Типы и характеристики процессоров. Устройства, входящие в состав процессора: описание, функции

Основные функции и состав процессора.

На процессор возлагается выпол-нение операций, предусмотренных его системой команд.

При выполнении программы центральный процессор микропроцессорной си-стемы обеспечивает выполнение всех функций, предусмотренных программной. К ним относится:

● формирование адреса команд или данных , хранящихся оперативной памяти;

● выборка команд из памяти и их дешифрация ;

● прием данных из оперативной памяти , выполнение над ними арифметиче-ских, логических и других операций, определяемых кодом команды, и пере-дача обработанных данных во внешние устройства или память;

● формирование сигналов состояния , управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;

● временное хранение результатов выполненных операций , адресов, формиру-емых сигналов состояния и других данных;

● прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.

Для выполнения перечисленных функций процессор должен располагать не-обходимым набором аппаратных средств. Основными функциональными блоками процессора являются (рис. 2.2.1):

● блок арифметическо–логических операций , выполняющий обработку поступа-ющих данных. Перечень выполняемых операций зависит от типа микропро-цессора. В большинстве процессоров выполняются следующие операции: арифметическое сложение и вычитание; логические операции ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ; операции инкремента и декремента; логические и арифметические сдвиги вправо и влево. Что касается операций умножения и деле-ния, то в 8–разрядных процессорах они выполняются программным способом, в 16–разрядных процессорах для их реализации предусмотрены специальные команды. Блок арифметическо–логических операций строится на основе двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для вре-менного хранения операндов и регистров–сдвигателей, комбинационных схем для выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других функциональных узлов;

● блок обработки команд , предназначенный для приема и декодирования ко-манд, а также для формирования сигналов управления узлами обработки денных;

● блок формирования адресов , обеспечивающий адресацию к внешней памяти и внешним устройствам. Его основными узлами являются программный счет-чик, указатель стека, инкрементор–декрементор, адресный регистр;

● блок регистров , выполняющих функции сверхоперативной внутренней памя-ти, функции временного хранения операндов и др.;

● блок синхронизации и управления , координирующий работу всех узлов процессора;

● внутренняя шина , которая используется для связи между отдельными блоками и узлами процессора. В общем случае она включает в себя шины для пе-редачи данных, адреса и управляющих сигналов.

В качестве примеров рассмотрим структурно–функциональную организацию 8– и 16–разрядных процессоров.

Восьмиразрядный процессор. Для описания основных узлов 8–разрядного процессора воспользуемся рис. 2.2.2, на котором изображена структурная схема процессора 8080 (КР580ВМ80А).

Арифметическо–логическое устройство (АЛУ) позволяет выпол-нить следующие операции над 8–разрядными операндами:

● арифметическое сложение двух операндов с передачей переноса в старший разряд (и без него) и вычитание с передачей заема в младший разряд (и без него);

● логическое сложение, умножение, исключающее ИЛИ и сравнение;

● четыре вида циклических сдвигов;

● арифметические операции над десятичными числами.

При выполнении операций один из операндов поступает в АЛУ через аккуму-лятор А и дополнительный регистр 1, другой операнд - через дополнительный регистр 2. Циклические сдвиги выполняются только над содержимым аккумулято-ра А. В аккумулятор также помещаются результаты выполненных в АЛУ операций.

Блок десятичной коррекции. При суммировании десятичных чисел может потребоваться коррекция результата, для выполнения которой в микро-процессоре предусмотрен блок десятичной коррекции. При сложении каждый разряд десятичного числа (цифра) представляется четырехразрядным двоичным кодом (полубайтом, тетрадой), например, кодом 8421. Сложение полубайтов про-исходит по правилам двоичной арифметики. Если сумма больше 9, то возникает необходимость в проведении коррекции. Коррекция осуществляется дополни-тельным прибавлением двоичного числа 0110 (6) к полученному результату. Это обусловлено тем, что вес пятого разряда двоичного числа составляет 16 деся-тичных единиц, а вес старшего разряда десятичного числа - 10, т.е. разность равна 6. Если при сложении получен результат 10... 15, то прибавление числа 6 (0110) 2 приведет к появлению 1 в пятом разряде полубайта. Этот разряд «ухо-дит» в старший полубайт и забирает с собой «добавку» (6), оставляя правильный результат. В том случае, когда результат 16... 18, в пятом разряде появляется еди-ница, значение которой (до переноса) соответствует 16 в десятичном исчисле-нии. После переноса единицы пятого разряда в старший полубайт ее значение становится равным 10. Таким образом, перенос сопровождается уменьшением результата на 6 десятичных единиц, что также требует проведения его коррекции. Принцип коррекции иллюстрируется на двух приведенных примерах.

