Устройство обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами процессор
Обновлено: 07.07.2024
Процессор— устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера. Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ. chip — чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине — кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором.
Центральный процессор или ЦП (часто просто процессор) состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), которое содержит схему, манипулирующую данными, и устройства управления, которое содержи: схему, координирующую деятельность машины.
Для временного хранения информации в процессоре содержатся ячейки, или регистры, которые похожи на ячейки оперативной памяти. Они служат для временного хранения данных, обрабатываемых центральным процессором.
Скорость передачи данных измеряется в битах в секунду. Существует два основных способа передачи данных: параллельный и последовательный. Этими терминами обозначают способ передачи битов относительно друг друга. В случае параллельной связи несколько битов передаются одновременно, каждый по отдельному проводнику (линии), Такая техника позволяет быстро передавать данные, но требует достаточно сложной линии связи. При последовательной передаче за один раз передается только один бит. Такая техника передачи данных медленнее, но для нее требуется более простой канал связи, поскольку все биты передаются по одной линии.
Вследствие такого строения компьютера задача сложения двух значений, хранящихся в оперативной памяти, представляет собой больше, чем простое выполнение операции сложения. Этот процесс включает в себя и работу устройства управления, которое координирует передачу информации между оперативной памятью и регистрами, находящимися в центральном процессоре, и работу арифметико-логического устройства, которое выполняет операцию сложения по команде устройства управления.
Процесс сложения двух чисел можно разбить на пять шагов:
1) взять одно из значений из памяти и поместить его в регистр;
2) взять другое значение из памяти и поместить его в другой регистр;
3) активировать схему сложения, на входе которой будут данные из регистров;
4) сохранить результаты в памяти;
Список команд (машинных команд) , которые должен выполнять и декодировать центральный процессор можно разделить на три группы:
- команды передачи данных (предписывают перемещение данных из одного места в другое. Как пример, шаги 1,2 (команды загрузки) и 4 (команда сохранения) вышерассмотренного алгоритма. В команды передачи данных входят инструкции для связи центрального процессора с внешними устройствами)
- арифметико-логические команды (в примере шаг 3. К этим командам относятся и команды сдвига)
- команды управления (управляют процессом выполнения программы. В примере шаг 5. Это команды перехода (условного и безусловного) и ветвления)).
Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство, входящее в состав процессора. Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором.
Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик — тактовой частоты и разрядности.
Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Под тактом мы понимаем чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течение которого может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мегагерц (МГц) — миллион тактов в секунду. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет более 100 МГц.
Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам.
Взаимодействие между компьютером и другими устройствами обычно происходит через контроллер. Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллер представляет собой плату, которая вставляется в гнездо материнской платы.
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.
Сердцем персонального компьютера является процессор. Он представляет собой электронное цифровое устройство, которое может работать по заданной программе.
Что значит электронное и цифровое устройство
Рассмотрим устройство процессора компьютера. Сначала расшифруем отдельно прилагательные «электронное» и «цифровое».
Прилагательное «электронное» означает, что процессор компьютера работает на электрической энергии и все сигналы, которые обрабатываются этим устройством, являются электрическими.
Вместе с тем в радиоэлектронике электронные устройства делятся на 2 больших класса: аналоговые и цифровые.
Прилагательное «цифровое» означает, что процессор компьютера относится к классу цифровых, а не аналоговых устройств.
Упомянутые аналоговые устройства преобладали среди радиоэлектронной аппаратуры 20-30 лет назад. А появились они тогда, когда радиоинженеры научились записывать и передавать звук и изображение в виде аналоговых сигналов. Это были радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и т.п.
Аналоговые устройства уступили пальму первенства лишь в конце прошлого века, когда развитие цифровых устройств привело к тому, что с помощью цифровых кодов научились записывать и передавать любую информацию, включая уже упомянутые звуки и изображения.
Цифровые сигналы в отличие от аналоговых в незначительной степени подвержены помехам и без искажения передаются на расстояния. Они лучше записываются, хранятся и не «портятся» со временем.
Среди цифровых электронных устройств одним из наиболее сложных устройств является процессор компьютера. Это своего рода апофеоз развития цифровой техники.
Внешне он представляет собой кремниевую пластину, смонтированную в корпусе, имеющем множество электрических выводов для подключения к электропитанию и к другим устройствам компьютера.
За то, что процессор делается на кремниевых пластинах, на жаргоне компьютерщиков его иногда называют «камень», так как кремний является весьма прочным материалом.
На эту пластину путем очень точного напыления вещества (точность измеряется ангстремами) в вакууме и при соблюдении идеальной чистоты производства воспроизводят сложнейшую и чрезвычайно миниатюрную по своим размерам электрическую схему, состоящую из десятков и сотен тысяч мельчайших элементов (в основном, транзисторов), соединенных между собой специальным образом.
Производство таких устройств является настолько высокотехнологичным, что его смогли освоить только страны с самой развитой экономикой. Занятно, что при производстве процессоров не измеряют брак, как это принято практически во всех отраслях промышленности и производства, а измеряют так называемый процент выхода годных изделий, так как совсем немногие заготовки процессоров в конечном итоге становятся работоспособными устройствами.
Качественно произведенные кремниевые пластинки помещают в корпус с выводами и снабжают устройствами охлаждения (радиатор и вентилятор), так как сотни тысяч миниатюрных транзисторов при своей работе выделяют изрядное количество тепла.
Логическая структура процессора компьютера
Если посмотреть на внутреннюю логическую структуру процессора компьютера, то он представляет собой совокупность соединенных между собой устройств:
Команды, предназначенные для управления работой процессора, попадают из оперативной памяти в устройство управления. Это устройство управляет работой арифметико-логического устройства в соответствии с полученными командами.
В свою очередь, АЛУ в соответствии с полученными из УУ командами, осуществляет
- ввод информации из регистров,
- обработку информации и
- запись обработанной информации в регистры.
Регистры процессора могут обмениваться информацией с ячейками оперативной памяти (тоже на основании команд АЛУ). Поэтому в конечном итоге процессор компьютера
- осуществляет обработку данных, получаемых из оперативной памяти,
- а обработанные данные также размещает в оперативной памяти.
Как процессор обрабатывает данные
Приведенное краткое описание работы процессора компьютера иллюстрирует, что обработка данных процессором представляет из себя последовательность очень «мелких» шагов:
- считывание данных из оперативной памяти в регистры процессора,
- обработка этих данных и
- обратная запись данных из регистров процессора в ячейки оперативной памяти.
Но компенсацией за это является высочайшая скорость вычислений, сотни тысяч и миллионы таких «маленьких» операций ежесекундно. И соответственно, обеспечивается высокая скорость обработки информации, которая делает компьютер незаменимым помощником для работы, учебы, отдыха, развлечений.
Модем или модемная плата служит для связи удалённых компьютеров по телефонной сети. Модем бывает внутренний (установлен внутри системного блока) и внешний (располагается рядом с системным блоком и соединяется с ним при помощи кабеля
DVB-карта и спутниковая антенна служат для так называемого «асинхронного» подключения компьютера к сети Интернет. При наличии DVB-карты и спутниковой антенны для соединения с Интернетом используется два канала связи: для передачи данных от пользователя используется модем, а для приема – спутниковый канал, скорость потока данных в котором в несколько раз превышает модемную
Для организации в сети Интернет видеоконференций
Производительность компьютера
- это характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации
1971г. Intel® 4004
базовые математические операции (сложение, вычитание, умножение и деление)
специальные операции, которые чаще всего используются при проверке соотношений между различными величинами (необходимо для управления работой компьютера)
В состав процессора входят:
Процессор должен обеспечить автоматическое исполнение программы, хранящейся в памяти компьютера, для чего выполняет следующие действия:
Информатика и ИКТ 8 класс
Устройство ввода
Устройство вывода
Тактовая частота задает ритм жизни компьютера
- это количество тактов в секунду
- Такт – интервал времени между началами двух соседних тактовых импульсов
- Единица измерения – герц (Гц)
- Для современных компьютеров – гигагерцы (ГГц)
1 ГГц = 10 -9 Гц
Разрядность процессора
- определяет размер минимальной порции информации, обрабатываемой процессором за один такт
- Эта порция называется –машинным словом,которое представлено последовательностью двоичных разрядов (бит)
- С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт
Список литературы:
Читайте также: