Процессор содержит два основных устройства арифметико логическое устройство и устройство управления

Обновлено: 06.07.2024

ройство сдвига. Вычислительные блоки способны обрабатывать 16-разрядные данные и могут поддерживать вычисления с повышенной точностью. Арифметико-логическое устройство обладает флагом переноса CI, который позволяет поддерживать 32-разрядные арифметические действия.

Арифметико-логическое устройство обеспечивает стандартный набор арифметических и логических функций: сложение, вычитание, смену арифметического знака, инкремент, декремент, получение абсолютного значения, логическое И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и инверсию. Также поддерживаются примитивы деления.

Умножитель с накоплением способен выполнить за один машинный цикл операцию умножения, умножения-сложения или умножения-вычитания. Он также содержит 40-разрядный аккумулятор, который обеспечивает дополнительные 8 разрядов для накопления результата без потери информации; данное решение допускает возникновение 256-ти переполнений, прежде чем произойдет потеря данных. Специальные команды обеспечивают поддержку блочной плавающей точки, при которой одна экспонента приписывается некоторому набору данных.

Для ускорения обработки прерываний в МАС также может использоваться набор вспомогательных регистров. Если после окончания процедуры обработки сигнала установлен флаг MV, это означает, что регистр результата содержит слово, длина которого больше 32 разрядов. В этом случае значение, содержащееся в регистре, может быть заменено максимально или минимально возможной величиной, представимой в пределах 32-хразрядной сетки в формате 1.32, в зависимости от природы переполнения.

Устройство сдвига производит операции логического и арифметического сдвига, нормализации и денормализации, а также вычисления блочной экспоненты. Устройство может быть использовано для эффективного управления численными форматами, в том числе представление чисел в формате с плавающей точкой с повышенной точностью.

Вычислительные блоки располагаются параллельно, а не последовательно, так что результат работы любого блока может использоваться как исходное данное для другого блока в следующем машинном цикле. Для обеспечения такой возможности используется шина промежуточных результатов (R).

В этой статье мы рассмотрим, что такое процессор CPU, какие у него функции и из чего он состоит.

В каждом вычислительном устройстве (ПК, смартфон, фотоаппарат) есть центр, который отвечает за правильную работу машины ― процессор.

В широком смысле процессор ― это устройство, которое выполняет вычислительные и логические операции с данными. Чаще всего этот термин используется для обозначения центрального процессора устройства. Расшифровка CPU ― Central Processing Unit (центральное обрабатывающее устройство). Это самая важная часть компьютера. Его мозг. Он выглядит как квадрат размером приблизительно 5x5 см:

Что значит CPU на процессоре

С обратной стороны CPU находятся ножки, с помощью которых он крепится к материнской плате:

Назначение и характеристика процессора

От мощности центрального процессора зависит скорость обработки команд и продуктивность работы других составляющих компьютера. Например, можно купить современную видеокарту, но она не сможет показать свои возможности, если управляется слабым CPU.

Функции CPU

Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU:

получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции, передаёт их на внешние устройства,
формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств,
временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных,
принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их.

Из чего состоит CPU

Центральный процессор состоит из 3-х частей:

Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать, выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.

Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на скорость выполнения запросов.
Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

Главной характеристикой процессора является производительность. Она зависит от двух параметров: тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает машина.

Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.

Производители CPU

На рынке есть два основных производителя центральных процессоров ― Intel и AMD.

Продукты Intel — дорогие, но имеют высокую производительность. Потребляют меньше энергии, следовательно меньше перегреваются. Имеют хорошую связь с оперативной памятью.

Продукты AMD значительно отстают от Intel, однако стоят дешевле. Они требуют много энергии и хуже взаимодействуют с оперативной памятью по сравнению с процессорами от Intel.

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 (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти 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.

3–5 декабря, Онлайн, 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:

RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

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:

Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
Информационные: move , input , outptut , load и store .
Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
Команда останова: halt .

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:

LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000> . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

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.

Вы здесь: Главная Процессор Процессор — аппаратный уровень.

Архитектура ЭВМ

Компоненты ПК

Интерфейсы

Мини блог

Самое читаемое

Арифметико логическое устройство (АЛУ)
Страничный механизм в процессорах 386+. Механизм трансляции страниц
Организация разделов на диске
Диск Picture CD
White Book/Super Video CD
Прямой доступ к памяти, эмуляция ISA DMA (PC/PCI, DDMA)
Карты PCMCIA: интерфейсы PC Card, CardBus
Таблица дескрипторов прерываний
Разъемы процессоров
Интерфейс Slot A

Продвижение сайта Москва сео бутик бутиковое продвижение сайтов.

