Reja: Protsessor (cpu) Protsessorning ishlash tamoyillari Markaziy protsessor

MARKAZIY PROTSESSOR.


Markaziy protsessor (CPU)- bir yoki bir nechta VLSI da ishlab chiqarilgan, ma'lumotlarni qayta ishlash uchun dasturiy ta'minot bilan boshqariladigan funktsional qurilma. Turli kompaniyalarning zamonaviy shaxsiy kompyuterlarida ikkita asosiy arxitektura protsessorlari qo'llaniladi:
O'zgaruvchan uzunlikdagi buyruqlarning to'liq tizimi - ComplexInstructionSetComputer (CISC);
Ruxsat etilgan uzunlikdagi qisqartirilgan ko'rsatmalar to'plami - ReducedInstructionSetComputer (RISC).
IBM shaxsiy kompyuterlarida o'rnatilgan Intel protsessorlarining butun assortimenti CISC arxitekturasiga ega va Motorola protsessorlari Apple tomonidan o'zlarining shaxsiy kompyuterlar, RISC arxitekturasiga ega. Ikkala arxitekturaning ham o'ziga xos afzalliklari va kamchiliklari bor. Shunday qilib, CISC - protsessorlar keng ko'lamli ko'rsatmalar to'plamiga ega (400 tagacha), ulardan dasturchi bu holatda o'zi uchun eng mos bo'lgan buyruqni tanlashi mumkin. Ushbu arxitekturaning kamchiligi shundaki, ko'rsatmalarning katta to'plami protsessorning ichki boshqaruv qurilmasini murakkablashtiradi, proshivka buyrug'ini bajarish vaqtini oshiradi. Buyruqlar turli uzunliklarga va bajarilish vaqtlariga ega.RISC - arxitektura cheklangan ko'rsatmalar to'plamiga ega va har bir ko'rsatma protsessorning bir siklida bajariladi. Kam sonli buyruqlar protsessorni boshqarish moslamasini soddalashtiradi. RISC - arxitekturasining kamchiliklari shundan iboratki, agar kerakli buyruq to'plamda bo'lmasa, dasturchi uni mavjud to'plamdan bir nechta buyruqlar yordamida amalga oshirishga majbur bo'ladi, dastur kodining hajmini oshiradi.
Mikro-qatlam arxitekturasining asosiy xususiyatlarini aks ettiruvchi protsessorning soddalashtirilgan diagrammasi 1-rasmda keltirilgan. Protsessorning eng murakkab funksional birligi buyruqlar bajarilishini boshqarish blokidir. U o'z ichiga oladi jamoalar
Shina shinasi


Ma'lumotlar manzillarini boshqarish
Buyfer buferi, bu dasturning keyingi bir yoki bir nechta buyruqlarini saqlaydi; keyingi buyruq bajarilayotganda xotiradan keyingi buyruqlarni o‘qiydi, uni xotiradan olish uchun ketadigan vaqtni qisqartiradi;
Buyruqning dekoderi keyingi buyruqning operatsiya kodini shifrini ochadi va uni buyruq bajarilishini amalga oshiruvchi mikrodastur boshidagi manzilga o'zgartiradi;
Keyingi mikroinstruktsiyani tanlashni nazorat qilish fon Neyman printsipi bo'yicha ishlaydigan kichik protsessor bo'lib, o'zining mikroko'rsatma hisoblagichiga ega bo'lib, u mikroko'rsatma ROMdan keyingi mikroko'rsatmani avtomatik ravishda tanlaydi;Faqat o'qish uchun saqlash(ROM) mikroko'rsatma xotira qurilmasi bo'lib, unda ma'lumotlar bir marta yoziladi va keyin faqat o'qilishi mumkin; ROMning o'ziga xos xususiyati shundaki, unda qayd etilgan ma'lumotlar siz xohlagancha saqlanadi va doimiy ta'minot kuchlanishini talab qilmaydi.
Buyruq dekoderidan olingan manzil namuna olish moslamasining mikroko'rsatmalari hisoblagichiga yoziladi va mikroko'rsatmalar ketma-ketligini qayta ishlash jarayoni boshlanadi. Mikroko'rsatmaning har bir biti har qanday funktsional qurilmaning bitta boshqaruv kirishi bilan bog'langan. Shunday qilib, masalan, "Qayta tiklash", "Yozish", "O'qish" saqlash registrining boshqaruv kirishlari mikroko'rsatmaning mos keladigan bitlariga ulangan. Mikroko'rsatma bitlarining umumiy soni bir necha yuzdan bir necha minggacha bo'lishi mumkin va protsessorning barcha funktsional qurilmalarining boshqaruv kirishlarining umumiy soniga teng. Mikro-ko'rsatmaning ba'zi bitlari keyingi mikro-ko'rsatmani tanlash uchun boshqaruv blokiga beriladi va shartli o'tish va tsikllarni tashkil qilish uchun ishlatiladi, chunki buyruqlarni qayta ishlash algoritmlari juda murakkab bo'lishi mumkin.
Keyingi mikroinstruktsiya ma'lum vaqt oralig'idan keyin namuna olinadi, bu esa, o'z navbatida, oldingi mikroinstruktsiyaning bajarilish vaqtiga bog'liq. Mikroko'rsatmalarni namuna olish chastotasi deyiladi soat chastotasi protsessor. Soat chastotasi protsessorning muhim xarakteristikasi hisoblanadi, chunki u protsessor ko'rsatmalarni bajarish tezligini va oxir-oqibat protsessor tezligini belgilaydi.Arifmetik mantiq birligi(ALU) axborotni o'zgartirishning arifmetik va mantiqiy operatsiyalarini bajarish uchun mo'ljallangan. Funktsional jihatdan ALU bir nechta maxsus registrlardan, to'liq o'lchamli xulosa va mahalliy boshqaruv sxemalaridan iborat.
Umumiy maqsadli registrlar (RON) bajarilayotgan buyruq operandlarini va hisob-kitoblar natijalarini vaqtincha saqlash, shuningdek, xotira katakchalari manzillarini yoki xotiraga kirish buyruqlari uchun kiritish-chiqarish portlarini saqlash uchun ishlatiladi. tashqi qurilmalar... Shuni ta'kidlash kerakki, agar buyruq operandlari RONda saqlangan bo'lsa, u holda ko'rsatmani bajarish vaqti sezilarli darajada kamayadi. Dasturchilarning ba'zan mashina ko'rsatmalari tilida dasturlashga o'tishlarining sabablaridan biri bu juda muhim vaqt dasturlarini bajarishda maksimal samaradorlikka erishish uchun RONdan to'liq foydalanishdir.


IBMPC kabi zamonaviy shaxsiy kompyuterlarda qo'llaniladigan protsessorlarning xususiyatlarini qisqacha ko'rib chiqaylik. Ushbu shaxsiy kompyuterlar uchun protsessorlar ko'plab kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi, ammo Intel bu erda trendni belgilovchi hisoblanadi. Uning so'nggi ishlanmasi 2006 yil boshida ishlab chiqarilgan IntelCore protsessoridir. IntelCore arxitekturasining asosiy xususiyatlari quyidagilardan iborat:
2 MB maxsus ichki keshga ega;
Tizim avtobusidagi yukni kamaytiradigan arbitraj avtobusi qo'shildi;
Protsessorning ichki mikroarxitekturasi ikkita yadroga asoslangan - parallel ravishda ishlaydigan ko'rsatmalar quvurlari (superskalar arxitektura), ular bir vaqtning o'zida 12 xil qayta ishlash bosqichida (o'qish, dekodlash, operandlarni yuklash, bajarish va boshqalar) bir nechta buyruqlarni bajaradi. Quvurlar ikkita ALU bilan tugaydi: qisqa arifmetik va mantiqiy ko'rsatmalar uchun protsessor chastotasidan ikki baravar yuqori ishlaydigan ALU va sekin ko'rsatmalar uchun ALU;
Har bir yadro uchun quvvatni alohida boshqarishga qodir bo'lgan haroratni nazorat qilish blokini o'z ichiga olgan asosiy quvvat boshqaruvi joriy etildi.
AMD ( Murakkab Mikro Qurilmalar ) Intel Pentium 4 bilan ko'rsatmalar to'plamiga mos protsessorlarni ishlab chiqaradi - Atlon(K7). Ushbu protsessor superskalar arxitekturaga asoslangan bo'lib, uchta ko'rsatma quvurlari parallel ravishda ishlaydi va har bir protsessor siklida to'qqiztagacha ko'rsatmalarni qayta ishlashga qodir. K7 protsessorini sinab ko'rish va uni Pentium4 bilan solishtirish K7 ning undan kam emasligini va hatto ba'zi hollarda undan oshib ketishini ko'rsatadi. Athlon protsessori Intel protsessoridan 20-30% arzonroq. K7 protsessorining ishlashi uchun Pentium4 protsessorining shinasiga mos kelmaydigan o'z avtobusi talab qilinadi. Shuning uchun, bir turdagi protsessorni boshqasiga almashtirish, kompyuterning asosiy funktsional qurilmalarining chipsetlari joylashgan anakartni almashtirishni talab qiladi.
2. Protsessor ishlab chiqarish .
IBM bilan mos keladigan shaxsiy kompyuterlar Intel kompaniyasining 80x86 oilasiga mos keladigan protsessorlardan (CPU - CentralProcessorUnit) foydalanadi. Asl IBMPC 16-bitli (386,486, Pentium, PentiumPro) va 64-bitli MMX kengaytmali 8088 protsessoridan foydalangan bo'lib, u ko'rsatmalar to'plamining kichik to'plamlarini va quyi oqim modellari arxitekturasini o'z ichiga olgan, avval yozilgan dasturiy ta'minot bilan mosligini ta'minlaydi. 1995-96 yildan beri Pentium har xil kengaytmalar bilan to'lib-toshgan "oddiy" protsessorga aylanganiga qaramay, 8088 protsessoriga kamida ikkita sababga ko'ra alohida e'tibor berilishi kerak. Birinchidan, u bilan ommaviy shaxsiy kompyuterlar qurilishi boshlandi, shu jumladan mamlakatimizda (garchi butun dunyo bo'ylab "bom" 80286 protsessorga to'g'ri kelgan bo'lsa ham). Ikkinchidan, uning bilimidan xarakterli xususiyatlar protsessorlarning bir qator xususiyatlari, jumladan, beshinchi va oltinchi avlodlar haqida tushuncha keladi.


Shaxsiy kompyuterlarda qo'llaniladigan 8088 dan Pentiumgacha bo'lgan protsessorlar bir chipli mikroprotsessorlardir - protsessorning o'zi bitta paketdagi (mikrosxema) bitta kristalda joylashgan. Pentium2 protsessori, aniq aytganda, bitta chipli protsessor emas - bu erda protsessor o'ladi va ikkilamchi keshning bir nechta kristallari umumiy kartridjga yig'iladi, garchi bu iste'molchilar uchun unchalik muhim bo'lmasa ham - barcha funktsiyalar bitta mahsulot tomonidan amalga oshiriladi. Protsessorning murakkabligiga (pinlar soni), uning quvvat sarfi va maqsadiga qarab har xil turdagi paketlar qo'llaniladi:
DIP - DualIn-linePackage, ikki qatorli pinli keramik paket;
PGA - PinGridArray, pinlar matritsasi bo'lgan keramika paketi;
PQFP - PlasticQuadFlatPack, kvadratning yon tomonlarida o'tkazgichli plastik quti;
SPGA - StaggeredPGA, staggered to'plami;
SQFP - SmallQuadFlatPack, to'rtburchak tomonli miniatyura qutisi
PPGA - PlasticPinGridArray, issiqlikka chidamli plastik SPGA to'plami;
TCP - TapeCarrierPackage, perimetri atrofida joylashgan lenta o'tkazgichlari bo'lgan miniatyura paketi;
S.E.C.C. - SingleEdgeConnectorCartridge, Pentium 2 protsessorli kartrij, protsessor, kesh, sovutish sovutgichi va fanni o'z ichiga olgan chekka uyali elektron plata.
DIP paketlardagi protsessorlar juda ko'p joy egalladi, ular bilan almashtirildi ixcham korpuslar Odatda ZIFsocket (ZeroInsertionForce) ga o'rnatiladigan PGA, PPGA va SPGA - nol kiritish kuchi rozetkasi. PQFP, SQFP korpuslari maxsus rozetkalarga o'rnatish yoki taxtaga lehimlash uchun mo'ljallangan. Ko'p pinli TCP korpuslarining eng kichigi portativ tizimlarning anakartiga lehimlash uchun mo'ljallangan.
3. Protsessor xotirasi.
Protsessor xotirasi axborotni - buyruq kodlari va ma'lumotlarni qisqa muddatli va uzoq muddatli saqlash uchun mo'ljallangan. Xotiradagi ma'lumotlar ikkilik kodlarda saqlanadi, har bir bit - elementar hujayra "0" yoki "1" qiymatini olishi mumkin. Har bir xotira katakchasi ma'lum bir koordinata tizimida uni noyob tarzda aniqlaydigan o'z manziliga ega. Xotirada axborotni saqlashning eng kichik manzilli birligi odatda bayt, odatda 8 bitdir.
So'zni qayta ishlash kengligi 8 ga ko'paymaydigan (masalan, 5, 7, 9 ...) bo'lgan protsessorlar va kompyuterlar mavjud va ularning baytlari sakkiz bitli emas, balki kompyuter dunyosida ular bilan to'qnashuv. dargumon. Shuningdek, ba'zi tizimlarda (odatda aloqa) sakkizta qo'shni ma'lumotlar bitlari to'plamiga oktet deyiladi. "Oktet" nomi, odatda, bu 8 bit aniq manzilga ega emasligini bildiradi, lekin faqat ularning uzoq bit qatoridagi joylashuvi bilan tavsiflanadi.
Katta (o'lchamdagi) kompyuterlarning paydo bo'lishi bilan xotiraning ichki va tashqi bo'linishi rivojlandi. Ichki xotira protsessor "kabineti" ichida (yoki unga qattiq yondosh) joylashgan xotirani bildiradi. Bunga elektron va magnit xotira (magnit yadrolarda) kiradi. Tashqi xotira alohida qurilmalarni harakatlanuvchi vositalar bilan ta'minladi - magnit diskli drayvlar (birinchi navbatda, barabanlar) va lenta. Vaqt o'tishi bilan barcha kompyuter qurilmalarini bitta kichik qutiga joylashtirish mumkin bo'ldi va kompyuterga nisbatan oldingi xotira tasnifi quyidagicha qayta shakllantirilishi mumkin:
· Ichki xotira- tizim platasida yoki kengaytirish kartalarida o'rnatilgan elektron (yarim o'tkazgich) xotira;
· Tashqi xotira - axborotni saqlashning turli printsiplariga ega va odatda harakatlanuvchi tashuvchilarga ega qurilmalar ko'rinishida amalga oshiriladigan xotira. Hozirgi vaqtda bu magnit (disk va lenta) xotira qurilmalari, optik va magnit-optik xotirani o'z ichiga oladi. Tashqi xotira qurilmalari ham kompyuterning tizim blokida, ham alohida holatlarda, ba'zan kichik shkafning o'lchamiga etib borishi mumkin.
Protsessor uchun ichki xotiraga to'g'ridan-to'g'ri kirish mumkin, unga dastur tomonidan ko'rsatilgan manzilda kirish mumkin. Ichki xotira ma'lum uzunlikdagi bitta ikkilik son bo'lgan bir o'lchovli (chiziqli) manzil bilan tavsiflanadi. Ichki xotira operativ xotiraga bo'linadi, undagi ma'lumotlar protsessor tomonidan istalgan vaqtda o'zgartirilishi mumkin va doimiy, protsessor faqat o'qishi mumkin bo'lgan axborot. Xotira kataklariga istalgan tartibda, ham o‘qish, ham yozish orqali kirish mumkin, operativ xotira esa faqat o‘qish uchun mo‘ljallangan xotiradan (ReadOnlyMemory, ROM) farqli o‘laroq, tasodifiy kirish xotirasi - RandomAccessMemory (RAM) deb ataladi. Tashqi xotira yanada murakkabroq tarzda adreslanadi - uning har bir katakchasi blok ichida o'z manziliga ega, u o'z navbatida ko'p o'lchovli manzilga ega. Jismoniy ma'lumotlar almashinuvi operatsiyalari davomida blokni faqat to'liq o'qish yoki yozish mumkin.


4. Belgilash. Asosiy dizaynerlar va ishlab chiqaruvchilar.