Неправильный результат обнаруживается по наличию единиц в двух старших разрядах (3–й и 2–й), в третьем и первом или по наличию переноса в следующую тетраду.

Регистр признаков . АЛУ непосредственно связано с 5–разрядным реги-стром признаков (флагов), в котором фиксируется результат выполнения некото-рых арифметических и логических операций. Регистр содержит пять триггеров:

● триггер переноса , вырабатывающий сигнал С = 1, если при выполнении опе-раций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда;

● триггер дополнительного переноса , вырабатывающий сигнал V = 1, если при выполнении операции с двоично–десятичными кодами появляется единица из третьего разряда (старшего разряда младшего полубайта);

● триггер нуля , вырабатывающий сигнал Z = 1, если результат операции равен нулю;

● триггер знака , вырабатывающий сигнал

S = 1, если значение старшего раз-ряда операнда (в дополнительном коде) равно единице, т. е. результат опера-ции - отрицательное число;

● триггер четности, вырабатывающий сигнал Р = 1, если результат операции содержит четное число единиц.

Указанные триггеры обеспечивают выполнение в программе условных пере-ходов. Например, если результат выполнения предыдущей операции равен нулю, то триггер нуля устанавливается в единичное состояние (

Z = 1), и условие пере-хода в другую часть программы окажется выполненным. Распределение разрядов регистра признаков условий в байте при передаче по шине данных следующее:

Регистры . Доступ к регистрам, в том числе к счетчику команд и указателю стека, осуществляется через мультиплексоры с помощью селектора регистров.

Регистры общего назначения (РОН) играют роль аккумуляторов, когда в них содержатся обрабатываемые данные, либо указателей, когда в них хранятся ад-реса операндов. Регистры В, С,

L могут быть использованы в программе как отдельные 8–разрядные регистры или как 16–разрядные регистровые пары ВС,

HL. Название пары В,

D, Н всегда соответствует названию первого ре-гистра пары, в котором хранится старший байт 16–разрядного числа. 16–разряд-ный регистр Н служит адресным регистром: при косвенной регистровой адреса-ции он хранит исполнительный адрес, поступающий из основной памяти.

Регистры

Z не являются программно доступными и используются для вы-полнения команд внутри микропроцессора. В них хранятся второй и третий байт команды.

Обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами осуществляется через двунаправленный буферный регистр, а адресация к памя-ти и внешним устройствам - через 16–разрядный регистр адреса. Особенность буферного и адресного регистров состоит в том, что кроме состояния логическо-го нуля и единицы в них предусмотрено третье состояние, в котором выходное регистров бесконечно велико. В этом состоянии микропроцессора внешними устройствами осуществляется прямой доступ к памяти.

Указатель команд , или программный счетчик (

PC). Счетчик указывает адрес, где находится в памяти очередной байт команды (для команд используются 3–байтовые форматы). Байты команд обычно выбираются в порядке нарастания их адресов. Поэтому после выборки каждого очередного байта схема инкремента–декремента увеличивает содержимое программного счетчика на единицу. Перед началом выборки какой–нибудь команды в счетчик заносится адрес ее первого байта. В процессе выбора 3–байтной команды содер-жимое счетчика увеличивается трижды. Обычный порядок следования адресов может быть изменен. Для этого в счетчике предусмотрена возможность записи начального адреса той части программы, именуемой подпрограммой, которая должна выполниться.

