Регистры

Регистр — это цифровой узел, служащий для записи и хранения числа. Помимо хранения информации некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего (вправо) или старшего разряда (влево).

Основой регистров хранения служат одноступенчатые асинхронные RS-триггеры. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа.

Регистры сдвига предназначены для преобразования информации путем ее сдвига под действием тактовых импульсов. Они представляют собой совокупность соединенных триггеров, количество которых определяется разрядностью числа. По направлению сдвига информации различают регистры прямого сдвига (вправо, т.е. в сторону младшего разряда) и обратного, а также реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.

Наиболее широко распространены регистры сдвига, реализованные на D-триггерах. На рис. 18 приведен 4-х разрядный регистр сдвига, который позволяет хранить 4 двоичных разряда данных: А, В, С, D).

 

 

 

 

 

Рис. 18. 4-х разрядный последовательный регистр сдвига на D-триггерах

 

Работу устройства можно проследить по табл. 11. Первоначально производят очистку регистра, установив уровни логического 0 на его выходах А, B, C, D (строка 1).

До прихода первого тактового импульса выходы регистра остаются в состоянии 0000. После подачи первого тактового импульса на синхронизирующий вход С, индикатор покажет число 1000 (строка 3). Так как на входе тактового импульса логическая 1, то с информационного входа триггера ta она переносится на выход Q. Теперь при наличии логической 1 на информационном входе регистра эта единица с каждым тактовым импульсом вводится в разряд А, а введенные ранее единицы сдвигаются на одну позицию (разряд) вправо (тактовые импульсы 2 и 3, см. табл.11).

Точно также при подаче на информационный вход логического 0 этот нуль при каждом тактовом импульсе вводится в разряд А, а введенные ранее единицы и нули сдвигаются вправо (тактовые импульсы 4-8, см. табл.11).

Перед приходом тактового импульса 9 на информационном входе устанавливается 1, а перед приходом импульса 10 этот вход возвращается к 0. В результате во время действия тактовых импульсов 9-13 введенная в регистр (на импульсе 9) единица будет смещаться на индикаторе вправо.

Строка 15 (табл.11) показывает, что на импульсе 13 эта единица покидает крайний правый разряд регистра сдвига и теряется. (D-триггер – триггер с задержкой. Он передает информационный сигнал с входа D на выход Q с задержкой на один такт).

 

 

Работа 4-х разрядного регистра сдвига

Таблица 11

Входы	Выходы
Номер строки	Очистка	Данные	Номер тактового импульса	ta   A	tb   B	tc   C	td   D

 

Устройство, схема которого приведена на рис.18. называется последовательным регистром сдвига. Термин «последовательный» отражает тот факт, что в этот регистр данные вводятся поразрядно. Другой способ загрузки регистра называется параллельным, при котором все информационные биты (разряды) вводятся в регистр одновременно «по команде» одного тактового импульса.

В параллельном регистре на тактируемых D-триггерах (рис.19) код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в регистр, с приходом тактового импульса. Входная информация изменяется с подачей нового входного слова и приходом следующего импульса записи. Такие регистры используют в системах оперативной памяти. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов.

 

Рис.19. Параллельный регистр.

 

Счетчики

 

Практически каждая сложная цифровая система содержит несколько счетчиков, назначение которых - подсчет некоторых событий или временных интервалов в хронологической последовательности. Их можно использовать также для адресации, в качестве делителей и элементов памяти.

Счетчиком называют устройство, сигналы, на выходе которого отображают число импульсов, поступивших на счетный вход.

Цифровую схему, выполняющую функцию счета, можно собрать из триггеров.

 

 

Контрольные работы

Контрольная работа №1

Вариант 1

1. Выполнить действия по переводу чисел из одной системы счисления в другу:

0,48₁₀----------N₂ 673₈-------------------N₁₀

973₁₀-----------N₈ 101100001₂----------N₈

43,78₁₀---------N₁₆ 10101₂----------------N₁₀

2. Выполнить арифметические действия над числами в двоичной системе счисления

1001 + 1100 = 101 ´ 110 =

1110010 – 111010 = 10101: 11 =

3. Выполнить сложение в обратном и дополнительном кодах:

А = + 49₁₀ В = - 27₁₀

 

Вариант 2

1. Выполнить действия по переводу чисел из одной системы счисления в другую:

0,29₁₀----------N₈ 70,07₈-------------------N₁₀

875₁₀-----------N₁₆ 10001101100₂----------N₈

40,5₁₀---------N₂ 1010101₂----------------N₁₀

2. Выполнить арифметические действия над числами в двоичной системе счисления

111010 + 111000 = 11001 ´ 1101 =

1111100 – 10111 = 11001: 101 =

3. Выполнить сложение в обратном и дополнительном кодах:

А = + 77₁₀ В = - 33₁₀

 

 

Контрольная работа №2

Вариант 1

1. Составьте таблицу истинности для логического элемента И-НЕ

2. Запишите булево выражение для логического элемента И-НЕ с тремя входами.

