Структурная схема ЦП. Назначение и функционирование узлов ЦП.

Структурная схема ЭВМ. Функции отдельных блоков.

ЭВМ или просто ВМ- это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для обработки информации.

Архитектура Фон-Неймана - классическая архитектура ЭВМ:

На данной схеме присутствуют:

• АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде, т. е. обеспечивает выполнение процедур по обработке данных;

• УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;

• ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных; ОЗУ - энергозависимое оперативное запоминающее устройство. ПЗУ - постоянное запоминающее устройство.

• УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером;

• внутренние связи предназначены для обмена информацией между устройствами компьютера, они реализуются с помощью линий связей (электрических проводников), тонкими стрелками показаны линии, по которым передаются команды, а толстыми – данные.

Структуры ВМ.

Существует два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ. В ней между взаимодействующими устройствами имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей. У фон-неймановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью. Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :

• АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;

• применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;

• вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии: шину данных, шину адреса, шину управления.

МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.

http://www.radioland.net.ua/contentid-288-page1.html

( Внутри системного блока на материнской плате компьютера имеется микросхема под названием BIOS, питание на которую подается от батарейки установленной там же. Эта микросхема «помнит» текущую дату, время и многие настройки компьютера.

После включения компьютера стартует программа-тест POST (Power On Self Test), зашитая в микросхеме BIOS. Процедура самотестирования POST проверяет конфигурацию технических средств (процессор, память, ресурсы ввода/вывода, ... ), их готовность.

После успешного завершения процедуры POST, компьютер переходит к процессу загрузки операционной системы в оперативную память .

В итоге на экране появляется рабочий стол, а мы говорим - компьютер загрузился.

http://www.informatika.edusite.ru/lezione8_14.htm )

Структурная схема ЦП. Назначение и функционирование узлов ЦП.

Центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) — процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс.

ЦП является ядром ЭВМ и выполняет следующие основные функции: выборку из оперативной памяти, дешифрацию и выполнение команд программы, организует обращения к различным видам памяти, формирует процедуры ввода-вывода, инициирует работу внешних запоминающих устройств и периферийных устройств, воспринимает, и обрабатывает запросы прерываний от устройств машины и взаимодействующих с ней, осуществляет контроль и диагностику ЭВМ.

В логический состав ЦП входят:

• устройство управления (УУ) — блок управления. Управляет работой всех устройств по заданной программе
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - вычислительный инструмент процессора.
• регистры общего назначения, РОН – внутренняя память процессора. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты.

Все узлы процессора соединены с внутренней шиной.

Структурная схема процессора:

Устройство управления:

• Счетчик команд (СК - IP - Instruction Pointer) — регистр, содержащий адрес-смещение следующей команды, подлежащей исполнению, относительно кодового сегмента CS.
• Регистр команд (PK - IR - Instruction register) — служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора. Только с момента загрузки команды в РК она становится «видимой» для процессора. В РК команда хранится в течение всего времени ее выполнения. Любая команда содержит два поля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоятельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регистров – регистра кода операции (РКОп) и регистра адреса (РА), в которых хранятся соответствующие составляющие команды. Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции всегда находится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым.
• Регистр адреса памяти(РАП) предназначен для хранения адреса ячейки основной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячейкой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии ОП и прочих устройств машины.
• Регистр данных памяти(РДП) при чтении содержит содержимое ячейки ОП, а при записи информацию, подлежащую сохранению в ячейку ОП.
• Дешифратор кода операции (ДКОп) преобразует код операции в форму, требуемую для работы микропрограммного автомата (МПА). Информация после декодирования определяет последующие действия МПА, а ее вид зависит от организации МПА. Часто код операции преобразуется в адрес первой команды микропрограммы, реализующей указанную в команде операцию. С этих позиций ДКОп правильнее было бы назвать не дешифратором, а преобразователем кодов.
• Микропрограммный автомат (МПА) - центральный узел устройства управления. МПА формирует последовательность сигналов управления, в соответствии с которыми производятся все действия, необходимые для выборки из памяти и выполнения команд. Исходной информацией для МПА служат: декодированный код операции, состояние признаков (флагов), характеризующих результат предшествующих вычислений, а также внешние запросы на прерывание текущей программы и переход на программу обслуживания прерывания.

Арифметико-логическое устройство:

• Операционный блок (ОПБ) представляет собой ту часть АЛУ, которая выполняет арифметические и логические операции над поданными на вход операндами. Выбор конкретной операции из возможного списка операций для данного ОПБ определяется кодом операции команды. В реальных машинах КОп зачастую преобразуется в МПА в иную форму и уже из микропрограммного автомата поступает в АЛУ. Операционные блоки современных АЛУ строятся как комбинационные схемы, то есть они не обладают внутренней памятью и до момента сохранения результата операнды должны присутствовать на входе блока.
• Регистры операндов.Регистры РХ и РY обеспечивают сохранение операндов на входе операционного блока вплоть до получения результата операции и его записи.
• Регистр признаков (РПрз - FLAGS) предназначен для фиксации и хранения признаков (флагов), характеризующих результат последней выполненной арифметической или логической операции. Такие признаки могут информировать о равенстве результата нулю, о знаке результата, о возникновении переноса из старшего разряда, переполнении разрядной сетки и т.д. Содержимое РПрз обычно используется устройством управления для реализации условных переходов по результатам операций АЛУ. Под каждый из возможных признаков отводится один разряд РПрз. Формирование признаков осуществляется блоком формирования состояний регистра признаков, который может входить в состав ОПБ либо реализуется в виде внешней схемы, располагаемой между операционным блоком и РПрз.
• Аккумулятор (Акк) – это регистр, на который возлагаются самые разнообразные функции. Так, в него предварительно загружается один из операндов, участвующих в арифметической или логической операции. В Акк может храниться результат предыдущей команды и в него же заносится результат очередной операции. Через Акк зачастую производятся операции ввода и вывода. Строго говоря, аккумулятор в равной мере можно отнести как к АЛУ, так и к УУ, а в ВМ с регистровой архитектурой его можно рассматривать как один из регистров общего назначения.