Основные элементы ЭВМ. Центральный микропроцессор

tЦентральный процессор назначение

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Работа процессорных устройств основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных.

Этапы цикла обработки данных выполнения:

· процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.

· выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.

· процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.

· если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

 

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства). Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Центральный процессор (Central Processing Unit – CPU) – программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Это наиболее сложный компонент ЭВМ, как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей.

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ, содержит все основные блоков цифровой машины:

1. устройство ввода информации;

2. управляющее устройство;

3. арифметико-логическое устройство (входящие в состав микропроцессора);

4. запоминающие устройства;

5. устройство вывода информации.

 

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления. Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина, которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По информационной шине или шине данных осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что микропроцессор может посылать информацию в память ЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Архитектура типовой вычислительной системы

 

Микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. При этом не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий.

Следовательно, микропроцессор выполняет следующие функции:

1. выборку команд программы из основной памяти;

2. дешифрацию команд;

3. выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

4. управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

5. отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

6. управление и координацию работы основных узлов МП.

Однако фактическая последовательность операций в микропроцессорных системах определяется командами, записанными в памяти программ.

tУстройство центрального микропроцессора

Ранние центральные процессорысоздавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств.

Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность центральных процессоровс одновременным уменьшением их физических размеров. Микропроцессор представляет собой интегральную схему со сверхбольшой степенью интеграции элементов (транзисторов). Внутри современного микропроцессора может находиться более 800 млн. транзисторов.

Структура микропроцессора - микросхема состоит из нескольких слоёв.

 

Защитный слой диэлектрика предназначен для защиты микросхемы от внешних воздействий.

Металлические слои это межтранзисторные соединения, обеспечивающие электрическое подключение электронных компонент микросхемы друг с другом в требуемом порядке.

Полупроводниковыеэлементы это простейшие электронные приборы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы), выполняющие различные функции, печатаются на кремниевой подложке с использованием точно дозируемых химических примесей, газов и ультрафиолетового облучения, образуют трёхмерную структуру из более двадцати слоёв, сложным образом соединённых между собой.

Кремниевая подложка пластина из химически чистого кремния, подвергнутая тончайшей обработке. С подложки начинается изготовление микросхемы.

Корпус предохраняет кремниевый кристалл микропроцессора от внешних механических воздействий. Корпус современных микропроцессоров имеет металлическую крышку - интегрированный теплорассеиватель IHS (Integrated Heat Spreader), соприкасающийся с поверхностью кристалла процессора. Теплорассеиватель представляет собой медную пластину толщиной около 2 мм, покрытую тонким слоем никеля. Это улучшает теплообмен процессора с системой охлаждения и обеспечивает механическую защищенность процессорного кристалла при продольных нагрузках.

tОсновные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой;

2) разрядностью;

3) архитектурой.

tТактовая частота микропроцессора

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором.

Тактовый генераторвырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Работа всех устройств микропроцессора синхронизируется благодаря электрическим импульсам тактовой частоты. Тактовая частота задается кварцевым генератором - одним из блоков, расположенных на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностью и лежит в мега или гигагерцовом диапазоне. Один герц - один импульс, один мегагерц - один миллион импульсов, один гигагерц - тысяча мегагерц. За время каждого такта микропроцессор выполняет одну элементарную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор и выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией производителем.

tРазрядность микропроцессора

Разрядность – максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

1. m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

2. n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

3. k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

tАрхитектура микропроцессора

Архитектура микропроцессора – принцип его внутренней организации, общая структура, конкретная логическая структура отдельных устройств.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия:

· Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

· Макроархитектура микропроцессора - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.