3. Изобразите на схеме, как имея логический элемент И и инверторы, можно осуществить логическую функцию ИЛИ-НЕ

4. Как имея, логические элементы И с двумя входами каждый, получить логический элемент И с пятью входами? Покажите на схеме.

5. Используя логические элементы И, ИЛИ, НЕ, составьте логические схемы для булевого выражения (не С и B и A или С и не B и не А)

6. Приведите пример булевого выражения, записанного в форме дизъюнктивной нормальной функции (ДНФ)

 

Вариант 2

1. Составьте таблицу истинности для логического элемента ИЛИ-НЕ

2. Запишите булево выражение для логического элемента ИЛИ-НЕ с четырьмя входами.

3. Изобразите на схеме, как, имея логический элемент И-НЕ и инверторы, можно осуществить логическую функцию ИЛИ

4. Как, имея логические элементы ИЛИ с двумя входами каждый, получить логический элемент ИЛИ с тремя входами? Покажите на схеме.

5. Используя логические элементы И, ИЛИ, НЕ, составьте логические схемы для булевого выражения (А или B) и (не A или не B)

6. Приведите пример булевого выражения, записанного в форме конъюнктивной нормальной функции (КНФ)

 

Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программноеуправление. В его основе лежит положение о том, что алгоритм решения любой задачи может быть представлен в виде вычислений. Алгоритм ─ конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ ─ упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Следует отметить, что строгого однозначного определения алгоритма, а также однозначных методов его преобразования в программу вычислений не существует. Поэтому принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Джоном фон Нейманом в 1945году. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов ─ команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнд ─ переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результаты вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам (командам) и операндам используются их адреса, в качестве которых выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенные для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовые, текстовые, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы (размерность) данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют поля: знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) ─ 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации, с помощью которых вводятся в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация запоминается в ОЗУ, а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), где преобразуется в специальный программный объект ─ файл. Файл ─ это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылке и обработке. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в УУ.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико - логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов R (R=0, R<0, R>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты передаются на устройства вывода. Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 ─ 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда ─ это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (раньше УУ обслуживало не только вычислительные процессы. но и операции ввода-вывода, пересылок данных между запоминающими устройствами и др.) Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ).

Среди каналов ввода-вывода выделили мультиплексные каналы, способные обслуживать большое число медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, которые обслуживают в монопольном режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В ПЭВМ, относящихся к 4-му поколению, произошло дальнейшее изменение структуры. Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ЭВМ ─ процессор и основная (внутренняя) память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянно-запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначено для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ обеспечивается через соответствующие адаптеры ─ согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или котроллеры ─ специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер (измерение времени) и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) ─ устройство, которое обеспечивает доступ к оперативной памяти, минуя процессор.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения; магистральность; иерархия управления

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция делает ее открытой системой ─ можно подключить дополнительные устройства, улучшая технические и экономические показатели ЭВМ.

Основные достоинства модульного принципа построения технических средств ПЭВМ заключаются в следующем:

1) на этапе разработки возможна одновременная работа над различными модулями, что позволяет сокращать сроки проектирования; упрощать отладку и сопряжение модулей, конструирование, испытание, а также модернизацию как отдельных модулей, так и персональной ЭВМ (ПЭВМ) в целом;

2) на этапе производства достигается параллелизм изготовления модулей, что упрощает сборку и монтаж, снижает стоимость изготовления технических средств, благодаря широкой автоматизации производства;

3) при эксплуатации повышается надежность технических средств, облегчается их обслуживание.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на процессоры. Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей, работающих согласованно и параллельно. Появились специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более сильную. Это обеспечивается информационной, аппаратной и программной совместимостью. Программная совместимость ─ более ранние программы могут обрабатываться и в более поздних.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления центрального (главного) процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ. Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, контроллеры ввода-вывода) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структуре ПК появились: системная шина - для взаимодействия основных устройств; локальная шина - для ускорения обмена видеоданными; периферийная шина - для подключения «медленных» периферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем, например, по этому принципу строится система памяти ЭВМ. С точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Но одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу:

1. В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

2. Следующий уровень образует кэш -память или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных компьютерах она в свою очередь делится: на кэш первого уровня L1(Е_п=16─32 Кб с временем доступа 1-2 такта процессора); на кэш второго уровня L2 (Е_п=128-512 Кб, с временем доступа 3-5 тактов) и даже на кэш третьего уровня L3 (Е_п=2-4 Мбайт с временем доступа 8-10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных.

3. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость ─ миллионы машинных слов, время выборки -10-20 тактов процессора). Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в ПЗУ.

4. На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между запоминающими устройствами (ЗУ) различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователя. Например, компьютер может производить распечатку документов и принимать сообщения по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:

-ядро ЭВМ образует процессор – единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

-линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

-одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

-внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

-последовательное централизованное управление вычислениями;

-достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря, на достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности вычислительной техники. Наметился кризис:

-практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

-плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и пр.;

-несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

-примитивная организация памяти ЭВМ;

-низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, применяемого для подготовки и решения задач пользователя.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видео- информации, систем мультимедиа и др.), обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения.

Для преодоления сложности при общении с компьютером применяют подход − многоуровневая компьютерная организация. Большинство современных компьютеров состоит из нескольких уровней. Например, в современных машинах можно выделить следующие абстрактные уровни: уровень физических устройств, цифровой логический уровень, микроархитектурный уровень, уровень архитектуры команд, уровень операционной системы, уровень языка ассемблера, язык высокого уровня (см. табл.12).

 

Многоуровневая компьютерная организация современных машин

 

Таблица 12

Язык высокого уровня (Уровень 5)	Данный уровень предназначен для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.
Уровень языка ассемблера (Уровень 4)	С этим уровнем работают системные программисты, которые разрабатывают интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни.
Уровень операционной системы     (Уровень3)	Большинство команд этого уровня есть и на уровне архитектуры систем команд, однако данный уровень имеет дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие.
Уровень архитектуры системы команд (Уровень 2)	На этом уровне производителем ЭВМ в руководстве для компьютера описывается набор машинных команд для данного компьютера.
Микроархитектурный уровень   (Уровень 1)	На этом уровне совокупность регистров, например, 8 или 32 формируют локальную память и схему, называемую арифметико-логическое устройство (АЛУ). Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем: выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например, сложение, а результат помещается в один из этих регистров. В настоящее время тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением.
Цифровой логический уровень или аппаратное обеспечение компьютера   (Уровень 0)	На данном уровне объекты называются вентилями (крошечные электронные устройства), состоящими из аналоговых компонентов (транзисторов) и смоделированных как цифровые средства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов сигналы на которых представлены в виде 0 или 1. вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, например, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют один бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64 формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.

 

 

На уровне физических устройств (самый нижний уровень) находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. В таблице данный уровень не отображен (работа транзисторов рассматривается в физике).

 

Структура базового микропроцессора

Микропроцессор (МП) — обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процесса. Фундаментальным для понимания организации вычислительных машин (ВМ) является понятие процесса. Процесс (иногда говорят последовательный процесс) – это выполнение программы. Он по своей сути активен, т.е. способен производить действия. Процесс от программы отличает то, что последняя по существу пассивна, т.е. расположенная на носителе данных она не способна сама по себе производить никаких действий. Процесс проходит упорядоченную во времени последовательность состояний. Для выполнения программы (или для получения процесса) необходима работа вычислительной машины или процессора. Функция такого процессора состоит в переводе процесса из одного состояния в другое. Процесс имеет два важных свойства: 1) результат процесса не зависит от скорости его протекания; 2) при повторном выполнении процесса с теми же данными он проходит ту же последовательность состояний и дает тот же результат. Эти свойства отражают последовательную природу процесса.

При физическом представлении МП – большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Все современные микропроцессоры помещаются на одной микросхеме. Каждая микросхема содержит набор выводов, посредством которых происходит обмен информацией с внешним миром. Выводы МП можно подразделить на три типа: адресные, информационные и управляющие. Эти выводы связаны с соответствующими выводами на микросхемах памяти, устройств ввода-вывода через набор параллельных проводов (шину). Чтобы вызвать команду, микропроцессор сначала посылает в память адрес этой команды по адресным выводам. Затем он запускает одну или несколько линий управления, чтобы сообщить памяти, что ему нужно, например, прочитать слово. Память выдает ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы МП и посылая сигнал о том, что это сделано. Когда микропроцессор получает данный сигнал, он принимает слово и выполняет вызванную команду.

Число адресных выводов и число информационных выводов − два ключевых параметра, которые определяют производительность процессора. Микросхема, которая содержит m адресных выводов, может обратиться к 2^m ячейкам памяти. Обычно m равно 16, 32, или 64.

Микросхема, содержащая n информационных выводов, может считывать или записывать n-битное слово за одну операцию. Обычно n равно 8, 16, 32, 64. Кроме адресных и информационных МП содержит выводы управления, которые регулируют и синхронизируют поток данных от микропроцессора и к нему, а также выполняют другие функции. Все процессоры содержат выводы для питания (в настоящее время <3,3В); «земли» и синхронизирующего сигнала. Остальные выводы изменяются от процессора к процессору. На рис.20 приведены выводы типичного микропроцессора. Выводы управления можно разделить на несколько основных категорий: управление шиной; прерывание; арбитраж шины; состояние; разное.

