какие узлы входят в состав процессора зачем нужны алу и уу
Какие узлы входят в состав процессора зачем нужны алу и уу
Одним из важнейших устройств компьютера является центральный процессор (CPU — англ, central processing unit, что переводится как «центральное вычислительное устройство»). Именно от типа процессора и его характеристик в первую очередь зависит производительность компьютерной системы в целом.
Центральный процессор — это устройство компьютера, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными, а также координации работы всех устройств компьютера.
Современные центральные процессоры для персональных компьютеров выполняются в виде отдельных микросхем и называются микропроцессорами. В дальнейшем будем считать понятия «микропроцессор» и «процессор» равнозначными.
Схема состава микропроцессора показана на рисунке 1.
Основным элементом микропроцессора является ядро, от которого зависит большинство характеристик самого процессора. Ядро представляет собой часть микропроцессора, содержащую его основные функциональные блоки и осуществляющую выполнение одного потока команд.
Современные процессоры могут иметь более одного ядра, т.е. могут быть многоядерными. Многоядерные процессоры способны выполнять одновременно несколько потоков команд. Основная причина перехода к многоядерным процессорам была вызвана тем, что повышение производительности микропроцессоров путем дальнейшего наращивания тактовой частоты достигло физического предела в связи с очень высоким уровнем тепловыделения и энергопотребления. Производительность многоядерного процессора увеличивается за счет распараллеливания обработки данных между несколькими ядрами. Визуальное представление процессора показано на рисунке 2.
Ядро процессора помещается в корпус (пластмассовый или керамический) и соединяется проводками с металлическими ножками (выводами), с помощью которых процессор присоединяется к системной плате компьютера. Количество выводов и их расположение определяют тип процессорного интерфейса (разъема). Каждая системная плата ориентирована на один определенный тип разъема
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все математические и логические операции.
Управляющее устройство (УУ) обеспечивает выполнение процессором последовательности команд программы.
Набор регистров — ячейки памяти внутри процессора, используемые для размещения команд программы и обрабатываемых данных.
Кэш-память (кэш) — сверхбыстрая память, хранящая содержимое наиболее часто используемых ячеек оперативной памяти, а также части программы, к которым процессор обратится с наибольшей долей вероятности. Процессор в первую очередь пытается найти нужные данные именно в кэш-памяти, а если их там не оказывается, обращается к более медленной оперативной памяти. Кэш-память делится на два или три уровня, которые обозначаются LI, L2 и L3 (чаще всего уровней два).
Сопроцессор — элемент процессора, выполняющий действия над числами с плавающей запятой.
Характеристики микропроцессора Тактовая частота. Для каждой выполняемой процессором команды требуется строго определенное количество единиц времени (тактов). Тактовые импульсы формируются генератором тактовой частоты, установленным на системной плате. Чем чаще они генерируются, тем больше команд процессор выполняет за единицу времени, т. е. тем выше его быстродействие. Тактовая частота обычно выражается в мегагерцах. 1 МГц равен 1 миллиону тактов в секунду. Первые модели процессоров Intel ( i 8008 x ) работали с тактовыми частотами, меньшими 5 МГц. Сегодня тактовая частота последних процессоров превышает 3 ГГц (1 ГГц = 1000 МГц). Внутренняя архитектура процессора, как и тактовая частота, также влияет на работу процессора, поэтому два CPU с одинаковой тактовой частотой не обязательно будут тратить одинаковое время на выполнение одной команды. Если, например, микропроцессору Intel 80286 требовалось 20 тактов, чтобы выполнить команду умножения двух чисел, то Intel 80486 или старше мог выполнить это же действие за один такт. Некоторые процессоры способны выполнять более одной команды за 1 такт. Их называют суперскалярными. Различают внутреннюю и внешнюю тактовую частоту. Внешняя тактовая частота — это частота, с которой процессор обменивается данными с оперативной памятью компьютера. Как уже было сказано выше, она формируется генератором тактовых импульсов (кварцевым резонатором).
