
які задіяні в передачі даних. Сучасні процесори мають 40-розрядну шину адрес;
3)шина команд – приймає команди з оперативної пам'яті комп’ютера для роботи з дани-
ми, які знаходяться в регістрах процесора. Сучасні процесори мають 64-розрядні та 128розрядні шини команд.
Якщо провести аналогію архітектури процесорних шин з дорожнім рухом, то шина даних - це автомагістралі та вулиці, шина адрес – номери будинків, шина керування – система світлофорів.
На процесорному кристалі також знаходяться наступні мікроелектронні компоненти:
1)ядро процесора - головний обчислювальний пристрій. Саме тут відбувається опрацю-
вання всіх даних, які поступають в процесор. Сучасні процесори мають по декілька обчислювальних ядер;
2)співпроцесор - додатковий блок для найскладніших математичних обчислень, зокрема операцій із числами з «плаваючою крапкою». Співпроцесор також активно використову-
ється для роботи з графічними та мультимедійними даними;
3)кеш-пам’ять – надшвидка буферна пам'ять, своєрідне тимчасове сховище даних, які процесор використовує найчастіше.
Сучасні процесори використовують три типи кеш-пам'яті:
1)кеш-пам'ять першого рівня (L1 cashe) - невелика надшвидка кеш-пам'ять (до 128 кбайт);
2)кеш-пам'ять другого рівня (L2 cashe) - надшвидка кеш-пам'ять об’ємом 1 - 8 Мбайт;
3)кеш-пам'ять третього рівня (L3 cashe) - повільніша від перших двох типів кеш-пам'ять об’ємом 1 - 8 Мбайт.
Кеш-пам’ять першого та другого рівнів вбудована безпосередньо в кожне ядро процесора. Ці типи пам’яті працюють дуже швидко, їх робоча частота дорівнює частоті процесора.
Кеш-пам’ять третього рівня також вбудована в процесор, але розташована окремо від ядер.
Вона використовується спільно всіма обчислювальними ядрами процесора.
Кеш-пам’ять призначена для узгодження роботи оперативної пам’яті та процесора. Справа в тому, що оперативна пам’ять працює повільніше за процесор. Швидкий процесор чекає та
простоює, доки необхідна інформація надійде з повільнішої оперативної пам’яті. Для усунення
цього недоліку дані, які на даний момент процесор використовує найчастіше, копіюються з оперативної пам’яті в кеш-пам’ять першого рівня L1. При наступному запиті до цих даних процесор отримує їх не з повільної оперативної пам’яті, а з швидкого кешу L1. Якщо потрібних даних в
кеші L1 немає, процесор звертається до кешів L2 або L3.
Якщо з деякого часу процесор перестає постійно використовувати якісь дані, вони видаляються з кешу і в нього заносяться інші дані. Говорять, що відбувається оновлення даних кешу.
Для ілюстрації роботи кеш-пам’яті проведемо цікаву аналогію з кафе. В ролі процесора
виступає клієнт, в ролі даних - їжа. Якщо клієнт у визначену годину постійно замовляє одні й ті ж самі страви, офіціант для економії часу може заздалегідь накрити окремий столик з потрібними стравами. В цьому разі столик зі стравами - кеш L1.
Якщо клієнт забажає замовити додаткову страву, якої немає на столику, офіціант подасть її із заздалегідь накритого сусіднього столика з набором додаткових страв. В цьому випадку
сусідній столик - кеш L2.
Якщо ж необхідної страви не виявиться на обох столиках, офіціант швидко привезе її на візку. В цьому випадку візок виступає в ролі кешу L3.
Якщо клієнт з часом перестає постійно замовляти якусь страву, офіціант видаляє її зі столу та замінює іншою (відбувається оновлення даних кешу).
8.Система команд процесора.
Впроцесі роботи процесор опрацьовує інформацію, яка знаходиться в його регістрах та комірках оперативної пам’яті. Частину інформації він визначає як дані, частину - як адреси, а час-
тину - як команди.
Система команд процесора - це сукупність всіх можливих команд, які він може виконати
зданими.
9.Сумісність та сімейства процесорів.
Процесори, які мають однакові або близькі системи команд, є сумісними на програмному рівні. Це означає, що програму, створену для першого процесора, буде виконувати і другий проце-
сор. Такі процесори належать до одного сімейства.
Процесори, які мають різні системи команд, несумісні на програмному рівні. Такі процесори належать до різних сімейств і є невзаємозамінними між собою.
Наприклад, старі 32-розрядні процесори Intel і AMD відносяться до сімейства x86. Родоначальником цього сімейства був процесор Intel 8086.
Сучасні 64-розрядні процесори належать сімейству x64.
Процесори одного сімейства сумісні за принципом «згори донизу». Це означає, що кожен
новий процесор може виконувати всі команди своїх попередників, але не навпаки.
Завдяки такій сумісності сучасний комп'ютер може виконувати старі програми, якщо процесори належать одному сімейству.
Контрольні запитання.
1.Назвіть причини створення мікропроцесорів.
2.Як називають універсальну схему, яку можна програмувати для виконання логічних функцій?
3.Дайте означення процесора.
4.Який процесор називають центральним?
5.Який пристрій виступав у якості процесора комп’ютерів перших поколінь?
6.Що являється основним компонентом процесора?
7.Які основні елементи розміщені на кристалі кремнію?
8.Які елементи наділяють процесор здатністю виконувати опрацювання числової інформації?
9.Чому вартість інтегральних схем неухильно знижується?
10.Який новий підхід з’явився під час проектування цифрових систем на базі НВІС?
11.Яка фірма претендує на провідну позицію в розвитку мікропроцесорної техніки?
12.Яка компанія є постійним конкурентом американської фірми Intel?
13.За якою технологією виконаний мікропроцесор?
14.Який мікропроцесор називається однокристальним?
15.З яких матеріалів виготовляють корпуси мікропроцесорів?
16.Скільки виводів мають сучасні мікропроцесори?
17.Дайте визначення архітектури мікропроцесора.
18.Дайте визначення структури мікропроцесора.
19.Який пристрій є основою будь-якого мікропроцесора?
20.Які функції виконує АЛП?
21.Де в мікропроцесорі знаходяться дані?
22.Де в мікропроцесорі знаходяться команди?
23.Який пристрій мікропроцесора керує всіма процесами по введенню та виведенню інформації?
24.Яка назва провідників для передачі даних, команд та сигналів керування мікропроцесора?
25.Поясніть роботу мікропроцесора за допомогою структурної схеми.
26.Як називають двійкові числа, з якими працює мікропроцесор?
27.Яку розрядність мають сучасні мікропроцесори?
28.Обчислітькількість різних команд, які може виконувати 64-розрядниймікропроцесор.
29.З яких логічних елементів складається процесор?
30.Який елемент процесора називається регістром?
31.Які дані можуть зберігатися в регістрі?
32.В чому полягає принцип виконання програм?
33.Назвіть призначення шини даних процесора.
34.Назвіть призначення шини адрес процесора.
35.Назвіть призначення шини команд процесора.
36.Що являє собою ядро процесора?
37.Скільки обчислювальних ядер мають сучасні процесори?
38.Яке призначення співпроцесора?
39.Дайте визначення кеш-пам’яті процесора.
40.Які типи кеш-пам’яті процесора ви знаєте?
41.Який об’єм має кеш-пам'ять першого рівня процесора?
42.Який об’єм має кеш-пам'ять другого рівня процесора?
43.Який об’єм має кеш-пам'ять третього рівня процесора?
44.В якому місці процесора знаходиться кеш-пам’ять першого та другого рівнів?
45.З якою частотою працює кеш-пам’ять першого та другого рівнів?
46.В якому місці процесора знаходиться кеш-пам’ять третього рівня?
47.Яка особливість використання кеш-пам’яті третього рівня?
48.Яку основну функцію виконує кеш-пам’ять?
49.Поясніть та проілюструйте в загальному випадку роботу кеш-пам’яті.
50.Що називають системою команд процесора?
51.Які процесори називаються сумісними?
52.Які процесори відносяться до одного сімейства?
53.Які сімейства процесорів ви можете назвати?
54.В чому полягає принцип сумісності процесорів «згори донизу»?
Література.
1.Інформатика: 9 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл. / Й.Я. Ривкінд, Т.І. Лисенко, Л.А.
Чернікова, В.В. Шакотько; за заг. ред. М.З. Згуровського.– К.: Генеза, 2009. – 296 с.
2.Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2007. - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. - 896 с.: ил. – (Новейшая энциклопедия).
3.Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005. - 640 с: ил.
4.Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК, 17-е издание.: Пер. с англ. - М.: ООО “И.Д.
Вильямс”, 2007. — 1360 с. (+147 c. на СD) : ил. - Парал. тит. англ.
5.Келим Ю. М. Вычислительная техника: Учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 384 с.
6.Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench.– М.:
Солон-Р, 2000.- 504 с.