Мікропроцесор - студопедія
Структурна схема ЕОМ.
Обчислювальної називається технічна система здатна виконувати дії за допомогою арифметичних і логічних операцій.
ЕОМ (персональний комп'ютер (ПК)) - це універсальна обчислювальна діалогова система, реалізована на базі мікропроцесорних засобів, компактних зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв, здатна виконувати послідовність операцій над інформацією певної програми. В основі функціонування будь-якої ЕОМ лежить архітектура.
Архітектура - це найбільш загальні принципи побудови ЕОМ, що реалізують програмне керування роботою і взаємодією основних її функціональних вузлів. В основі архітектури сучасних ЕОМ лежать принципи, запропоновані американським вченим і теоретиком обчислювальної техніки Джоном фон Нейманом.
ЕОМ складається з системного блоку, до якого підключаються монітор і клавіатура. У системному блоці знаходяться основні компоненти ЕОМ:
ВЗП - зовнішні пристрої, що запам'ятовують (жорсткий диск, CD / DVD / Blu-Ray, флеш-пам'ять); деякі ВЗУ розташовуються усередині системного блоку і підключаються до контролерів ВЗУ, а деякі - зовні системного блоку і підключаються до портів введення-виведення.
ІП - джерело живлення забезпечує живлення всіх блоків ЕОМ по системної шині;
КВЗУ - контролери зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв управляють обміном інформацією з ВЗП;
КК - контролер клавіатури містить буфер, в який поміщаються Зауважте, що ви, і забезпечує передачу цих символів інших компонентів;
КПВВ - контролери портів вводу-виводу управляють обміном інформацією з периферійними пристроями;
МП - мікропроцесор виконує команди програми, управляє взаємодією всіх компонент ЕОМ;
ОЗУ - оперативне запам'ятовуючий пристрій зберігає вихідні дані і результати обробки інформації під час функціонування ЕОМ;
ПЗУ - постійне запам'ятовуючий пристрій зберігає програми, які виконуються під час завантаження ЕОМ;
ПУ - периферійні пристрої різного призначення: принтери, сканери, маніпулятори «миша» і ін .;
СА - мережевий адаптер (карта) забезпечує обмін інформацією з локальними і глобальними комп'ютерними мережами.
До пристроїв введення інформації відносять клавіатуру і такі ПУ, як сканери, маніпулятори типу «миша», джойстики, а до пристроїв виведення інформації - монітор і такі ПУ, як принтери.
Сучасну архітектуру ЕОМ визначають наступні принципи.
1. Принцип програмного управління. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, для вирішення кожного завдання складається програма, яка визначає послідовність дій ЕОМ.
2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел і обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконанням завантажується в ОЗУ, що прискорює процес її виконання.
Складові частини ЕОМ утворюють апаратне забезпечення ЕОМ (hardware). Розглянемо ці компоненти ЕОМ.
Мікропроцесор (МП; CPU - Central Processing Unit (центральний обробляє модуль)) - центральний блок ЕОМ, що керує роботою всіх компонент ЕОМ і виконує операції над інформацією. Операції проводяться в регістрах, що становлять мікропроцесорну пам'ять.
Основні функції МП:
- виконання команд програми, розташованої в ОЗУ; команда складається з коду, що визначає, що ця команда робить, і операндів, над якими ця команда здійснюється;
- управління пересиланням інформації між мікропроцесорної пам'яттю, ОЗУ і периферійними пристроями;
- управління компонентами ЕОМ.
Мікропроцесор (рис. 8.2) складається з наступних блоків:
АЛУ - арифметико-логічний пристрій;
ДБ - інші блоки (математичний співпроцесор, модуль пророкування розгалужень);
ДК - дешифратор команд;
ІМП - інтерфейс мікропроцесора;
Кеш L1 - кеш-пам'ять першого рівня;
Кеш L2 - кеш-пам'ять другого рівня;
МПП - мікропроцесорна пам'ять;
РОН - регістри загального призначення;
РС - регістри зсувів;
РФ - регістр прапорів;
СР - сегментні регістри;
УС - пристрій синхронізації;
УУ - пристрій управління.
Розглянемо призначення цих блоків МП.
Пристрій управління (УУ) виконує команди, що надходять в МП в наступній послідовності:
2) вибірка з осередків ОЗУ коду чергової команди і прийому ліченої команди в регістр команд;
3) розшифровка коду команди дешифратором команди (ДК);
5) вибірка операндів з ОЗУ або МПП і виконання заданої команди обробки цих операндів;
6) запис результатів команди в пам'ять;
Для прискорення роботи перераховані дії виконуються паралельно: один блок вибирає команду, другий дешифрує, третій виконує і т. Д. Утворюючи конвеєр команд.
Команди, що надходять в УУ, тимчасово зберігаються в кеш-пам'яті першого рівня, звільняючи шину для виконання інших операцій. Розмір кеш-пам'яті першого рівня 8-32 Кбайт.
Арифметико-логічний пристрій (АЛП) виконує всі арифметичні (додавання, віднімання, множення, ділення) і логічні (й, диз'юнкція та ін.) Операції над цілими двійковими числами і символьної інформацією.
Пристрій синхронізації (УС) визначає дискретні інтервали часу - такти роботи МП між вибірками черговий команди. Частота, з якою здійснюється вибірка команд, називається тактовою частотою.
Інтерфейс МП (ІМП) призначений для зв'язку і узгодження МП з системною шиною ЕОМ. Прийняті команди і дані тимчасово поміщаються в кеш-пам'яті другого рівня. Розмір кеш-пам'яті другого рівня - 256-2048 Кбайт. Раніше кеш-пам'яті другого рівня розміщувалася на материнській платі.
Мікропроцесорна пам'ять (МПП) включає 14 основних двобайтових запам'ятовуючих регістрів і безліч (до 256) додаткових регістрів. Регістри - це швидкодіючі комірки пам'яті різного розміру. Основні регістри можна розділити на 4 групи.
1. Регістри загального призначення (РОН, універсальні регістри): AX, BX, CX, DX. Можна працювати з регістром цілком або окремо з кожною його половинкою: регістром старшого (high) байта - AH, BH, і регістром молодшого (low) байта - AL, BL, CL, DL. Наприклад, структура регістра AX має вигляд
Структура регістра AX
Універсальні регістри мають своє призначення:
АХ - регістр-акумулятор, з його допомогою здійснюється введення-виведення даних в МП, а при виконанні операцій множення і ділення АХ використовується для зберігання першого числа, що бере участь в операції (множимо, ділимо) і результату операцій (твори, приватного) після її завершення ;
СХ - регістр-лічильник, використовується як лічильник числа повторень при циклічних операціях;
DX - використовується як розширення регістру-акумулятора при роботі з 32-розрядними числами і при виконанні операції множення і ділення.
4. Регістр прапорів (РФ) FL містить однорозрядні прапори, що керують виконанням програми в ЕОМ. Прапори приймають значення 0 або 1. Значення прапорів встановлюються незалежно один від одного. Всього в регістрі 9 прапорів: 6 - статусні, що відображають результати операцій (прапори перенесення, нуля, переповнення та ін.); 3 - керуючі, що визначають режим виконання програми (прапори покрокового виконання програми, переривань і напрямки обробки даних).
МПП - це пам'ять з найменшим часом доступу в ЕОМ.
Інші блоки (ДБ) - це блоки, що прискорюють роботу МП. АЛУ виробляє дії тільки над двійковими цілими числами. Операції над числами з плаваючою точкою виконує математичний співпроцесор, звільняючи МП від виконання цих операцій. Блок передбачення розгалужень програми переглядає програму на кілька кроків вперед, щоб визначити подальший напрямок виконання програми. Імовірність передбачення 80-90%.
Робота МП складається у вибірці черговий команди і її виконання. У деяких випадках виконання програми необхідно перервати, наприклад, в разі помилки обчислення. Такі випадки називаються перериваннями. Виділяють два типи переривань:
1) всередині процесорні переривання, що виникають із-за непереборного перешкоди у виконанні програми, наприклад, запис даних в заборонену для запису область ОЗУ або переповнення результату при обчисленнях;
2) переривання від зовнішніх пристроїв не є фатальними або помилковими; переривання другого типу виникають, коли вимагає обмін даними із зовнішнім пристроєм, наприклад, приводом компакт-дисків, а він не готовий.
Основними параметрами МП є тактова частота, розрядність і робоча напруга.
Розрядність процесора показує, скільки біт даних МП може прийняти і обробити в свої регістрах за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю внутрішньої шини, тобто кількістю провідників у шині, по яких передаються команди. Сучасні МП сімейства Intel мають 64 розряди.
Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Зараз робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити розміри МП, а також зменшити тепловиділення в МП, що підвищує його продуктивність без загрози перегріву.
МП весь час з моменту включення до моменту виключення виконує команди. Якщо потік команд закінчується, наприклад, в разі простою ЕОМ, то МП виконує порожню команду NOP.