Внутренняя тактовая частота — это частота, с которой происходит работа внутри процессора. Именно это значение указывается в прайс-листах фирм, продающих процессоры.
Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ)
Что такое АЛУ? Арифметико-логическое устройство, одна из составляющих процессора. В статье мы приглашаем вас узнать принципы его действия, историю создания, основные характеристики, выполняемые операции, существующие классификации АЛУ.
Определение понятия
Вам будет интересно: Эльбрус или Байкал: какой российский процессор лучше?
Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:
Набор выполняемых операций
Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:
Вам будет интересно: Интерфейс RS 485: описание
Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.
Классификация АЛУ
По способу представления информации:
По способу действий с операндами:
По применению систем исчисления:
По особенностям использования узлов и элементов:
Вам будет интересно: GeForce GT 720M: обзор, характеристики и отзывы
По временным характеристикам:
По характеристике устройства управления:
Основные функции
Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет выполнять следующие функции:
Главные количественные характеристики
Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют количественные характеристики всей системы АЛУ. В частности, это следующее:
Главные качественные характеристики
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора. Это определяет его важнейшие качественные характеристики:
История возникновения
Создателем арифметико-логических устройств считается Джон фон Нейман, разработчик компьютеров ЭНИАК (электронных числовых вычислителей).
Архитектура этого изобретения («архитектура фон Неймана») в дальнейшем стала базой, прототипом архитектур и большей части последующих компьютеров. В своих работах ученый указывал на наличие устройств, которые, по его мнению, являются обязательными для каждого компьютера. Среди них было упомянуто АЛУ. Фон Нейман считал, что арифметико-логическое устройство необходимо, потому что позволяет выполнять системе математические базовые операции. Как то: сложение и вычитание, умножение и деление.
Внутреннее устройство АЛУ
Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:
При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:
Сами микрокоманды делятся на две категории:
Функции регистров АЛУ
Чтобы иметь представление о работе АЛУ, нам нужно поближе познакомиться с функциями его регистров:
Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.
Операция сложения
Функционально арифметико-логическое устройство будет состоять из Регистра 1, Регистра 2, сумматора и схемы управления.
Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:
Операция вычитания
Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:
Операции в устройстве
Как работает процессор?
Авторизуйтесь
Как работает процессор?
Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.
Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.
Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.
Два основных компонента процессора
Устройство управления
Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.
Существует два типа реализации УУ:
УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.
Арифметико-логическое устройство
Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.
27–28 ноября, Москва, Беcплатно
Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.
Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).
Схема арифметического полусумматора
Хранение информации — регистры и память
Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.
Регистры
Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.
Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.
По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:
Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.
Принцип действия RS-триггера
Память (ОЗУ)
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.
Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.
Команды (инструкции)
Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:
Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.
Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.
В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.
Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).
Тактирование процессора
Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.
Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.
Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.
Выполнение инструкций
Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.
Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:
Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.
Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.
У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.
Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).
Поток инструкций
Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.
Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.
Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.
Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ)
Что такое АЛУ? Арифметико-логическое устройство, одна из составляющих процессора. В статье мы приглашаем вас узнать принципы его действия, историю создания, основные характеристики, выполняемые операции, существующие классификации АЛУ.
Определение понятия
Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:
Набор выполняемых операций
Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:
Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.
Классификация АЛУ
По способу представления информации:
По способу действий с операндами:
По применению систем исчисления:
По особенностям использования узлов и элементов:
По временным характеристикам:
По характеристике устройства управления:
Основные функции
Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет выполнять следующие функции:
Главные количественные характеристики
Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют количественные характеристики всей системы АЛУ. В частности, это следующее:
Главные качественные характеристики
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора. Это определяет его важнейшие качественные характеристики:
История возникновения
Создателем арифметико-логических устройств считается Джон фон Нейман, разработчик компьютеров ЭНИАК (электронных числовых вычислителей).
