Какие функции выполняет центральный процессор.

Центральный процессор

Какие функции выполняет центральный процессор.

Центральный процессор компьютера занимается вычислением и обработкой различных данных. А если по-простому говорить, то например, когда идет загрузка операционной системы, процессор занимается обработкой файлов, которые потом загружаются в оперативную память, запускает необходимые процессы и система загружается.

Можно сказать, что процессор постоянно что-то вычисляет (даже если мы видим, что он не загружен). Каждый процесс занимает определенную долю процессорных ресурсов (может составлять доли процента от загрузки процессора). Открытие файлов (например: просмотр картинок, видео, прослушивание музыки), программ и совершение других операций осуществляет процессор.

При игре в компьютерные игры, процессор также частично обрабатывает поступающие данные из игрового приложения и передает их видеокарте, которая в свою очередь обрабатывает полученные графические данные и отсылает уже готовое изображение на монитор.

Центральный процессор выполняет арифметические действия, логические операции и осуществляет управление всем компьютером. Команды, адресованные ЦП для автоматизации процесса обработки входных данных, объединяются в блоки и хранятся в памяти компьютера или на диске. Эти блоки называются программами. Таким образом, входные данные, введенные в память компьютера пользователем, обрабатываются центральным процессором по заранее составленной программе. Результаты обработки сохраняются в памяти компьютера.

Что определяет разрядность процессора

Разрядность процессора – это величина, которая определяет размер машинного слова, то есть количество информации, которой процессор обменивается информацией с оперативной памятью.

Когда говорят о разрядности процессора х64, это значит, что он имеет 64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт.

Разрядность процессора определяет размер обработки данных за один такт, которыми процессор обменивается с оперативной памятью.

Если размер данных за такт равен 1 байту, то процессор называют восьмиразрядным (8 bit), если размер 2 байта процессор шестнадцатиразрядный (16 bit), если размер равен 4 байтам, то процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), если размер равен 8 байтам, то процессор шестидесяти четырех разрядный (64 bit).

Назовите основные характеристики процессора

Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном рынке, являются:

• фирма производитель
• серия
• количество вычислительных ядер
• тип установочного разъема (сокет)
• тактовая частота.

Производитель (бренд). На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intelсоставляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена.

Серия – является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.

На сегодняшний день в основе продукции компании Intelлежат пять основных семейств – Pentium (Dual-Core), Celeron (Dual-Core), Core i3, Core i5 и Core i7. Первые три нацелены на бюджетные домашние и офисные решения, два последних лежат в основе производительных систем.

Скалярная и мультискалярная архитектура микропроцессора.

Типы команд микропроцессоров

В ходе эволюционного развития архитектур процессоров в состав системы команд вводились и, в силу преемственности программного обеспечения, закреплялись сложные команды, которые по мнению разработчиков соответствовали решаемым задачам. Мерой этого соответствия чаще всего был объем двоичного кода программы, так как минимизация длины

программы была равнозначна минимизации времени исполнения. Команды бывают разных типов: "регистр, регистр -> регистр", "память, память -> память", "регистр -> память" и др. Сложные команды модифицируют содержимое групп регистров и ячеек памяти, и для их реализации при приемлемых затратах оборудования, как правило, применяется микропрограммирование.

Команды называются скалярными, если входные операнды и результат являются числами (скалярами).

Команды называются векторными, если входные операнды и, возможно, результат являются вектором (массивом) чисел, а для преобразования данных массива (вектора) используется одна векторная команда. Примером векторной команды служит команда, при выполнении которой умножаются два очередных элемента двух массивов, далее произведение суммируется с содержимым некоторого заданного регистра, после чего модифицируются адреса памяти для доступа к двум очередным элементам массивов. Указанная последовательность действий повторяется заданное число раз по счетчику, определенному в теле команды.

Само появление векторных команд обусловлено стремлением ускорить обработку массивов данных за счет исключения затрат времени на выборку и дешифрацию команд обработки, одинаковых для всех компонент входных массивов.

Однако использование векторных команд требует подготовки программистом векторизованного кода программ, что, вообще говоря, эквивалентно разработке параллельных программ.

При сохранении последовательных программ для ускорения обработки применяются суперскалярные процессоры, в которых за счет параллельной работы функциональных устройств процессора в одном такте вырабатывается несколько скалярных результатов.

 

Средства аппаратного ускорения работы МП

Характеристика и архитектурные особенности микропроцессора фирмы Intel.

Архитектура микропроцессоров

Под этим термином понимают совокупность и способ объединения узлов микропроцессора, а также его набор команд. Знание этих двух моментов дает возможность грамотно организовать интерфейс аппаратных и программных средств вычислительной системы. Считается, что минимальная архитектура микропроцессора требует наличия арифметико-логического устройства, выполняющего все операции преобразования поступающих данных, и устройства управления, обеспечивающего выполнение команд процессора и работу с внешними устройствами.

Кроме того, в микропроцессоре обязательно используются шины. Шина — это совокупность линий, по которым передаются цифровые сигналы, необходимые для обмена информацией между устройствами. В микропроцессорах фирмы Intel выделяют три шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Кроме того, под шиной может подразумеваться стандартный набор линий, объединяющий в себе все эти три группы.

Архитектура микропроцессора i80286

Кристалл 80286 представляет для читателя интерес прежде всего потому, что является, пожалуй, наиболее распространенным микропроцессором из применяющихся в персональных компьютерах. Как и его предшественник — 8086 — он имеет 16-разрядные шины данных и адреса и самым характерным его отличием можно считать, помимо большей тактовой частоты, возможность работы в режиме виртуальной адресации (адресация памяти объемом более 1 Мбайта), речь о котором пойдет ниже.

Регистры

Как и любой процессор, Intel 80286 содержит некоторое количество ячеек памяти быстрого доступа, называемых регистрами. В состав i286 входят три набора по четыре регистра и один специальный регистр — указатель команды.

Регистры общего назначения

Первый набор включает в себя регистры общего назначения или РОН, необходимые для временного хранения тех операндов и результатов вычислений, доступ к которым постоянно повторяется в процессе выполнения программы. Использование РОН в подобных случаях существенно ускоряет работу системы за счет сокращения времени чтения/записи и пересылки данных из ОЗУ. Всего регистров общего назначения четыре, они, разумеется, 16-разрядные, но могут использоваться и как 8-разрядные (однобайтные), при этом их количество удваивается.

Функции всех РОН, в основном, идентичны, но в некоторых случаях архитектура предполагает их строгую специализацию. Например, при выполнении команд обработки строк и циклов, в одном из регистров должно храниться число, равное количеству итераций. Этот регистр выполняет роль счетчика (counter) и носит название CX. Остальные регистры выполняют функции аккумулятора (AX), базы (BX) и ячейки временного хранения данных (DX). Как мы уже знаем, каждый регистр из числа РОН может быть разделен на два однобайтных, один из которых (0-7) называется младшим (Low), а другой (7-15) — старшим (High). В соответствии с этим, каждый 8-разрядный регистр получил свое название: младшие именуются AL, BL, CL, DL, а старшие — AН, BН, CН и DH (рис. 3).

Рис.3. Регистры общего назначения

Перед тем как познакомиться с назначением и функциями остальных наборов регистров, разберемся, каким образом процессору с 16-разрядной шиной адреса удается работать с памятью объемом в 1 Мбайт.

Режим реального адреса

Адресная шина процессора 80286 имеет ширину 16 бит, к тому же известно, что максимальное двоичное число длиной в два байта равно 2¹⁶ или 64 Кбайт и, если адрес задается таким числом, то, вроде бы, пространство ОЗУ, с которым может работать процессор, не должно превышать 64 Кбайт. С другой стороны, 1 Мбайт памяти можно адресовать с помощью двоичного числа длиной 20 бит (2²⁰). Как быть?

Можно, например, воспользоваться двойным адресом, ведь в повседневной жизни нам приходится постоянно сталкиваться с многоступенчатыми адресами: мы пишем на почтовом конверте сначала название города, потом — улицы, дома и т.д. (Предположим на мгновенье, что все квартиры в СССР пронумерованы последовательно, каково придется почте в такой ситуации?) Разработчики 80286 решили проблему подобным же образом: полный адрес ячейки памяти состоит из комбинации двух 16-разрядных чисел, причем одно из них предназначили для адресации внутри некоторой области ОЗУ размером 64 К байта, а второе — для локализации этой области во всем пространстве ОЗУ. Область, внутри которой происходит адресация, называется сегментом, а адрес внутри сегмента — внутрисегментным смещением. Адрес, локализующий положение сегмента в оперативной памяти, содержится в одном из специальных сегментных регистров процессора, но он тоже 16-разрядный. Для того, чтобы при помощи этого адреса можно было перекрыть все пространство ОЗУ, со стороны младшего байта его дополняют четырьмя нулями. Например, если содержимое сегментного регистра: 0001.1101.1000.1111 (или 1D8F₁₆) то адрес начала соответствующего сегмента будет равен: 0001.1101.1000.1111.0000 (или 1D8F0₁₆). Таким образом можно искусственно разделить всю память на сегменты, начинающиеся по адресам, кратным 16₁₀. Предположим, что внутрисегментное смещение нашей ячейки задано числом 1001.1011.0010.0101 или 9В25₁₆, в этом случае ее реальный адрес будет равен сумме адреса сегмента и внутрисегментного смещения: 1D8F0₁₆+9B25₁₆ = 27015₁₆ (рис. 4).

Рис.4. Формирование адресов байта или слова

Выполняемая программа может обращаться к любому из четырех сегментов, именуемых: текущий сегмент кода (то есть программы), текущий сегмент данных, текущий сегмент стека и текущий дополнительный сегмент.

Теперь вернемся к регистрам.

Сегментные регистры

Если мы вспомним, что программа в любой момент может обратиться к одному из четырех сегментов: к текущему сегменту кода, данных, стека или к дополнительному (сегменту данных), то нас вряд ли удивит, что в состав процессора входят четыре 16-разрядных регистра, являющихся указателями адресов текущих Сегментов. Их функции строго дифференцированы, а потому каждый регистр имеет свою "профессию": CS определяет сегмент кода, DS — сегмент данных, SS — сегмент стека и ES — дополнительный сегмент (рис. 6).

Рис.6. Сегментные регистры

Теперь для того, чтобы, к примеру, произвести выборку слова данных из стека, программе достаточно обратиться к регистрам SS и SP, сложить находящиеся в них числа по уже известному нам правилу и в качестве результата получить реальный адрес вершины стека.

Флажки

Не знаю как для вас, а для нас более привычно звучит термин "слово состояния", ведь, собственно говоря, совокупность значений флажков и определяет состояние процессора во время его работы. В самом общем случае слово состояния — это двоичное число, каждый бит которого отражает строго определенный параметр состояния устройства. Что касается 80286, то здесь биты слова состояния называются флажками, всего их девять, причем шесть из них регистрируют состояние процессора, а три — применяются для управления его работой (рис. 7).

Рис.7. Указатель команды и флажки

К флажкам состояния относятся: флажок переноса CF (имеет значение равное 1 при переносе из старшего бита) флажок вспомогательного переноса AF (индицирует перенос из младших 4-х бит) флажок переполнения OF (устанавливается равным единице при выходе знакового результата за границу диапазона) флажок нуля ZF (фиксирует нулевой результат выполнения команды) флажок знака SF (фиксирует отрицательный результат выполнения команды) флажок четности PF (фиксирует четное число единиц в последнем байте, полученном в результате выполнения команды)

К флажкам управления относятся: флажок направления DF (указывает направление прохождения строк в строковых командах) флажок разрешения прерывания IF (разрешает или запрещает прерывание по входу INTR) флажок трассировки TF (переводит процессор в пошаговый режим)

 

Центральный процессор

Какие функции выполняет центральный процессор.

Центральный процессор компьютера занимается вычислением и обработкой различных данных. А если по-простому говорить, то например, когда идет загрузка операционной системы, процессор занимается обработкой файлов, которые потом загружаются в оперативную память, запускает необходимые процессы и система загружается.

Можно сказать, что процессор постоянно что-то вычисляет (даже если мы видим, что он не загружен). Каждый процесс занимает определенную долю процессорных ресурсов (может составлять доли процента от загрузки процессора). Открытие файлов (например: просмотр картинок, видео, прослушивание музыки), программ и совершение других операций осуществляет процессор.

При игре в компьютерные игры, процессор также частично обрабатывает поступающие данные из игрового приложения и передает их видеокарте, которая в свою очередь обрабатывает полученные графические данные и отсылает уже готовое изображение на монитор.

Центральный процессор выполняет арифметические действия, логические операции и осуществляет управление всем компьютером. Команды, адресованные ЦП для автоматизации процесса обработки входных данных, объединяются в блоки и хранятся в памяти компьютера или на диске. Эти блоки называются программами. Таким образом, входные данные, введенные в память компьютера пользователем, обрабатываются центральным процессором по заранее составленной программе. Результаты обработки сохраняются в памяти компьютера.