Процессор как устройство автоматизации управления работой компьютера

Процессор как устройство автоматизации управления работой компьютера. Программный принцип управления

Двоичное кодирование, в частности, двоичное представление чисел и команд, составляет арифметические основы работы компьютера. Алгебра логики составляет логические основы. Знание этих основ, помогает понять, как выполняются программы в процессоре.

Прежде уточним такие близкие, но в то же время различающиеся понятия, как «процессор», «центральный процессор» и «микропроцессор».

Процессор в вычислительной технике – это устройство, выполняющее некоторые действия над данными.

Вы знаете, что компьютер – это универсальное устройство, которое может выполнять много функций. Для обеспечения отдельных функций используются разные процессоры: процессор принтера обеспечивает преобразование двоичных кодов в изображение, выводимое на бумагу; процессор видеокарты обеспечивает отображение информации, с которой пользователь работает в данный момент, на дисплее; процессор звуковой карты позволяет работать со звуком и т.д. То есть работу компьютера и его периферийных устройств обеспечивает много разных процессоров. Но среди них особо выделяется центральный процессор или центральное процессорное устройство (ЦПУ).

Центральный процессор – важнейшее устройство компьютера. Он координирует работу всех частей системы в соответствии с программой, находящейся в оперативной памяти и активной в данный момент. Он производит все вычисления и выполняет большинство арифметических и логических операций над данными.

За время истории развития вычислительной техники процессоры изготавливались по различным технологиям.

Первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) были ламповыми: процессор и оперативная память конструировались на основе электронных ламп – диодов и триодов. Затем – на полупроводниках. В конце 60-х годов были изобретены интегральные схемы (микросхемы).

Рисунок электронной лампы, диода, микросхемы, кристалла процессора.

Интегральная схема – электронное устройство, конструктивно выполненное в одном корпусе или кристалле. Состоит из множества транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и др., связанных между собой микропроводниками и реализующих различные логические функциональные схемы.

Интегральные схемы изготавливаются по специальной технологии, обеспечивающей предельно малые размеры и высокую надёжность. Основа этой технологии – толщина проводников, соединяющих элементы. Например, когда говорят, что процессор выпущен на основе 0,13 мкм – технологии, это значит, что толщина микропроводников – 0,13 микрон (микрон – миллионная доля метра, тысячная доля миллиметра).

В зависимости от количества элементов, составляющих одну интегральную схему они делятся на малые (МИС) – с несколькими сотнями элементов в кристалле, большие (БИС) – содержащие десятки тысяч элементов, сверхбольшие (СБИС) – интегрируют несколько миллионов элементов, ультра и гигабольшие (ГБИС) – содержат более миллиарда элементов в кристалле.

Пример

Первый микропроцессор Intel4004 (1971 год) размером с ноготь содержал 2300 транзисторов. При этом выполнял 60 000 операций в секунду, то есть обладал такими же вычислительными возможностями, как и самая первая ЭВМ ENIAC, созданная в 1946 году и занимавшая объем около тысячи кубометров.

Процессор Intel Pentium II содержал 7.5 млн транзисторов и производился по 0.35 мкм технологии.

С начала своего создания в начале 70-х годов процессоры нашли применение в управляющих схемах различных устройств от автоматических светофоров до систем наведения ракет, но в качестве центрального процессора компьютера они стали активно использоваться только в начале 80-х годов.

Данные представлены в двоичных кодах, а действиями могут быть: поразрядное сложение кодов, сдвиг кодов на n позиций влево или вправо (соответствует умножению и делению на 2ⁿ), сравнение кодов, проверка на совпадение, проверка наличия единиц (нулей) в заданных разрядах кода и т.п.

В компьютере процессоров несколько

Логически центральный процессор представляет собой совокупность арифметико-логического устройства (АЛУ) и центрального устройства управления (УУ).

Выполнение процессором программ предусматривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления, перемещение данных из одного места памяти в другое.

Как выполняются программы?