Процессор — аппаратный уровень.

Процессор — аппаратный уровень. Операционные устройства

Процессор — это ядро и мотор компьютера, обеспечивает как выполнение операций, так и функционирование всех узлов. Обычно простой процессор включает в себя декодер команд, арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры, транслятор адресов операндов и устройство управления. Отдельные элементы связаны внутренней шиной. Связь с внешними устройствами осуществляется через внешнюю шину.

Структура процессора

Все перечисленные элементы могут помещаться в одной микросхеме — микропроцессоре. Они доступны через выводы микросхемы при выполнении команд, загружаемых из ОЗУ. На следующем рисунке показаны выводы типичного микропроцессора. Рассмотрим как работает процессор изнутри, на аппаратном и микропрограммном уровне. Далее будет представлено рассмотрение конкретного процессора i8086.

Типичный процессор

Аппаратный уровень процессора в настоящее время не является ни программно доступным, ни даже наблюдаемым, однако представление о нем помогает пониманию таких вопросов, как скорость выполнения команд, возможность конвейеризации и т.д.

Для того чтобы понять как выполняются команды в процессоре рассмотрим работу операционных устройств. В машине фон Неймана в качестве операционного устройства применяется АЛУ. Учитывая разнообразие выполняемых операций и обрабатываемых данных, можно говорить не об одном устройстве, а о целом комплексе специализированных операционных устройств, каждое из которых выполняет свое подмножество операций (команд). Следует выделить операционные устройства:

целочисленной арифметики;
логических операций;
десятичной арифметики;
чисел с плавающей запятой.

Кроме указанных устройств процессоры в зависимости от их назначения могут иметь и другие операционные устройства: управления потреблением, графических операций, упаковки/распаковки изображений и др. В минимальном варианте операционное устройство целочисленной арифметики (АЛУ) должно содержать аппаратуру для реализации лишь основных логических операций, сдвигов, инвертирования, а также сложения чисел в формате с фиксированной запятой. Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует отметить, что подобный вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает. Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных операционных устройств, называется структурным базисом. Структурный базис операционных устройств включает в себя:

регистры, обеспечивающие хранение слов данных;
шины, связывающие регистры и предназначенные для передачи слов данных;
комбинационные схемы, реализующие вычисления по управляющим сигналам от устройства управления.

Выполнение команды может быть сведено к нескольким (одновременно или последовательно во времени) операциям пересылки из регистра в регистр(на рисунке). Возможно с промежуточным преобразованием пересылаемых двоичных слов на комбинационных логических схемах. В следующей теме подробно рассмотрим регистры.

Регистры операционного устройства

Регистры. Шины. Вентили (Gates)

Регистры

Регистр хранит двоичное слово. Регистр — это линейка триггеров, которые имеют входы для изменения состояния, влияющее на выходы.

Регистры могут быть:

программно-видимые явно;
видимые косвенно, такие, накпример, как "теневые" регистры дескрипторов сегментов;
внутренние, предназначенные для специальных целей, например, регистр адреса памяти и регистр данных для обмена с памятью — про них ,по крайней мере, известно, для чего они предназначены;
внутренние — для хранения внутренних промежуточных результатов и т.д.

Кроме того, в процессоре могут быть "псевдо-регистры", хранящие константы: 0, 1, -1, и др. (м.б. такие, как , e. ).

Шины

Это просто группа параллельных проводов, связывающих между собой два адресата и позволяющих передать слово данных параллельным кодом.

Вентили

Регистры операционного устройства

Это логические элементы (коньюнкторы), разрешающие передачу данных (например, на вход триггера). Схема передачи слова данных от источника к приемнику изображена выше на рисунке. Она обеспечивает возможность управлять моментом передачи, подавая в нужный момент сигнал "строб". Слово данных от источника данных (им может быть другой регистр) подается на входы элементов "И". Выходы элементов "И" (вентилей) действуют на входы установки регистра-приемника. Для записи нового кода в регистр-приемник надо последовательно выполнить два действия:

сбросить старый код в регистре,
разрешить запись сигналом, подаваемым на вторые входы вентилей. Второй сигнал задержан относительно первого (в элементе задержки).

Несколько вентильных линеек В1, В2. могут быть объединены по выходам линейкой элементов "ИЛИ". Такая структура позволяет передавать слово данных на вход регистра-приемника от одного из нескольких источников при действии разных стробовых сигналов. Такую структуру принято называть мультиплексором (ниже на рисунке).

Простейший мультиплексор

Арифметико логическое устройство (АЛУ)

Общие сведения об арифметико логическом устройстве

Арифметико логическое устройство - это комбинационная схема, (т.е. она не содержит внутри элементов памяти), выполняющая следующие функции:

принимающая на два входа два операнда (например, содержимое двух регистров);
формирующая на выходе результат операции.

