3. Микропроцессоры эвм

Процессор – устройство, которое определяет назначение и внутреннюю организацию ЭВМ. В современных вычислительных системах имеется несколько процессоров, каждый из которых специализирован на решении конкретных задач, при этом всегда имеется центральный процессор (Central Processing Unit – CPU).

Микропроцессор – функционально законченное, программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной сверхбольшой интегральной схемы.

Структура микропроцессора

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

- чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

- прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

- обработка данных и их запись в основную память и в регистры адаптеров внешних устройств;

- выработка управляющих сигналов для всех других блоков и устройств.

Функционально микропроцессор состоит из двух частей:

1. Операционной части, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцессорную память (за исключением нескольких адресных регистров).

2. Интерфейсной части, содержащей адресные регистры, блок регистров команд, схему управления шиной и портами.

Обе части работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную так, что выборка очередной команды из памяти производится во время выполнения операционной части предыдущей команды.

Микропроцессоры характеризуются следующими техническими характеристиками, такими как:

- Тактовая частота – количество элементарных операций (тактов), которые выполняет микропроцессор за одну секунду.

- Разрядность шины данных и шины адреса.

- Адресное пространство – максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессору.

- Набор команд.

- Степень интеграции – число элементов в интегральной схеме.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ обычно состоит из двух регистров, сумматора и схем управления

АЛУ выполняет арифметические операции (сложения, вычитания, умножения, деления) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда (целые двоичные числа). Выполнение операций над двоичными числами с плавающей точкой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется:

- с привлечением математического сопроцессора;

• по специально составленным программам;

• с использованием специального вычислительного блока

внутри микропроцессора.

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно участвующей в вычислениях.

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования микропроцессора с системной шиной, а также для приёма и предварительного анализа команд выполнения программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть содержит:

- адресные регистры микропроцессорной памяти;

- узел формирования адреса;

- схему управления шиной и портами ввода-вывода;

- блок регистров команд;

- внутреннюю интерфейсную шину микропроцессора.

Порты ввода-вывода – пункты системного интерфейса ПК, через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

- формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на приём или передачу и др.);

- приём управляющей информации от порта (информации о готовности порта и его состоянии);

- организация канала в системном интерфейсе для передачи данных между портами устройств ввода/вывода и микропроцессором.

Новейшие модели микропроцессоров содержат также внутреннюю кэш-память. Кэш-память представляет собой быстродействующую буферную память ограниченного объёма, которая располагается между процессором и основной памятью. В процессе работы компьютера отдельные блоки информации копируются из основной памяти в кэш-память, и при обращении процессора за командой или данными сначала проверяется их наличие в кэш-памяти. Если необходимая информация находится там, то она быстро извлекается – это называется кэш-попаданием. Если необходимая информация в кэш-памяти отсутствует, то она выбирается из основной памяти и одновременно заносится в кэш-память – это называется кэш-промахом.

Прерывания

Прерывание – временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры ЭВМ или программой. Эти действия могут:

• носить сервисный характер;

• быть запросами со стороны программы пользователя на выполнение обслуживания со стороны операционной системы (ОС);

• быть реакцией на нештатные ситуации.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне и позволяет реализовать:

1. эффективное взаимодействие программ с ОС;

2. эффективное управление программой аппаратного обеспечения ЭВМ.

Прерывания классифицируются на:

1. Аппаратные, возникающие как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства ПЭВМ (клавиатура, жесткий диск и т. д.). По времени возникновения эти прерывания асинхронны (происходят в случайные моменты времени).

2. Программные, которые вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы. Предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными.

3. Исключения – разновидность программных прерываний, являющихся реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую во время выполнения некоторой команды программы.

Особенности современных микропроцессоров

Микропроцессоры, разработанные в последнее время, начиная с микропроцессоров Pentium (как фирмы Intel, так и других производителей), имеют следующие особенности:

1. суперскалярную архитектуру;

2. раздельное кэширование программного кода и данных;

3. блок предсказания правильного адреса перехода;

4. поддержку многопроцессорного режима работы;

5. средства задания размера страницы памяти;

6. средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;

7. управление производительностью.

Суперскалярная архитектура подразумевает наличие двух и более конвейеров (вычислительных блоков), что позволяет выполнять 2 или более команд за один период тактовой частоты. Каждый конвейер выполняет команду за следующие этапы:

• предварительная подготовка;

• декодирование команды;

• генерация адреса;

• выполнение;

• запись.

Это позволяет нескольким командам находиться в различных стадиях выполнения, тем самым увеличивается вычислительная производительность микропроцессора. Каждый конвейер имеет свое АЛУ, совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэширования данных.

В случае наличия одного блока кэш-памяти возможен конфликт между процессом предварительной подготовки команды и доступом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и данных (как в микропроцессоре Pentium) исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.

Блок предсказания правильного адреса перехода прогнозирует, какая ветвь программы будет затребована, основываясь на допущении; что предыдущая ветвь будет использоваться снова.

Новейшие микропроцессоры (начиная с Pentium) содержат усовершенствования, присущие проектированию класса больших ЭВМ такие, как внутреннее определение ошибок и контроль за счет функциональной избыточности.

Кроме того, новейшие микропроцессоры обладают следующими особенностями:

• обработка нескольких блоков данных одной командой (технология SIMD – Single Instruction Multiple Data – один поток команд множество потоков данных);

• технология динамического исполнения команд (Dynamic Execution);

• предсказание ветвлений, позволяющее прогнозировать исполнение программы по нескольким возможным путям и ускоряющее поступление данных;

• упреждающее исполнение команд в оптимальном порядке повышающее общую производительность (обеспечивая постоянную загрузку блоков суперскалярных вычислений);

• возможность одновременной обработки множества запросов через системную шину;

• наличие потоковых SIMD-расширений таких, как: команды групповой обработки данных с плавающей точкой; дополнительные команды групповой обработки целочисленных данных; команды управления кэшированием.

Преимущество потоковых SIMD-расширений:

• возможности просмотра и обработки изображения с большим качеством и разрешением;

• воспроизведение высококачественного звука и видео при одновременном кодировании и декодировании;

• высокая точность распознавания речи.