Архитектура этого изобретения («архитектура фон Неймана») в дальнейшем стала базой, прототипом архитектур и большей части последующих компьютеров. В своих работах ученый указывал на наличие устройств, которые, по его мнению, являются обязательными для каждого компьютера. Среди них было упомянуто АЛУ. Фон Нейман считал, что арифметико-логическое устройство необходимо, потому что позволяет выполнять системе математические базовые операции. Как то: сложение и вычитание, умножение и деление.
Внутреннее устройство АЛУ
Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:
При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:
Сами микрокоманды делятся на две категории:
Функции регистров АЛУ
Чтобы иметь представление о работе АЛУ, нам нужно поближе познакомиться с функциями его регистров:
Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.
Операция сложения
Функционально арифметико-логическое устройство будет состоять из Регистра 1, Регистра 2, сумматора и схемы управления.
Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:
Операция вычитания
Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:
Операции в устройстве
В состав процессора входят: УУ, АЛУ, регистры, сопроцессор, КЭШ.
Рассмотрим отдельно каждую составляющую.
Процессор включает в себя УУ, которое выполняет следующие действия: выбирает из памяти очередную команду, расшифровывает команду, определяет адреса ячеек, где находятся исходные данные, заносит в АЛУ исходные данные, управляет выполнением операции, сохраняет результат.
АЛУслужит для выполнения всех вычислительных и логических операций (служит для выполнения действий над данными).
Конструктивно эти устройства не разделены (изготавливают в виде единой интегральной схемы).
· сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
Любая компьютерная программа состоит из набора команд. Команда– описание элементарной операции, которую выполняет компьютер. У каждой команды есть свой код, исходные данные и результат. С помощью УУ команда попадает в процессор из ОП и выполняется. Согласно принципам фон Неймана, команды выполняются процессором автоматически в определенном порядке. Команды, программы и данные хранятся в ОП компьютера. При работе компьютера команды считываются по очереди из памяти.
На примере трехадресной команды проследим принцип работы :
Код операции – символ операции;
А1 – адрес ячейки, где хранится 1- ый операнд:
А2 – адрес ячейки, где хранится 2- ой операнд:
А3 – адрес ячейки, где хранится результат:
Каждая команда программы может быть выполнена за 7 шагов:
1. из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд (УУ), выбирается очередная команда (на время выполнения она сохраняется в регистре команд); содержимое счетчика команд при этом увеличивается так, что он указывает на следующую команду;
2. выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
3. устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
4. по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
5. УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
6. результат операции передается в память в ячейку с адресом результата – А3;
7. если есть еще команда, то происходит переход к шагу 1 и все повторяется снова. Если больше команд нет, то конец работы.
Сопроцессор расширяет систему инструкцийцентрального процессора. Настройки современных компиляторов для языков высокого уровня под процессоры семейства x86 зачастую позволяют выбирать: использовать математический сопроцессор или нет, что особенно важно при создании кода, который будет исполняться внутри обработчика аппаратного прерывания. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для ПК, начиная с Intel 486DX).
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с ОП. Для того чтобы уменьшить количество обращений к ОП создают буферную область – CASH (Кэш) – памятьЭто быстродействующая память малого объема, в которую загружается часть данных из ОП, чтобы уменьшить количество обращений к ОП и увеличить быстродействие. Это как бы сверх “оперативная память”.
Идея КЭШ-памяти сродни примеру из жизни. Например, продавец в овощном ларьке сначала ищет нужный товар в ящике около прилавка, а уже, если его там не оказалось, идет на склад.
Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и если там нет нужных данных, происходит обращение в ОП. Принимая данные из ОП, процессор заносит их одновременно и в КЭШ. КЭШ память распределяется по нескольким уровням. КЭШ 1-го уровня выполняется на том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт (16-128 Кбайт). Второй уровень работает на частоте процессора либо может исполняться на отдельном кристалле, либо в кристалле процессора (256 Кбайт и более). 3–й уровень КЭШ большего объема (
1000 Мбайт) выполняется на быстродействующих микросхемах и работает на частоте материнской платы (у МП рабочая частота меньше частоты процессора).
