Общие сведения о процессорах

Бытовая электроника / Компьютеры, комплектующие - бытовая электроника
Administrator
1 662
12-02-2017, 13:13
0

Как известно , процессор является основным вычислительным блоком компьютера, в наибольшей степени определяющим его мощь. Процессор является устройством, исполняющим программу - последовательность команд (инструкций), задуманную программистом и
оформленную в виде модуля программного кода. Чтобы понять , что делает процессор, рассмотрим его в окружении системных компонентов IBM PC-совместимого компьютера. Этой компьютерной архитектурой , естественно, не ограничивается сфера применения процессоров.

Всем известный IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон - неймановской архитектуры вычислительных машин . Эта архитектура былапредставлена Джоном фон - Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки .
Машина состоит из блока управления , арифметико- логического устройства ( АЛУ), памяти и устройств ввода/ вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы : программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора . Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком адреса " в блоке управления . Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления . Данные, с которыми работает программа , могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе . Фон - неймановская архитектура - не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие , которые не соответствуют указанным принципам ( например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных
компьютеров основано именно на этих принципах , включая и сложные многопроцессорные комплексы , которые можно рассматривать как объединение фон - неймановских машин . Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая архитектура прошла длинный путь развития .

В общем смысле под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно- видимые свойства . Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различные микроархитектурные реализации , при этом , естественно, стремятся к максимальному повышению производительности ( скорости исполнения программ).

Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории - RISC и CISC.

RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процессоры ( компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения , причем их число может быть большим . Система команд
отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное ( в пределе 1) число тактов синхронизации . Определенные преимущества дает и унификация регистров.

CISC - Complete Instruction Set Computer - процессоры ( компьютеры) с полным набором инструкций, к которым относится и семейство х86. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны , широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы . Возрастает число тактов , необходимое для выполнения инструкций.

Процессоры х86 имеют самую сложную в мире систему команд. Хорошо ли это, вопрос спорный , но груз совместимости с программным обеспечением для IBM PC, имеющим уже 20-летнюю историю , не позволяет расставаться с этим "наследием тяжелого прошлого". В процессорах семейства х86, начиная с 486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC- ядро.

Различают следующие способы организации вычислительного процесса:

- один поток команд - один поток данных (Simple Instruction - Simple Data, SISD) - характерно для традиционной фон - неймановской архитектуры ( иногда вместо Simple пишут Single);

- один поток команд - множественный поток данных (Simple Instruction - Multiple Data, SIMD) - технология MMX;

- множественный поток команд - один поток данных (Multiple Instruction - Simple Data, MISD);

- множественный поток команд - множественный поток данных (Multiple Instruction - Multiple Data, MIMD).

Рассмотрим порядок исполнения инструкций обработки данных - выполнения арифметических или логических функций . Во многих случаях инструкция работает с парой операндов - операндом назначения dest (destination) и операндом - источником src (source).
Традиционная схема действия инструкции: dest = F (dest, sr с), где F - некоторая функция от двух переменных. Это означает , что при выполнении инструкции процессор извлекает из указанных в инструкции мест ( регистр, память , константа в самой инструкции) пару двоичных чисел, и результат действия над ними записывает на место одного из них (dest). Для выполнения той же функции над следующей парой чисел требуется повторное исполнение инструкции, но уже с другой парой операндов.

Такой принцип исполнения естественен для базовой архитектуры процессоров х86. В процессоры Pentium, " под занавес" их развития , было введено расширение ММХ, направленное на ускорение обработки потоков и массивов данных. Ключевым в этом расширении стал принцип SIMD. Здесь вводятся новые упакованные форматы данных: в один регистр ММХ можно помещать не только один операнд (64- битное число), но и пару 32- битных, четверку 16-битных или восьмерку 8-битных чисел. Одна инструкция MMX выполняет однотипные действия сразу над всеми числами , упакованными в регистры ММХ, заданные операндной частью данной инструкции. Поначалу набор инструкций ММХ ограничивался целочисленной арифметикой и логикой, и он стал стандартом для всех современных процессоров х86. Позже появились расширения 3DNow! ( от AMD) и SSE ( от Intel) для чисел в формате с плавающей
точкой , сильно различающиеся по набору инструкций.

Несколько слов о числах с плавающей точкой . Архитектура процессора 8086 позволяет выполнять арифметические функции (сложение, вычитание , умножение и деление) над целочисленными данными ( знаковыми и беззнаковыми, двоичными и двоично - десятичными ) разрядностью 8 или 16 бит. В процессорах 386+ можно обрабатывать и 32- разрядные числа. Для работы с числами в формате с плавающей точкой ( представленными в виде мантиссы и порядка) предусмотрен математический сопроцессор.

Сопроцессор представляет собой набор 80- битных регистров и специализированное арифметическое устройство , которое кроме четырех арифметических действий способно вычислять значение квадратного корня, тригонометрических функций , логарифмов и степеней чисел. Сопроцессор может только перехватывать адресованные ему инструкции из потока команд, выполняемых центральным процессором . Все манипуляции с памятью выполняет центральный процессор. Сложные функции сопроцессора требуют довольно больших затрат времени , но во время их выполнения центральный процессор может продолжать выполнение инструкций, вплоть до момента появления следующей инструкции, адресованной сопроцессору . Однако эта эпизодическая параллельность вычислений не противоречит принципу последовательной передачи управления (самостоятельно сопроцессор передать управление не способен ). При отсутствии сопроцессора его функции можно выполнять программно целочисленными средствами центрального процессора , но сопроцессор их выполняет в сотни и тысячи раз быстрее. Программная эмуляция сопроцессора может включаться прозрачно для прикладных программ, обращающихся к сопроцессору . Для этого используется механизм исключений.

35:44

Ремонт материнских плат для начинающих и не только, теория, полезные советы - Обзор

15:32

Диагностика материнской платы компьютера. От начала до конца.

28:30

Диагностика неисправности компьютера - Обзор Видео урок

28:47

Диагностика и ремонт современной материнской платы подробно

Обсудить на форуме