В ЦПУ имеются два регистра специального назначения: счетчик команд и регистр команд. Счетчик команд содержит адрес команды, которую предстоит выполнить следующей. Таким образом, счетчик отслеживает порядок выполнения программы. Регистр команд используется для хранения команды, выполняемой в текущий момент.

Устройство управления непрерывно реализует один и тот же алгоритм, совершая машинный цикл, который включает в себя три шага: извлечь, декодировать, выполнить.

Рис. 3.8.1. Схема машинного цикла

На шаге извлечения блок управления требует, чтобы оперативная память предоставила ему следующую команду, которую необходимо выполнить. Ее адрес хранится в счетчике команд. Полученную из памяти команду блок управления помещает в свой регистр команд и увеличивает содержимое счетчика команд на длину этой команды (для разных команд она разная, обычно 2, 4, 8 байт), так что счетчик команд автоматически содержит адрес следующей команды. В тот момент, когда команда оказывается в регистре команд, блок управления начинает шаг декодирования. Он анализирует код операции и поле операндов, чтобы определить, какие действия требуется выполнить по данной машинной команде. Получив расшифрованную команду, блок управления начинает шаг выполнения. На первом шаге он активизирует схемы, нужные для решения данной задачи. Например, если выполняемой командой окажется команда загрузки информации из оперативной памяти, блок управления даст сигнал на выполнение операции загрузки; если команда окажется арифметической операцией, блок управления активизирует соответствующие схемы арифметико-логического блока, выбрав нужные регистры с входными данными. После того, как команда будет выполнена, блок управления вновь приступит к началу машинного цикла, к шагу извлечь. Обратите внимание, что в конце предыдущего шага извлечь содержимое программного счетчика было увеличено, и поэтому блок управления получает опять правильный адрес новой команды.

В процессе работы процессор выполняет один и тот же цикл действий, который можно описать так:

начало цикла

чтение команды из памяти по адресу, записанному в счетчике команд;

увеличение счетчика команд на длину прочитанной команды;

выполнение прочитанной команды в арифметико-логическом устройстве;

конец цикла.

Основные характеристики некоторых процессоров

Арифметико-логическое устройство (arithmetical-logical device) - часть процессора, предназначенная для выполнения вычислительных и логических операций. Состоит из сумматора, регистров операнда, схемы сдвига и схемы сравнения для оценки знака.

Большая интегральная схема, БИС, ЧИП (large scale integration circuit) – электронное устройство, конструктивно выполненное в кристалле. Состоит из совокупности транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и других элементов электрической цепи, связанных микропроводниками. Современные микропроцессоры часто выполнены в виде БИС. Размеры кристалла позволяют встраивать современные компьютеры в малогабаритные измерительные устройства, бытовую технику и т.д.

Микропроцессор (microprocessor) – устройство, осуществляющее обработку данных и управление самим собой, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Центральный процессор – это устройство компьютера, которое обеспечивает общее управление компьютером и осуществляет вычисления по хранящейся в ОЗУ программе.

ЦПУ определяет производительность, эффективность всей вычислительной системы, он регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс.

Прерывание (interrupt) - временное прекращение компьютером выполнения текущей программы, с запоминанием всей текущей информации (адресом команды, на которой произошло прерывание, результатом предыдущей операции и т.д.) и одновременный переход к выполнению другой программы. Причин для прерываний может быть много: наличие ошибки в передаваемой или принимаемой информации, переполнение регистров процессора, выход из строя оборудования и т.д.

Процессор (processor) – устройство компьютера, направленное для интерпретации заданной программы и осуществления вычислительных действий и операций над данными.

Регистр (register) – собственная память процессора малого размера, равного размеру машинного слова.

Сложение (addition) - основа для выполнения арифметических операций арифметико-логическим устройством процессора. Все возможные операции вычитания, умножения и деления над двоичными числами осуществляются через сложение. Поэтому основной частью арифметического устройства является сумматор.

4