Микропроцессор | Открытый класс

Вы не зарегистрированы

Авторизация

Ресурсы сайта

Предметный каталог

Микропроцессор

Процессор

Центра́льный проце́ссор (CPU — céntral prócessing únit)— исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение арифметических операций, заданных программами операционной системы, и координирующий работу всех устройств компьютер.

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel, командой во главе Тедом Хоффом.

Компоненты микропроцессора

- Арифметическо-логическое устройство

- Математический сопроцессо

- Корпус микропроцессора

- Векторный процессор

- Регистр процессора

- КЭШ

Арифметическо-логическое устройство

Разработано, Джоном фон Нейманом.

Арифмети́ческо-логи́ческое устро́йство (arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который служит для выполнения арифметических и логическихпреобразований над операндами.

Структура АЛУ и его связь с другими блоками компьютера показаны на рисунке.

В состав арифметическо-логического устройства включается регистры Рг1 - Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Различают два вида микрокоманд:

внешние - такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем преобразование информации (на рисунке) это микрокоманды А1,А2,...,Аn);

внутренние - те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство, изменяя таким образом нормальный порядок следования команд.р1, p2,..., рm на рисунке - это и есть микрокоманды. А результаты вычислений из АЛУ передаются в ОЗУ по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs.

Функции регистров, входящих в арифметическо-логическое устройство:

- Рг1 - сумматор (или сумматоры) - главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

- Рг2, Рг3 - регистры слагаемого/сомножителя/делителя/делимого в зависимости от выполняемой операции;

- Рг4 - регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает что формирования) адреса операндов результата;

- Рг6 - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

- Рг7 - l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов

Операции в АЛУ:
- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

- операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

- операции десятичной арифметики;

- операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики;

- операции над логическими кодами (логические операции);

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Математический сопроцессор

Математический сопроцессор — сопроцессор для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой.

Типы корпусов процессоров

QFP (Quad Flat Package) — плоский корпус с четырьмя рядами контактов.
DIP (Dual Inline Package) — корпус с двумя рядами контактов. Представляет собой прямоугольный корпус с расположенными на длинных сторонах контактами.
LGA (Land Grid Array) — представляет собой корпус, в котором штырьковые контакты заменены на контактные площадки.

Корпусы изготовляют из пластика, керамики, или из органического материала.

LGA корпус показан на рисунке.

Векторный процессор

Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. Векторный процессор увеличивает производительность.

Регистр процессора

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления.

КЭШ-память

Кэш — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена.

Функционирование.
Когда ЦПУ обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше.
Ряд моделей центральных процессоров обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти, которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП.

Уровни КЭШа.
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных про-цессоров — до 3.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Объём обычно не более 128 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня. Обычно он распо-ложен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера — более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В много-процессорных системах находится в общем пользовании.

Разъём центрального процессора

Разъём центрального процессора (сокет) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для облегчения установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора.

Ядро

Термин «ядро микропроцессора» не имеет чёткого определения.

Ядро – это часть микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки, набор параметров, характеризующий микропроцессор.

Типичными характеристиками ядра являются:

- система команд;

- количество функциональных блоков (ALU, FPU);

- объём встроенной кэш-памяти;

- тактовые частоты;

- напряжение питания;

- максимальное и типичное тепловыделение;

- технология производства.

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).
Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию системы «Мультипроцессор».

Например, двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например, двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Duo состоит из двух физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.