Выводы управления шиной представляют собой выходы из центрального процессора в шину (и, следовательно, входы в микросхемы памяти и микросхемы устройств ввода-вывода). Они сообщают, что процессор хочет считать информацию из памяти, или записать информацию в память, или сообщают о какой-либо другой операции. Выводы прерывания − это входы из устройств ввода-вывода в процессор. Процессор может дать сигнал устройству ввода-вывода начать операцию, а затем приступить к какому-либо другому действию, пока устройство ввода-вывода выполняет свою работу. Когда устройство ввода-вывода заканчивает свою работу, контроллер ввода-вывода посылает сигнал на один из выводов прерывания, чтобы прервать работу процессора и заставить его обслуживать устройство ввода-вывода (например, проверять ошибки ввода-вывода). Некоторые процессоры имеют выходной выход, чтобы подтверждать получение сигнала прерывания.

 

 

 

 

Выводы разрешения конфликтов (арбитраж шины) используются для регулирования потока информации в шине (не допускают ситуации, когда два устройства пытаются воспользоваться шиной одновременно).

Некоторые центральные процессоры могут работать с различными сопроцессорами (например, с графическим процессором, процессором с плавающей точкой и т.п.). Для обеспечения обмена информацией между процессором и сопроцессором используются специальные выводы.

Дополнительные выводы, имеющиеся у некоторых процессорах, нужны, например, для выдачи или приема информации о состоянии, для перезагрузки компьютера или для обеспечения совместимости со старыми микросхемами устройств ввода-вывода.

 

Основные функции МП – выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллерами системной платы. В его функции входит выполнение программ, находящихся в основной памяти, путем выборки, проверки и последовательного выполнения составляющих их команд. Микропроцессор состоит из:

−устройства управления (УУ) −; осуществляет выборку команд из основной памяти и определение их типа;

−арифметико-логического устройства (АЛУ),которое осуществляет такие операции как, например, сложение (and) необходимое для выполнения команд;

−небольшая высокоскоростная память для запоминания промежуточных результатов и управляющей информации. Эта память состоит из ряда регистров, каждый из которых имеет определенное назначение. Наиболее важным регистром является счетчик команд, указывающий на команду, которую необходимо выполнить следующей. Как, правило, имеется регистр команд (IP), содержащий текущую выполняемую команду. Большинство ЭВМ имеет также другие регистры различного типа, некоторые из них доступны для использования программистам для хранения промежуточных результатов. Регистры служат основными носителями информации внутри процессора.

 

Характеристиками микропроцессора являются: 1) быстродействие МП, которое зависит от тактовой частоты микропроцессора; 2) архитектура МП, определяющая какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор, выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти МП.

 

Основными параметрами микропроцессора являются:

- рабочее напряжение. Его обеспечивает системная (материнская) плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные системные платы. Ранние модели процессоров 8086 имели напряжение равное 5В. С переходом к Intel Pentium напряжение понизилось до 3,3В. в настоящее время оно менее 3В (ядро процессора питается 2,2В). Понижение напряжения ведет к уменьшению расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Отсюда, пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, что позволяет увеличить производительность без угрозы перегрева;

- разрядность микропроцессора. Под разрядностью понимают какое количество бит данных может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт) МП. Первые процессоры были 16-ти разрядными. Начиная с 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру (могут работать с 64-разрядной шиной данных);

- рабочая тактовая частота. Чем выше тактовая частота, тем больше команд МП может исполнить в единицу времени, а, следовательно, тем выше его производительность. Первые процессоры работали на 4,77 Мгц, сегодня более 500Мгц (миллионов тактов в секунду). Тактовые импульсы задает одна из микросхем (генератор тактовых импульсов), расположенная на системной плате. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами как процессор. Её предел 100-133Мгц;

- размер кэш памяти. Чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – кэш память, как бы сверхоперативная память. Сначала МП обращается к кэш памяти, если в ней нет нужных данных, то тогда происходит обращение к ОЗУ. Принимая блок данных из ОЗУ, микропроцессор одновременно заносит его в кэш память.

Существует большое число разновидностей микропроцессоров, отличающихся назначением, функциональными возможностями, структурой и исполнением. Классификационные различия между ними:

− назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для ПЭВМ);

− количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8, 16, 32. 64-битовые и др.) — разрядность процессора;

− технология изготовления (0,5мкм - Pentium Pro (данный параметр характеризует минимально различимый размер компонентов интегральных схем); 0,35 (Pentium 2), 0,25(Celeron), 0,18 Pentium3 (частота 750 Мгц), 013, 0,07мкм)

Среди МП для серверов и мощных приложений прочное место завоевали RISC-процессоры (Reduce Instruction Set Computing) с сокращенной системой команд, которая содержит ограниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого упрощаются схемы управле