Указатель стека (

SP) представляет собой 16–разрядный регистр, предназначенный для быстрой адресации особого вида памяти, и именуемой стеком. Стековая память используется при обслуживании прерываний и характеризуется тем, что из нее первыми выбираются данные, которые поступили последними.

В стек заносится адрес возврата к прерванной программе на время обработки микропроцессором подпрограммы, содержимое аккумулятора, регистра при-знаков.

Блок управления. Первый байт исполняемой команды записывается в регистр команд. В дешифраторе команд формируются сигналы, под действием которых в устройстве управления запускается микропрограмма для выполнения требуемой операции. Микропрограммы операций, определяемых набором ко-манд микропроцессора, «зашиты» в управляющую память. На входы устройства управления поступают:

● две неперекрывающиеся последовательности тактовых импульсов (Ф1, Ф2) с периодом Т;

● сигнал готовности (

READY) внешних устройств и памяти к обмену информаци-ей с микропроцессором;

● сигнал запроса от внешних устройств на прерывание (

INT) выполнения ос-новной программы и переход на выполнение подпрограмм обслуживания прерывания;

● сигнал запроса от внешних устройств на захват шин (

HOLD), как правило, для организации обмена информацией по каналу прямого доступа к памяти;

● сигнал сброса (

RESET), по которому происходит начальная установка микро-процессора.

С выхода устройства управления снимаются сигналы для управления внутрен-ними узлами (на рис. 2.2.3 эти связи не показаны) процессора и внешними уст-ройствами.

Для управления внешними устройствами вырабатываются:

● сигнал синхронизации (

SYNC), указывающий на начало каждого машинного цикла - промежутка времени, необходимого для одного обращения процес-сора к внешним устройствам или памяти;

● сигнал приема (

DBIN), указывающий на готовность процессора к приему данных;

● сигнал ожидания (

WAIT), указывающий на то, что процессор находится в со-стоянии ожидания;

● сигнал подтверждения захвата (

HLDA), подтверждающий, что шины находятся в высокоомном состоянии, и внешние устройства могут обращаться к памяти напрямую, минуя процессор;

● сигнал разрешения прерывания

(INTE), свидетельствующий о том, что триг-гер разрешения прерывания в блоке управления находится в состоянии логи-ческой единицы, при котором возможен прием сигналов запроса;

● сигнал ¯Выдача

0), указывающий на то, что процессор выдал информа-цию на шину данных для ее записи в память или передачи во внешние уст-ройства.

Интерфейс микропроцессора . Обмен информацией между узлами процессора осуществляется по 8–разрядной внутренней шине данных, а с внеш-ней 8–разрядной шиной данных ШД - через буферный регистр. Для адресации к памяти и внешним устройствам используются 16–разрядная шина адреса ША и регистр адреса.

Шестнадцатиразрядный микропроцессор.

Состав процессора. Струк-турная схема 16–разрядного процессора (8086) изображена на рис. 2.2.3.

Микропроцессор содержит:

● арифметическо–логическое устройство (АЛУ) со стандартным набором опе-раций;

● регистр флагов или регистр слова состояния , отражающий состояние про-цессора после выполнения каждой команды. Например, флаг

Z фиксирует ну-левой результат операции АЛУ;

● восемь 16–разрядных регистров общего назначения (РОН) , предназначенных для хранения адресов/данных: АХ (АН,

DL), СХ (СН,

CL), ВХ (ВН,

BL), BP, SP DI, SI;

● блок формирования адреса и управления шиной , обеспечивающий формиро-вание адреса путем суммирования содержимого одного из индексных реги-стров

(DI, SI) с адресом из памяти, временное мультиплексирование шины данных/адреса (ШД/А), автоматическое заполнение буфера очереди команд следующими командами. Блок формирования адреса и управления шиной со-держит буферный регистр, сумматор и логику управления шиной;

● регистр команд , предназначенный для приема команды из внешней памяти;

● устройство управления , обеспечивающее синхронизацию процессора, управ-ление машинными циклами и захватом шины, обслуживание запросов на пре-рывание от внешних устройств;

● буфер очереди команд , позволяющий хранить до шести байт принимаемой команды;

● четыре 16–разрядных сегментных регистра

(CS, SS, DS, ES)

И программный счетчик

(Instruction Pointer -

IP), принимающие участие в формировании адреса.

Назначение управляющих сигналов . Управляющие сигналы посту-пают по шине управления ШУ (рис. 2.2.3) микропроцессора (МП), который рабо-тает в двух режимах: минимальной и максимальной конфигурации. Сигналы, ис-пользуемые в обоих режимах:

Тактовые импульсы, предназначенные для синхронизации МП

Сброс МП в начальное состояние

Сигнал готовности ВУ, опрашиваемый МП в третьем такте каждого машинного цикла

Сигнал немаскируемых запросов

Сигнал маскируемых векторных запросов. Маской служит флаг разрешения прерывания

S6 А16...А19 - старшие разряды адресов при обращениях к памяти.

S3 - код сег-ментных регистров (00 -

CS, ВВ или прерывание; 11 -

S5 - сигнал для индицирования флага прерывания

IF; обновляется в начале каж-дого такта.

S7 ВНЕ# = 0 подается на старший Н–банк при обращениях к памяти.

S7- сигнал о состоянии процессора, где # - знак инверсии

RD# Чтение памяти и порта (в режиме минимальной конфигурации)

TEST# Вывод микросхемы, опрашиваемый командой

TEST = 1 - режим опроса через 5 тактов; при

0 - режим ожидания

MX# Переключение режимов минимальной/максимальной конфигурации

В режиме минимальной конфигурации (

MX = 1) МП вырабатывает следу-ющие управляющие сигналы:

Строб адреса при записи его во внешний буферный регистр

IO# Выбор обмена память/порт ВВ

DT/R# Выбор направления обмена или режима записи/чтения

Запись (по фронту) в память или порт ВВ

DEN# Разрешение передачи данных через шину данных

HLDA Сигналы запроса на захват шины и подтверждения захвата при прямом доступе к памяти

Сигналы для режима максимальной конфигурации

S0# Код состояния или типа цикла МП: 000 - подтверждение прерывания; 001 - чтение порта ВВ; 010 - запись в порт ВВ; 011 - останов; 100 - выборка команды; 101 - чтение памяти; 111 - пассивное состояние

QS0 Код состояния очереди: 00 - пассивное состояние (нет операции); 01 - очистка очереди; 10 - выборка первого байта команды; 11 - выборка следующего байта команды

Сигналы запроса на захват шины, разрешения захвата при прямом доступе к памя-ти и освобождения шины

При обозначении сигналов использован символ #, означающий инверсию,

т.е. А# = А.

Рассмотрим несколько подробнее организацию очереди команд и принцип формирования адресов с помощью сегментных регистров.

Организация очереди команд. при выполнении программы значительное время расходуется на выборку команд из памяти. Поэтому блок форми-рования адреса и управления шиной старается поддерживать заполненным буфер очереди команд, считывая из памяти последующие команды во время выполнения текущей команды, когда ШД/А остается свободной. После завершения теку-щей команды следующая команда считывается из буфера. Так как не требуется обращения к памяти, повышается быстродействие процессора. При выполнения команд условных и безусловных переходов, связанных с передачей управления другой ячейке памяти, происходит очистка буфера, после чего он начинает за-полняться вновь.

Принцип формирования адресов. Поставим задачу сформировать 20–разрядный адрес (

addr20), обеспечивающий доступ к 2 20 = 1М байт памяти, с помощью двух 16–разрядных регистров. Каждый из 16–разрядных регистров обеспечивает доступ к 2 16 ячейкам или к 64К байт памяти. Поэтому выделим в 1М байт памяти сегмент емкостью 64К байт с условием, чтобы младший разряд его шестнадцатеричного кода начального адреса был равен нулю, т. е. код адреса имел вид ХХХХ0

h, где X = 0 или 1,

h - обозначение 16–ричного кода (

hexadecimal). Один из регистров выберем в качестве селектора сегмента

(sel), другой - в ка-честве регистра смещения

(offset). Представим адрес в виде суммы

Из выражения следует, что путем изменения содержимого селектора (ХХХХ

h) и регистра смещения (

YYYYh) от 0000

FFFFh, можно получить 16 4 х16 4 комбина-ций адресов. Однако среди них имеются одинаковые коды. Общее число ячеек памяти с различными адресами составляет 2 20 – 2 4 + 2 16 .

На рис. 2.2.4, а показано, как можно обеспечить доступ к памяти с числом ячеек 2 20 (или емкостью 1

M байт при использовании однобайтных ячеек).

В качестве селектора, который можно рассматривать как указатель сегмента, в процессорах используются сегментные регистры (регистры кода

SS, данных

DS и дополнительный регистр

ES), а в качестве регистров смещения - регистры общего назначения (программный счетчик

IP, указатель стека

SP, указа-тель базы

BP и регистры автоинкрементной

SI и автодекрементной

DI адреса-ции). Возможны следующие пары регистров:

DI. На рис. 2.2.4, б показана в качестве примера реализация принципа адре-сации с использованием пары

О сопроцессорах. Для расширения функциональных возможностей и повы-шения производительности центрального процессора микропроцессорная систе-ма может содержать дополнительные процессоры, или сопроцессоры. Например, в первых поколениях компьютеров для расширения функций центрального про-цессора 80286 использовался сопроцессор 80287.

Сопроцессор 80287 предназначен для выполнения операций над числами с плавающей точкой (запятой), которые потребовали бы от основного процессора больших затрат машинного времени. Поэтому такой сопроцессор называют чис-ловым процессором, процессором для обработки числовых данных, процессором

Processor) или математическим сопроцессором. Сопроцессор выполняет такие сложные операции, как деление длинных операндов, вычисле-ние тригонометрических функций, извлечение квадратного корня и нахождение логарифма в 10–100 раз быстрее основного процессора. Точность результатов расчетов значительно выше точности, обеспечиваемой вычислительными моду-лями, входящими в состав самих процессоров. Выигрыш реализуется только при выполнении программ, написанных с учетом на совместное использование со-процессора с основным процессором. При совместной работе операции сложе-ния, вычитания и умножения выполняются основным процессором и не переда-ются сопроцессору.

Сопроцессор имеет собственную систему команд (инструкций), которая от-личается от системы команд процессора. Выполняемая программа должна сама определять наличие сопроцессора и после этого использовать написанные для него инструкции. Большинство программ, рассчитанных на использование сопро-цессоров, обнаруживают его присутствие и используют предоставляемые возможности.

Наиболее эффективно сопроцессоры используются в программах со сложны-ми математическими расчетами: в электронных таблицах, базах данных, стати-стических программах и системах автоматизированного проектирования. При ра-боте с текстовыми редакторами сопроцессор не используется.

В процессорах 80486 и более поздних моделях используются встроенные со-процессоры. Они выполняются в виде устройства с плавающей точкой (

FPU), входящего в состав процессора, и располагаются на том же кристалле. Инструкции над числами с плавающей точкой входят в систему ко-манд процессора.

Внутренние ресурсы процессора. К ним относятся:

● типы данных , которые процессор способен распознавать и обрабатывать, т. е. выполнять над ними различные действия и операции;

● программно–доступные регистры , предназначенные для хранения данных и адресов в процессе выполнения программы;

● режимы адресации (

Mode), или реализуемые процессором способы адресации. Под способом адресации будем понимать меток определения или вычисления так называемого эффективного адреса (

Address - ЕА), обеспечивающего доступ к операндам или передачу управления. Внутренние ресурсы встроены в процессор и отражены в его системе команд и поэтому используются не только при программировании прикладных задач, но и при непосредственном исполнении программы.

Архитектура процессоров предоставляет наиболее часто требуемые типы дан-ных, регистры и режимы адресации. Каждый процессор поддерживает несколько типов данных, режимов адресации и содержит определенный набор внутренних регистров.

