Процессор. Устройство, функции.

Введение

Сегодня мир без персонального компьютера – это совсем немыслимое явление.
Но ведь мало кто задумывался об устройстве этих элементов вычислительной техники. И уж точно не знает никто, насколько умными стали эти аппараты за последние 40 лет. Для многих пользователей искусственный интеллект и персональный компьютер, который стоит на столе, – это одно и тоже самое.
Сегодня любой прорыв в компьютерных информационных технологиях встречается очень громко, как нечто, что особо выдается. Люди хотят создавать себе младшего брата, что, если еще не и думает, то хотя бы мог соображать быстрее их.
Процессор является главным «мозговым» узлом, который выполняет программный код, который находится в памяти компьютера. В настоящее время при упоминании слова «процессор» подразумевают микропроцессор – специальная микросхема, которая, кроме своего процессора может содержать также другие узлы – к примеру, кэш-память.
Процессоры в определённой последовательности выбирают из памяти некоторые инструкции и исполняют их. Инструкции процессора также предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в памяти и портах ввода/вывода данных, а также организации структур ветвления и переходов в вычислительные процессоры.
Актуальность выбранной темы повязана с тем, что современные компьютеры не могут никак обойтись без своего «сердца» - процессора, и чем он мощный, тем ПК является производительней. То есть, для выбора ПК необходимо разбираться в характеристиках и устройстве процессора ПК.
Объектом реферата является аппаратная часть ПК.
Предмет реферата – устройство процессора ПК.
Целью реферата является описание главных функций процессора, а также его устройство.
В соответствии с целью поставлены такие задачи:
– провести анализ литературы по компьютерной тематике;
– рассмотреть принципы фон Неймана;
– описать архитектуру ПК;
– рассмотреть основные функции процессора;
– освоить принципы работы процессора.
Проблему аппаратной части компьютеров исследовали В.С. Королюк, Н.Виннер, Р.В. Малькович. Отметим, что в нынешнее время процессоры постоянно усовершенствуются и разработчики постоянно ищут новые подходы к повышению их функционирования.

1.Теоретические аспекты ЭВМ

1.1. Принципы Джона фон Неймана
Большинство современных процессоров персональных компьютеров в общем основываются на той или другой версии циклического процесса обработки последовательной информации, изобретённого Дж. фон Нейманом. Этот ученый придумал схему постройки персонального компьютера еще в 1947 году.
В результате американец включился в работу по созданию ЭВМ для управления береговой ПВО, которая называлась машина "ENIAС" - электронный численный интегратор автоматический вычислитель (рисунок 1). Но проектируемая машина также имела большой недостаток: не было в ней устройства для запоминания команд.

Рисунок 1 – ПЭВМ «ЭНИАК»
В 1945 г. фон Нейман докладывал на конференции по своем труде, в котором он рассмотрел основные принципы организации вычислительного устройства, которое получило название "архитектура фон Неймана" (рисунок 2).

Рисунок 2 – Состав ЭВМ по архитектуре фон Неймана
В состав классической ЭВМ должны были входить такие составные устройства:[9]
– арифметико-логическое устройство;
– оперативная память;
– внешние устройства, которых делят на классы: [5]
1) внешняя память;
2) устройства ввода или вывода информации;
– управляющее устройство.
Рассмотрим основные принципы фон Неймана:[11]
Принцип однородности памяти компьютера – все команды, а также и данные могут сохраняться в одной памяти, и они внешне совсем неразличимы.
Принцип адресности [8] – основная память состоит из множества ячеек, причём процессору в любой момент доступны все ячейки.
Принцип программного управления – любые вычисления, которые используются алгоритмом для решения задач, должны представляться в программе, что состоит из некоторой последовательности специальных команд. Каждая из таких команд предписывает последовательность по набору операций, которые реализуются конкретной ЭВМ. [11]
Принцип двоичного кодирования – согласно этому принципу, абсолютно все данные, команды, кодируются с помощью специальных двоичных цифр – 1 и 0. Каждый формат данных представляется с помощью двоичной последовательности.
Рассмотрим алгоритм функционирования управляющего устройства, которое было прообразом процессора.
В различных архитектурах для различных команд могут по требоваться дополнительные этапы в разработке.
К примеру, для разных арифметических команд могут скорее всего потребоваться и дополнительные запросы непосредственно к памяти ПК, во время которых будет производится считывание операндов, описание результатов.
Одной с отличительных особенностей классической архитектуры Джона фон Неймана является применение инструкций, которые гласят, что данные и операции могут хранится в одной и той же памяти.
Рассмотрим этапы такого цикла выполнения:[6]
Процессор выставляет на обработку некоторое число, хранящееся непосредственно в регистре, на адресную шину, и далее отдаёт для памяти команду на чтения;
Выставленное число является для памяти при этом ее адресом; память, получив в процессе конкретный адрес и такую в команду для чтения, выставляет все содержимое, что хранится по ее адресу, на информационную шину, и потом сообщает про готовность к следующему шагу выполнения операций;
Процессор получает указанное число, направленное с шины, преобразовывает его в команду (бинарную инструкцию) с системы команд и потом свыполняет её;
Если же самая последняя команда не различается в качестве команды перехода, процессор увеличивает на единицу (при предположении, что итоговая длина для каждой команды будет равняться единице) число, которое хранится на счётчике команд.
Снова выполняется пункт 1.

1.2

. Архитектура современного ПК
Рассмотрим архитектуру ПК, а именно предназначение всех узлов современного компьютера.
Центральный процессор – это микропроцессор со всеми самыми нужными вспомогательными микросхемами, при этом включая также и внешнюю кэш-память, а также контроллер системной шины.
Для большинства всех случаев именно данное устройство осуществляет процесс обмена с помощью системной шины.
Модуль оперативной памяти может занять почти все динамическое адресуемое пространство памяти микропроцессора. Но чаще всего это объем меньше. В современных ПК стандартный объем системной памяти может составлять от 2 Гбайт.
Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах для памяти и поэтому требует регенерации со временем.
Постоянная память также имеет небольшой объем, также содержит программу для исходного запуска, описания конфигурации информационной системы, и также разного рода драйверы (низкоуровневые подпрограммы) для выполнения взаимодействия процессора с разными системными модулями оборудования.
Контроллер для прерываний часто преобразует все аппаратные прерывания для системной платы в специальные аппаратные прерывания процессоров, задает адреса для направляющих прерываний. Все эти режимы работы микроконтроллера прерываний задаются процессором только программно.
Контроллер прямого доступа в процессоре принимает запрос на ПДП с главной системной магистрали, а также передает сигнал процессору, предоставляет процессору магистрали для выполнения пересылки данных для памяти.
Все режимы работы типичного контроллера ПДП задаются только программно перед началом непосредственной работы процессором. Использование других встроенных контроллеров прерываний позволяет значительно упростить аппаратуру применяемых схем для их дальнейшего расширения.[8]
Перестановщики байтов данных поможет разработать обмен данными с 32-разрядными и 16-разрядными устройствами, а также пересылать целые слова.
Часы реального времени, таймеры-счетчики – устройства для внутреннего контроля текущей даты и времени, предназначены для выдержки временных интервалов, а также задания частоты и других характеристик.[5]
Системные устройства, реализующие ввод/вывод – это устройства, которые нужны в работы компьютера, взаимодействия с стандартными устройствами по специальному последовательному или параллельному интерфейсу. Они могут выполняться как на материнской плате, так и на платах для расширения.[3]
Платы расширения часто устанавливаются на специальные слоты (разъемы) по системной магистрали и могут также содержать устройства для ввода/вывода.
Они могут обмениваться также информацией с иными устройствами с использованием шины в режиме прерывания, программного обмена, режиме ПДП.
Стоит заметить тот факт, что также предусмотрена хорошая возможность захвата программной шины – полного отключения всех системных устройств от нее.
Важная особенность указанной архитектуры – ее полная практическая открытость, то есть возможности для подсоединения в компьютера разных дополнительных устройств:
–системных устройств;
–разнообразных слотов расширения.
Открытость также предполагает возможность простого встраивания практически любых программ пользователя в уровни используемого программного обеспечения ПК.
Самый первый персональный компьютер семейства, получившего широкое распространение, IBM XT, выполнялся на основе оригинальной магистрали PА3 XT-Bus.
Далее, начиная с магистрали IBM PА AT, ее модернизировали так, что она стала стандартной и получила наименование ISA – Industry Standard Architectures.
До недавнего времени эта магистраль ISA оставалась самой основной для любого персонального компьютера.[3]
Однако, начиная с разработки процессоров типа i476 (в 1987 году), она не удовлетворяла уже всем требованиям производительности, ее также стали дублировать специальными быстрыми шинами:
–PCI (Peripheral Component Interconnects);
–VLB (VESA Local Bus).
Постепенно шина PCI таки вытеснила конкурентов и стала практическим стандартом. Начиная уже с 2000 года в новых компьютерах рекомендуется не использовать магистраль ISA, при этом оставив только PCI.
Заметим, что также приходится при этом отказываться и от применения разных плат для расширения, что разработаны за многие годы для непосредственного подключения к магистралям типа ISA.
Другое направление по усовершенствованию архитектуры персональных компьютеров повязано с максимальным применения обмена информации непосредственно с системной памятью [11].
Таким образом, структура для ПК из одношинной, применяющейся только в первых ПК, со временем становится трехшинной (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема связей в трехшинной структуре
Рассмотрим назначение шин:
–локальная шина подключает центральный процессор, а также кэш-память;
–к шине оперативной памяти можно подключить как оперативную, так и постоянную память;
–к системной шине часто подключаются все другие устройства.
Все эти три шины располагают также адресными линиями, линиями данных, управляет сигналами.
Но состав и предназначение линий данных шин не совпадают между собой, и при этом они реализуют похожие функции.
С точки зрения микропроцессора, системная шина используется всего одна, а по ней он как-то получит данные и команды для их обработки, а магистраль передает информацию в память для ввода/вывода (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема работы ПК
В первом разделе реферата рассмотрены основные понятия об аппаратной части ПК, описаны 4 принципы фон Неймана, охарактеризовано основные узлу архитектуры ПК.


2. УСТРОЙСТВО КЛАССИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА

2.1. Структура микропроцессора
Центральный процессор (или центральное вычислительное устройство) является исполнителем машинных инструкций, составная часть для аппаратного обеспечения ПК или логического контроллера, что используется при написания программного кода, отвечающая за выполнение самых различных арифметических операций, которые могут быть заданы программами из операционной системы, а также и координирующий практическую работу всех устройств ПК.[8]
Центральный процессор является мозгом компьютера, а его самая основная задача состоит в выполнении программных продуктов, которые находятся в основной памяти ПК