МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Процессор- это блок ЭВМ, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения. «Process» - обрабатывать.
Процессор во многом определяет возможности и производительность ЭВМ
Первоначально процессор изготавливался из отдельных деталей и его размеры были весьма значительными. Наиболее впечатляюще выглядел процессор ЭВМ серии ЕС (Единая Система ЭВМ относится к третьему поколению). Он представлял собой отдельный шкаф, размеры которого соизмеримы с человеком. Например:
1. Электронная вычислительная машина ЕС-1015.
|
|
|
|
Общий вид ЭВМ ЕС-1015 |
|
6. Год прекращения производства – вторая половина 80-х.
7. Область применения: электронная вычислительная машина общего назначения ЕС-1015 являлась составной частью Единой системы ЭВМ стран социалистического сотрудничества. Будучи самой малой машиной семейства ЕС ЭВМ – 2, она хорошо подходила для научных и экономических расчетов относительно небольшого объема, помогая автоматизировать обработку информации в малых предприятиях и небольших подразделениях крупных предприятий. Машина имела полную совместимость снизу вверх с другими машинами ЕС ЭВМ.
Центральный процессор размещался в одной стандартной стойке ЕС ЭВМ. Площадь, занимаемая полным комплектом ЭВМ, составляла 35 кв. м.
В то время считалась, что машина имеет малые габаоиты.
Прогресс в области микроэлектроники привел к тому, что весь процнссор удалось разместить внутри одного кристалла. Таки образом, он стал отдельной самостоятельной микросхемой и получил новое название – микропроцессор. Так выглядит типичный современный микропроцессор (здесь Celeron). Размер корпуса больше самого процессора за счет металлических выводв, которыми он крепится плате. Собственно кристалл значительно меньше и имеет размер порядка 1 см.
ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Общая характеристика
Микропроцессор выполняет следующие функции:
чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Все микропроцессоры можно разделить на три группы:
МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;
МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;
МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием (в настоящее время зги модели находятся в стадии разработки). (в настоящее время находятся в стадии разработки)
Микропроцессоры типа CISC
Большинство современных ПК типа IBM PC (International Business Machine) используют МП типа CISC. Intel овские – типа CISC. Для этой архитектуры характерен набор сложных команд неодинаковой длины с большим количеством методов адресации к памяти.
Микропроцессоры типа RISC
Микропроцессоры типа RISC содержат набор только простых, чаше всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП на выполнение каждой простой команды за счет их наложения и параллельного выполнения тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта).
Современные RISC МП (80860, 80960, 80870, Power PC) являются 64-разрядными при быстродействии до 150 млн. оп./с. Микропроцессоры Power PC (Performance Optimized With Enhanced RISC PC) весьма перспективны и уже сейчас широко применяются в машинах-серверах и в ПК типа Macintosh.
Микропроцессоры типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.
CISC– используются в универсальный компьютерных системах
RISC – в специализированных
Кроме того, в последнее время компания AMD изготавливает МП AMD-K6, который имеет гибридную архитектуру.
СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
Основными устройствами П. являются УУ и АЛУ
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Регистр1:
1-е число и результат
Сумматор
Регистр2:
2-е число
Схемы
управления
Кодовая шина данных Кодовая шина инструкций
Функциональная схема алу
Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов
Регистры - быстродействующие ячейки памяти, в которые помещаются исходные данные.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
Рассмотрим логику сложения двух чисел: слагаемые помещаются в регистры. В сумматор копируется первое слагаемое, а затем прибавляется второе. Результата получается в сумматоре. Его можно либо записать в память, либо использовать для дальнейших вычислений.
АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *,:) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой осуществляется с привлечением математического сопроцессора
Важная функция АЛУ – анализ полученного после выполнения команды результата. Обычно проверяется два свойства – равенство или неравенство нулю и отрицательность или не отрицательность результата. Этих двух признаков хватает, чтобы скомбинировать любое из шести (<, >, =, <>, <=, >=) математических соотношений неравенства двух чисел (действительно, если при вычитании двух чисел получили отрицательный результат, значит первое число меньше второго). Результаты описанного анализа сохраняются в виде отдельных битов в особом регистре, который называют регистр флагов.
! АЛУ может лишь принять извне готовые числа и получить результат действия над ними. Для того, чтобы найти нужные числа и сохранить результат, в процессоре существует УУ.
Устройство управления
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.
В состав УУ входит несколько важных регистров для хранения информации, необходимой в ходе выполнения текущей команды.
Наиболее важные из них – счетчик адреса очередной команды и регистр команд, в котором хранится код выполняемой в данный момент операции.
В общем случае УУ:
Извлекает из памяти очередную команду;
Расшифровывает ее и преобразовывает в последовательность стандартных элементарных действий
Заносит в АЛУ исходные данные;
Сохраняет полученный в АЛУ результат;
Обеспечивает синхронную работу всех узлов машины
Регистры общего назначения
Описанные регистры устройств АЛУ и УУ используются процессором для своего функционирования и недоступны программисту. Однако в процессорах имеется набор дополнительных регистров, предназначенных для использования программным обеспечением. Это регистры общего назначения (РОН). В РОН может храниться:
непосредственно обрабатываемая информация (числа, коды символов и т.п.)
ссылки на те ячейки памяти, где находится такая информация.
Количество регистров и их устройство в различных процессорах различно.
В процессорах Intel РОН:
32-разрядные регистры общего назначения EAX, EBX, ECX, EDX. Их младшие 16 разрядов обозначаются соответственно AX, BX, CX, DX. Каждый из последних свою очередь состоит из двух байтов, например AX из AH и AL.
1. Регистр AX. Используется в арифметических операциях операциях ввода/вывода.
2. Регистр BX. Базовый регистр. Его можно использовать в качестве указателя для расширения адресации. Другое применение – для вычислений.
3. Регистр CX. Используется как регистр-счетчик. Может содержать число повторений цикла в программе или величину, на которую нужно сдвинуть биты влево или вправо. Можно также использовать для вычислений.
4. Регистр DX. Регистр данных. Используется в некоторых операциях ввода/вывода. Операции умножения и деления больших чисел используют AX и DX в паре.
DH
DL
Регистры общего назначения доступны для сложения и вычитания 8, 16 и 32 разрядных двоичных чисел.
Таким образом, можно обращаться к разным частям регистра для обработки байтов, слов и двойных слов.
Пример.
1. Запись нулей в регистры AX, BX:
MOV AX,00
MOV BX,00
2. Поместить число 337 в регистр EAX (двойное слово – 32 бита)
MOV EAX,337
3. Прибавить AX к CX (слово – 16 бит)
ADD CX,AX
4. Отнять AL от BL (байт)
SUB BL,AL