Разнообразие, доступность и умелое использование ресурсов способствует повышению производительности системы. Недостающие или отсутствующие ре-сурсы допускают программное моделирование, но снижают производительность.

Для разработки системной программы используются жестко связанные с ар-хитектурой процессора системные ресурсы, к которым относят адреса памяти и ввода/вывода, запросы прерываний и каналы прямого доступа к памяти. Они обеспечивают управление виртуальной памятью, мультизадачностью и сред-ствами защиты. Системные ресурсы образуют основу возможностей защищенного режима.

Сегодня в домах подавляющего большинства жителей развитых стран есть по несколько компьютеров, а также планшетов и других мобильных устройств. «Сердцем» любого из них является процессор (ЦП или CPU). Он имеет сложное строение. Чтобы понять, как работает ПК, следует узнать, что входит в состав процессора.

Назначение и функции

Прежде чем изучать устройства, входящие в состав процессора, следует узнать, для чего он предназначен. Итак, процессор — центральное устройство ПК. Его назначение — это:

управлять работой ЭВМ, следуя заданной программе;
выполнять операции обработки информации.

Устройства, входящие в состав процессора

На данный момент ЦП представляет собой специальную интегральную микросхему.

Устройства, входящие в состав процессора, - это:

регистр;
кэш-память;
шины данных и адресов;
АЛУ (арифметико-логическое устройство);
математический сопроцессор.

Регистр

Это блок ячеек памяти, которые образуют сверхбыструю оперативную память внутри ЦП. Он используется им самим и недоступен программистам. Объем памяти составляет всего несколько сотен байт.

Регистры ЦП делятся на 2 типа: общего назначения и специальные.

Регистры 1-го типа используются, когда выполняются и арифметического типа или операции таких дополнительных наборов инструкций, как SSE, MMX и пр.

В регистрах второго типа содержатся системные данные, требующиеся для работы процессора. К ним относятся регистры управления, системных адресов, отладки и пр. Доступ к ним жестко регламентирован.

Кроме того, к таким устройствам относится счетчик команд, содержащий адрес команды, к выполнению которой ЦП приступит на следующем такте работы.

Кэш-память

Устройства, входящие в состав процессора, достаточно разнообразны. К ним относится и кэш. Он представляет собой сверхоперативную память. Цель ее использования — ускорить работу ПК. Для этого при доступе ЦП в память прежде всего производится проверка, хранятся ли в кэш запрашиваемые данные. С этой целью сравнивают адрес поступившего запроса со значениями всех тегов кэша, где могут храниться эти данные. Совпадения кэш-линии с тегом называется попаданием (cache hit). В обратном же случае фиксируется кэш-промах. Cache hit позволяет процессору незамедлительно произвести чтение либо осуществить запись данных в линии с совпавшим тегом. Мерой эффективности cache для выбранного алгоритма (программы) является отношение числа удавшихся обращений к кэшу к общему количеству запросов процессора к памяти, называемое рейтингом попаданий.

ALU

Хотя некоторые устройства, входящие в состав процессора, имеют собственную память, АЛУ представляет собой специальную комбинационную схему без элементов собственной памяти. Ее предназначением является реализация важнейших операций процесса обработки данных:

принимает на 2 входа 2 операнда (содержимое 2 регистров и пр.);
формирует и выдает на выход результат операции.

Она заключается в выполнении набора простых арифметических операций (АО), подразделяемых на 3 основные категории: логические, арифметические и операции над битами. АО — это процедуры обработки данных (вычитание, сложение, умножение или деление), аргументы и результат которых представляют собой числа. Они отличаются от логических операций. Под ними понимаются процедуры, осуществляющие построение сложных высказываний (И, НЕ, ИЛИ).

Арифметико-логическое устройство состоит из регистров, элемента управления и сумматора с логическими схемами. Оно функционирует в соответствии с кодами операций, выполняемых над переменными, которые помещаются в регистры.

Шины данных и адресов

Эти устройства, входящие в состав процессора, представляют собой набор проводников. Первое из них предназначено для передачи адреса ячейки памяти, в которую пересылаются данные. По каждому из них передается 1 бит. Он соответствует 1 цифре в адресе. Увеличение числа проводников, используемых для формирования адреса, дает возможность маркировать большее количество ячеек. Разрядностью шины определяется максимальный объем памяти, который может быть адресуем процессором.

Если шину данных сравнить с автострадой и считать ее разрядность с количеством полос движения, тогда шина адреса ассоциируется с нумерацией улиц или домов. Число ее линий равно количеству цифр (знаков) в номере дома. Таким образом, если на конкретной улице номера домов состоят более чем из 2 десятичных цифр, то число расположенных на ней домов не может превышать 100 (т. е. 102). При 3-значных номерах число возможных адресов увеличивается до 103.

Шины адреса и данных являются независимыми, и разработчики микросхем сами выбирают их разрядность по своему усмотрению. В то же время чем в шине данных больше разрядов, тем их больше и в шине адреса. Их разрядность — показатель возможностей конкретного процессора. В частности, в шине данных ею определяется способность процессора в вопросе обмена информацией, а разрядность шины адреса указывает на объем памяти, с которым у нее есть возможность работать.

Математический сопроцессор

Продолжая рассматривать, что входит в состав процессора компьютера, нельзя не сказать несколько слов и об этом устройстве. Оно предназначено для расширения возможностей ЦП и обеспечения его функциональности посредством модуля так называемых операций с плавающей запятой, для процессоров, которые не имеют интегрированного модуля.

Математический сопроцессор не относится к числу обязательных элементов ПК, и от него можно отказаться. Раньше многие производители так и поступали, исходя из соображений экономии.

Однако при решении задач, требующих выполнения множества математических вычислений (при научных или инженерных расчетах), пришлось решать вопрос о повышении производительности ПК.

Если раньше модуль математического сопроцессора устанавливали на материнскую плату в качестве отдельного чипа, то в современных персональных компьютерах использование этого устройства в таком формате не требуется, так как оно изначально встроено в центральный процессор.

Другие устройства ПК

Персональный компьютер — это сложнейшая и слаженно работающая система.

Все возможные устройства, входящие в состав компьютера, перечислить в двух словах невозможно.

Кроме процессора, ПК включает в себя также:

материнскую плату с разъемом подключения ЦП;
накопители на жестком и ;
блок питания;
оперативную память;
накопители на компакт- и dvd-дисках;
разъемы (порты) для дополнительных устройств и пр.

Кроме того, используются различные периферические устройства, такие как:

компьютерная мышь;
клавиатура;
микрофон;
динамики и пр.

Теперь вы знаете, что все возможные устройства, входящие в состав компьютера, — это части сложной системы, управляемой процессором. Его роль трудно переоценить, так как от его нормального функционирования зависит работа ПК. На данный момент специалисты прогнозируют, что в ближайшие десятилетия материальная часть процессоров претерпит существенные изменения. Это связано с тем, что технологический процесс устареет, на смену привычным ПК придут квантовые, биологические и пр. компьютеры.

Системная плата

Системный блок компьютера

Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте.

Системный блок может иметь горизонтальную или вертикальную компоновку.

Системный блок – самый главный блок компьютера. К нему подключаются все остальные блоки, называемые внешними или периферийными устройствами.
В системном блоке находятся основные электронные компоненты компьютера.
ПК построен на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем), и почти все они находятся внутри системного блока, на специальных платах (плата - пластмассовая пластина, на которой закреплены и соединены между собой электронные компоненты - СБИСы, микросхемы и др.). На передней панели системного блока, как правило, находятся кнопка включения электропитания, кнопка перезагрузки.
На задней панели расположены разъемы для подключения внешних устройств.

В системном блоке размещаются:

ü блок питания - устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

ü системная плата (материнская плата);

ü магистраль (системная шина);

ü процессор;

ü звуковая карта;

ü видеокарта (графическая карта);

ü накопители на жёстких магнитных дисках;

ü накопители на гибких магнитных дисках;

ü оптические, магнитооптические и пр. накопители.

Системная (материнская, главная) плата является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.

Общая производительность системной платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами системной (материнской) платы.

Процессор - это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Процессор является основной микросхемой компьютера и представляет собой небольшую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 2Х2 см., на которой размещается десятки млн функциональных элементов. У компьютеров 4 поколения функции процессора выполняет микропроцессор – сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле площадью меньше 0,1 см².

На таком кристалле может размещаться до 5,5 млн. транзисторов. Эти элементы образуют сложную структуру и позволяют процессору производить обработку информации с очень высокой скоростью. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к материнской плате компьютера.

Назначение микропроцессора:

ü Выполнять команды программы, находящейся в оперативной памяти.

ü Координировать работу всех устройств компьютера.

В состав процессора обязательно входят:

ü устройство управления (координирует работу всех устройств компьютера);

ü арифметико-логическое устройство (выполняет команды программы, находящейся в оперативной памяти);

ü регистры памяти (ячейки, в которых по очереди помещаются команды программы, по которой работает процессор и вся необходимая информация для их выполнения);

ü шины данных, команд, адресов (по этим магистралям происходит обмен данными между внутренними устройствами процессора и внешними по отношению к нему).

Характеристики процессора:

1. Тактовая частота – скорость передачи информации между устройствами компьютера (измеряется в МГц и ГГц 1МГц=миллион тактов в секунду).

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду. Такт – это промежуток времени между двумя последовательными импульсами, подаваемыми специальной микросхемой – генератором тактовой частоты (вырабатывает электрические импульсы и посылает их по проводам от одного устройства к другому; чем быстрее идет электрический сигнал, тем быстрее процессор обрабатывает информацию). Повышение тактовой частоты происходит от одной модели процессора к другой. Например, первые модели процессоров Intel работали с тактовой частотой 8МГц, а современные – свыше 4 ГГц.

Системный блок – основная часть компьютера. Он состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены кабелями клавиатура, мышь и монитор. Внутри системного блока расположены:

· микропроцессор, который выполняет все поступающие команды, производит вычисления и управляет работой всех компонентов компьютера;

· оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

· системная шина, осуществляющая информационную связь между устройствами компьютера;

· материнская плата, на которой находятся микропроцессор, системная шина, оперативная память, коммуникационные разъемы, микросхемы управления различными компонентами компьютера, счётчик времени, системы индикации и защиты;

· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

· вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;

· устройства внешней памяти, к которым относятся накопители на гибких и жестких магнитных дисках, дисковод для компакт-дисков СD-ROM, предназначенные для длительного хранения информации.

Аппаратной основой системного блока является материнская плата - самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и с помощью системы прерываний взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате расположены все важнейшие микросхемы.

Персональные компьютеры делятся на стационарные и портативные . Стационарные обычно устанавливаются рабочем столе. Портативные компьютеры делятся на следующие категории:

1. переносные (portable), которые имеют небольшую массу и габариты и поддаются транспортировке одним человеком;

2. наколенные (laptop), выполненные в виде дипломата;

3. блокнотные (notebook), имеющие габариты большого блокнота;

4. карманные (pocket), которые помещаются в карман.

В соответствии с вышеприведенной классификацией, системные блоки могут иметь следующие типы корпусов:

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

Состав и характеристики центрального процессора

В состав центрального процессора входят:

- устройство управления (УУ) - организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

- Запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора (это внутренняя память процессора). Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

- Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относятся:

- Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

- Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и т. д. До 3ГГц Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, входящих в их состав. Ниже приведены названия наиболее массовых процессоров, выпущенных фирмой Intel и годы их создания: 8080 (1974 г.), 80286 (1982 г.), 80386DX (1985 г.), 80486DX (1989 г.), 80586 или Pentium (1993 г.), Pentium Pro (1995 г.), Pentium II (1997 г.), Pentium III (1999 г.), Pentium IV (2001 г.). Как видно, увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров лидирующее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron.

- Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

Для пользователей процессор интересен прежде всего своей системой команд и скоростью их выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор . Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.