Основные параметры (характеристики) процессора: тактовая частота, разрядность, рабочее напряжение, коэффициент внутреннего умножения, размер КЭШ памяти.Эти параметры определяют производительность компьютера.Рассмотрим отдельно каждый из параметров.
Тактовая частота.
В основе работы процессора лежит тактовый принцип, как в обычных часах. В механических часах такты задает пружинный маятник, в электронных часах есть колебательный контур. В компьютере тактовый импульс задает одна из микросхем (ГТЧ), расположенная на материнской плате. Все импульсы одинаковы по длительности. Временной интервал между началом одного импульса и началом следующего называется тактом. ГТЧ работает все время, пока компьютер включен. Тактовые импульсырегулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Чем выше частота тактов, поступающих в процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени.
Понятие такта связано с периодом возникновения импульса. По каждому импульсу процессор выполняет одну элементарную команду.
(или можно сказать то же самое другими словами)Тактовая частота определяет ритм быстродействие (быстродействие – определяется частотой, т.е. количеством элементарных операций, выполняемых за единицу времени) выполнения всех операций и измеряется в герцах. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера.
Рабочие частоты современных процессоров измеряются в Ггц.
Тактовые импульсы процессор получает от материнской платы. По физическим причинам материнская плата не может работать с такими высокими частотами, как процессор. Базовая частота материнской платы составляет 100-200 Мгц. Для обеспечения более высоких частот в микропроцессоре происходит внутреннее умножение частотына коэффициент от 3 и более (10-20);
разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за 1 такт (количество информации за 1т, 32 бита (разряда) или 64бита).
Рабочее напряжение обеспечивает материнская плата. Первые компьютеры имели рабочее напряжение до 5В, теперь около 2,5 В. Понижение напряжения позволяет уменьшить теплоотделение, а это увеличивает производительность без угрозы перегрева;
Как уже говорилось, КЭШ память распределяется по уровням. КЭШ 1-го уровня выполняется на том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт (16-128 Кбайт). Второй уровень работает на частоте процессора либо может исполняться на отдельном кристалле, либо в кристалле процессора (256 Кбайт и более). 3–й уровень КЭШ большего объема (
1000 Мбайт) выполняется на быстродействующих микросхемах и работает на частоте материнской платы (у МП рабочая частота меньше частоты процессора).
Все функциональные блоки компьютера связаны между собой общей шиной, называемой системной магистралью. Системная магистраль представляет собой комплекс разъемов и проводников на материнской плате, которые называются линиями связи. По типу передаваемой информации общая шина традиционно разделяется на 3 вида (части):
· шина адресапредназначена для передачи адреса ячейки памяти,в которуюили из которой передаются данные. У Pennium,она 32-х разрядная (можно одновременно передать 32 бита).
Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды. Различают процессоры с расширенным набором команд – CISC (Complex Instruction Set Computing) процессоры и процессоры с сокращенной системой команд – RISC (Reduced Instruction Set Computing). Первые используются в универсальных вычислительных системах, а другие – в специализированных. Персональные компьютеры IBM PC ориентированы на использование CISC – процессоров.
Запоминающие устройства (ЗУ)
Памятьпредназначена для записи, хранения и считывания информации.
ОЗУНЖД
ПЗУ – постоянное ЗУ Компакт-диски:
ППЗУ – перепрогр. ЗУ Магн-оптич-диски
Основные характеристики памяти:
· емкость (максимальный объем информации, вмещающейся на устройстве);
· скорость обращения к информации;
· способ доступа (прямой или последовательный);
· принцип записи.
Дата добавления: 2016-11-02 ; просмотров: 5948 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