Большинство компьютеров содержат одну общую схему для выполнения операций И, ИЛИ и сложения над двумя машинными словами. Обычно такая схема для n-битных слов состоит из n идентичных схем для индивидуальных битовых позиций. На рисунке изображена схема одноразрядного АЛУ. Это устройство может вычислять одну из 4 следующих функций: А И В, А ИЛИ В, В- и А + В. Выбор функции зависит от того, какие сигналы поступают на линии F0 и F1: 00, 01, 10 или 11 (в двоичной системе счисления). Отметим, что здесь А+В означает арифметическую сумму А и В, а не логическую операцию И. В левом нижнем углу схемы находится двухразрядный декодер, который порождает сигналы включения для четырех операций. Выбор операции определяется сигналами управления F0 и F1. В зависимости от значений F0 и F1 выбирается одна из четырех линий разрешения, и тогда выходной сигнал выбранной функции проходит через последний вентиль ИЛИ. В верхнем левом углу схемы находится логическое устройство для вычисления А И В, А ИЛИ В и В-, но по крайней мере, один из этих результатов проходит через последний вентиль ИЛИ в зависимости от того, какую из разрешающих линий выбрал декодер. Так как ровно один из выходных сигналов декодера будет равен 1, то и запускаться будет ровно один из четырех вентилей И.

Схема одноразрядного АЛУ

Остальные три вентиля будут выдавать 0 независимо от значений А и В.АЛУ может выполнять не только логические и арифметические операции над А и В, но и делать их равными нулю, отрицая ENA (сигнал разрешения А) или ENB (сигнал разрешения В). Можно также получить А-, установив INV А (инверсию А). При нормальных условиях и ENA, и ENB равны 1, чтобы разрешить поступление обоих входных сигналов, а сигнал INV А равен 0. В этом случае А и В просто поступают в логическое устройство без изменений. В нижнем правом углу находится полный сумматор для подсчета суммы А и В и для осуществления переносов. Переносы необходимы, поскольку несколько таких схем могут быть соединены для выполнения операций над целыми словами. Одноразрядные схемы, подобные той, которая изображена выше, называются разрядными микропроцессорными секциями. Они позволяют разработчику сконструировать АЛУ любой желаемой ширины. АЛУ можно представить как комбинационную схему, имеющую две входные шины (туда подаются два операнда) и одну выходную (на ней получается результат). Кроме того, АЛУ имеет несколько управляющих входов, сигналы на которых определяют выполняемую операцию(рисунок ниже).

Схема восьмиразрядного АЛУ и его обозначение

Операционные устройства с плавающей запятой

Операции над числами с плавающей запятой имеют существенные отличия от операций целочисленной арифметики, поэтому их реализуют с помощью самостоятельного операционного устройства (ОП). Минимальный набор операций этого устройства включает четыре действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Операции выполняются над числами в формате IEEE 754. Особенностью ОП является то, что операции над тремя составляющими чисел с ПЗ (знаками, мантиссами и порядками операндов) выполняются раздельно:

блоком обработки знаков;
блоком обработки порядков;
блоком обработки мантисс.

Для хранения операндов и результата предусмотрены соответствующие регистры. В арифметике с плавающей запятой сложение и вычитание — более сложные операции, чем умножение и деление. Это обусловлено тем, что необходимо выравнивать порядки операндов. Алгоритм сложения включает следующие этапы:

Подготовительный этап.
Определение операнда, имеющего меньший порядок, и сдвиг его мантиссы вправо на число разрядов, равное разности порядков операндов.
Приравнивание порядка результата большему из порядков операндов.
Сложение мантисс.
Проверка на переполнение.
Заключительный этап.

Подготовительный этап осуществляет "распаковку" чисел с ПЗ, загрузку трех составляющих. В старший разряд мантиссы восстанавливается единица. Здесь может быть выполнена проверка на равенство нулю одного или обоих операндов. Это позволяет исключить ненужные операции. Действия на заключительном этапе сводятся к выявлению нулевого значения мантиссы, нормализации мантиссы, выявлению отрицательного переполнения порядка (появляется денормализованный операнд), "упаковке" составляющих результата. В отличие от целочисленной арифметики, в операциях с ПЗ сложение и вычитание производятся приближенно, так как при выравнивании порядков происходит потеря младших разрядов одного из слагаемых. В этом случае погрешность всегда отрицательна и может доходить до единицы младшего разряда. Умножение чисел с ПЗ включает следующую последовательность этапов:

Читайте также: