Элементы вычислительного устройства

 

Процессор

 

 

Процессор – один из основных компонентов ВУ, который выполняет логические и арифметические операции по заданной программе, а также координирует работу компонентов ВУ.

Виды процессоров:

1. Центральный процессор (CPU) – это основной процессор в ВУ. (выполняет максимальное количество команд)

CPU (Central Processing Unit) – это электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

Для разгрузки CPU существуют разгрузочные процессоры. Например, GPU (графический процессор) – выполняет графические функции по обработке графической информации. Устанавливается на видеокарте или материнской плате.

2. Математический сопроцессор – служит для выполнения математических вычислений (для чисел с плавающей точкой), а также для вычислений специальных функций (например, тригонометрических, логарифмирования и т. п.).

В мощных ВУ сопроцессор включён в состав CPU. Процессоры, не имеющие в своём составе математический сопроцессор (микроконтроллер), выполняют его функции за счёт специальных подпрограмм CPU, на что тратится много машинных тактов и занимает много времени.

3. Микроконтроллер (МК) – устройство, которое объединяет в одном кристалле процессор, а также все необходимые вычислительные элементы в ВУ:

- память программ;

- память данных;

- порты ввода/вывода;

- таймеры;

- ТГ: внутренний, внешний, высокочастотный кварцевый, внешний низкочастотный кварцевый – рабочая частота 32768 Гц (часовой кварцевый генератор 32 кГц);

- интерфейсы;

- аналоговый компаратор;

- аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

- некоторые уникальные редкоиспользуемые элементы и т.д.

К классу микроконтроллеров относят DSP (digital signal processor) (цифровой сигнальный процессор) – микроконтроллер, ориентированный на цифровую обработку аналоговых сигналов (обычно в масштабе реального времени) и применяющийся в измерительных системах.

4. Сетевой процессор (NP) – это процессор, размещённый в сетевых устройствах, выполняющий операции по передаче данных по сети; используется в сетевых картах, маршрутизаторах, коммуникаторах (передача больших массивов по сетям).

5. Аудиопроцессор (ASP) – предназначен для обработки звуков, музыки, цифровой фильтрации и т.д.; применяется в специальной аудиоаппаратуре.

6. Видеопроцессор – предназначен для выполнения функций по обработке графической информации; используется в видеокартах.

 

Характеристики процессора

1) разрядность;

2) архитектура процессора;

3) максимальная тактовая частота – максимальная частота, на которой может работать процессор;

4) производительность, определяется в флопах:

1 флоп – 1 операция над числами с плавающей точкой в 1 секунду.

Процессор в своём ядре имеет математический вычислитель, который «заточен» на подобного рода работу. Это эффективно, а значит, выше производительность.

5) Энергопотребление – зависит отархитектуры, тактовой частоты и от используемой технологии производства.

6) Технология производства– определяется длиной волны лазера для выжигания кристаллов кремния; относится к производству транзисторов.

Архитектура процессора

Архитектура Фон-Неймана

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

 

Архитектура фон Неймана

 

Общая структура фон-Неймановского процессора.

Принципы фон Неймана

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая ячейка.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат.