» » »

13. Основные блоки ЭВМ, назначение и функциональные характеристики микро-процессора.

1. Основные блоки ПК и их назначение




Рис. 1. Структурная схема ПК

1.1. Микропроцессор (МП)

Микропроцессор — центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. В состав микропроцессора входят:

  1. Устройство управления (УУ): формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени сигналы управления; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера. Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов, который генерирует последовательность электрических импульсов; их частота определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами – это такт работы машины.

  2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (для ускорения операций подключается математический сопроцессор).

  3. Микропроцессорная память (МПП) микропроцессора предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Она строится на регистрах  быстродействующих ячейках памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

4.Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя ● внутренний интерфейс МП, ● буферные запоминающие регистры, ● схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Центральный процессор (далее для краткости – процессор) является основным вычислительным устройством ВМ, в задачу которого входит исполнение находящейся в памяти машины программы. Основные функциональные блоки (устройства) процессора – арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессору. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.


АЛУ осуществляет функции арифметической и логической обработки информации. АЛУ в свою очередь представляет собой комплекс специализированных операционных устройств, каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических и логических операций с определенными типами данных из всего разнообразия операций и типов обрабатываемых данных, предусмотренных системой команд конкретной ВМ. При самом общем рассмотрении АЛУ образуют два вида операционных устройств. Это целочисленные операционные устройства и операционные устройства для обработки чисел в формате с плавающей запятой. В минимальном составе АЛУ содержит аппаратные компоненты, реализующие только арифметические операции сложения и вычитания чисел в формате с фиксированной запятой, а также основные логические операции и операции сдвига. Даже такой ограниченный состав АЛУ позволяет программными методами обеспечить выполнение всех остальных арифметических и логических операций для любых форматов представления информации. Однако более высокой скорости вычислений добиваются включением в состав АЛУ дополнительных аппаратных компонентов, специализированных на выполнении таких операций. По мере совершенствования технических и технологических характеристик процессоров количество специализированных аппаратных компонентов в составе АЛУ непрерывно увеличивается (более подробные сведения об операциях, реализуемых такими компонентами, см. далее в подразделе 2.2).

УУ выполняет функции управления вычислительным процессом и осуществляет автоматическое исполнение программы, обеспечивая для этого следующие основные действия: извлечение из памяти очередных команд, их расшифровку и преобразование в последовательность стандартных элементарных операций, занесение в АЛУ исходных данных, сохранение полученных в АЛУ результатов. УУ обеспечивает синхронизацию работы процессора, оперативной памяти, а также других устройств ВМ.

Помимо АЛУ и УУ процессор содержит набор устройств локальной памяти процессора – регистры памяти. Под регистром памяти обычно понимается устройство для временного хранения данных ограниченного размера. В процессорах регистры используются для хранения данных, необходимых для выполнения текущих операций. Чаще всего регистр имеет тот же размер, что и машинное слово, но может иметь и другую длину, равную целому числу байт. Регистры служат для выполнения определенных функций. Существуют регистры команд, на которые из оперативной памяти вызываются исполняемые команды; регистры адреса, содержимое которых соответствует некоторому адресу (адресу команды или адресу операнда, указанного в команде); регистры, на которые вызываются операнды; регистры, исполняющие роль счетчиков, стеков и т. п. 

В состав современных процессоров, как правило, входит некоторый набор дополнительных буферных запоминающих устройств. Для наименования таких устройств применяется ставший уже традиционным термин кэш-память или просто кэш (от английского сло­ва cache – убежище, тайник). Эту кэш-память (у которой быстродействие выше, чем у основной памяти) процессор использует для временного (промежуточного) хранения текущей и наиболее часто востребуемой информации, что позволяет снизить количество обращений процессора непосредственно к основной памяти и в целом повысить производительность процессора. Механизм использования кэш-памяти обычно называюткэшированием. Степень повышения производительности процессора за счет использования кэш-памяти в существенной мере определяется оптимальным для данного процессора объемом кэш-памяти и эффективностью применяемого способа кэширования. Более подробно о кэш-памяти процессора и способах ее наиболее эффективного использования изложено в специальном подразделе 3.4. 

Главным показателем эффективности работы и технического совершенства процессора является его производительность. Зависит она от параметров самого процессора (точнее говоря так называемого «ядра процессора» (или«процессорного ядра»), обычно именуемого «кристаллом»), подсистемы памяти, процессорной шины. Производительность процессорного ядра определяется тремя основными параметрами:

1) разрядностью его регистров;

2) тактовой частотой работы процессора;

3) количеством операций (инструкций), выполняемых за один такт работы процессора (IPC – Instruction Per Cycle). 

Разрядность регистров определяет диапазон допустимых значений операндов (длину слова). Чем больше разрядность регистров процессора, тем более длинное слово (или большая порция данных) обрабатывается за один такт работы процессора и тем больше объем прямоадресуемой памяти. Исторически по мере развития процессоров происходил переход от первых 4-разрядных микропроцессоров к 8-разрядным и далее к 16- и 32-разрядным. Основной проблемой перехода к более высокой разрядности процессоров на сегодняшний день являются ограничения программного уровня. Так, для массового перехода от 32-разрядных процессоров к 64-разрядным необходима разработка практически нового 64-разрядного программного обеспечения. Однако следует отметить, что в настоящее время для 64-разрядных процессоров предложены решения постепенной миграции от 32-разрядных к 64-разрядным программным приложениям.

Увеличение тактовой частоты работы процессора – наиболее прямолинейный способ повышения производительности процессоров. С одной стороны рост тактовой частоты ограничен размерами элементарных функциональных компонентов процессорного ядра – транзисторов (чем меньше размер транзистора, тем на более высокой частоте он способен работать). С другой стороны современные процессоры включают в себя миллионы транзисторов, образующих сложные электронные схемы, что приводит к увеличению времени прохождения сигналов в процессоре. Такие «схемные задержки» тоже лимитируют максимально возможные значение тактовой частоты работы процессора.

Для увеличения тактовой частоты работы процессоров постоянно совершенствуются технические и технологические решения, применяемые при производстве процессоров. Одним из основных путей в этом направлении является снижение так называемых проектных норм (параметров) технологического процесса, определяющих размеры формируемых на полупроводниковой подложке элементов – транзисторов и межсоединений. За последние годы сменилось несколько поколений техпроцесса: 0,8 мкм – 0,5 мкм – 0,35 мкм – 0,25 мкм – 0,18 мкм – 0,13 мкм – 0,09 мкм. Каждый, как видно из приведенного ряда, уменьшает размеры элементов примерно на 30%, а их площадь (квадрат линейного размера) – примерно в 2 раза. Соответственно, плотность размещения элементов с каждым новым техпроцессом удваивается, что позволяет производить более сложные (с большим числом элементов) и более дешевые (меньшая площадь процессорного кристалла) процессоры. Другими продуктивными путями улучшения характеристик процессоров стало применение в их производстве новых материалов и соответствующих технологий, таких как использование в качестве проводящих областей и внутриядерных межсоединений меди вместо алюминия («медная» технология), использование вместо двуокиси кремния специальных диэлектриков с низкой проницаемостью (технология «Low-K-диэлектриков»), применение для уменьшения емкости транзисторов специального изолирующего слоя между кремниевой подложкой и слоем кремния, в котором формируются транзисторы (технология «кремний-на-изоляторе»

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.