Центральный процессор

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО

УНИВЕРСИТЕТА  В Г. ТАГАНРОГЕ

Дисциплина  «Информатика» 

Реферат  на тему

«Центральный  процессор» 
 
 

Фамилия, и.о. студента, № группы

Вовака Н.А   группа Э-81 
 
 
 

Фамилия, и.о. преподавателя

Вишневецкий В.Ю 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Дата  выполнения  05.10.201 
 
 

Таганрог 2011∗

 

Содержание: 
 
 
 

  1. Центральный процессор. 

  2. Архитектура

        2.1 Архитектура Фон  Неймана

        2.2  Конвейерная  архитектура

    2.3 Суперскалярная архитектура

    2.4 CISC-процессоры

    2.5 RISC-процессоры

    2.6 MISC-процессоры

    2.7 Параллельная архитектура 

3. Состав центрального  процессора

  3.1 Арифметико-логическое  устройство

  3.2 Шина данных и  шина адреса

  3.3 Регистр процессора

  3.4 Счетчик команд

  3.5 Кэш

  3.6 Математический сопроцессор 
 

  4. Микропроцессоры,  многопроцессорные  системы, тактовая  частота и разрядность  процессора 
 

  5. Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР 
 

  Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.  

  Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных  микросхем (чипов), реализующих все  особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически  вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним  слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой  сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). 

  Изначально  термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс  логических машин, предназначенных  для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного  соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом  был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его  аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые  функции остались теми же, что и  прежде. 

  Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. 
 
 
 

  2.АРХИТЕКТУРА 
 

  2.1 Архитектура фон  Неймана 

  Большинство современных процессоров для  персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом. 

  Д. фон  Нейман придумал схему постройки  компьютера в 1946 году. 

  Важнейшие этапы этого процесса приведены  ниже. В различных архитектурах и  для различных команд могут потребоваться  дополнительные этапы. Например, для  арифметических команд могут потребоваться  дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры  фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и  той же памяти. 

  Этапы цикла выполнения:

• Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
• Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
• Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
• Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
• Снова выполняется п. 1.

 

  Данный  цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло  название устройства). 

  Во  время процесса процессор считывает  последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая  последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания. 

  Команды центрального процессора являются самым  нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды  неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы. 
 
 

  2.2 Конвейерная архитектура 

  Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• получение и декодирование инструкции (Fetch)
• адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
• выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
• сохранение результата операции (Store)

 
 

  После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени. 

  Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени. 

  Факторы, снижающие эффективность  конвейера:

• простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
• ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
• очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

 

  Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает  производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.) 
 
 

  2.3 Суперскалярная архитектура 

  Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление  этой технологии привело к существенному  увеличению производительности. 
 
 

  2.4 CISC-процессоры 

  Complex Instruction Set Computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд). 
 
 

  2.5 RISC-процессоры 

 Reduced Instruction Set Computer — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

  Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры. 
 
 

  2.6 MISC-процессоры 

  Minimum Instruction Set Computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд). 
 
 

  2.7 Параллельная архитектура 

  Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой  бы огромный массив данных ни требовалось  обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный  процессор, даже если над всеми байтами  требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким  горлышком фон Неймана.

  Для преодоления  этого недостатка предлагались и  предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

  Возможными  вариантами параллельной архитектуры  могут служить (по классификации  Флинна):