Архитектура процессоров. Последовательная архитектура

ПРОЦЕССОР

Процессор - обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процесса.

Любой процессор — это выращенный по специальной технологии крис­талл кремния (не зря на жаргоне процессор именуется «камнем»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов — транзис­торов, соединенных металлическими мостиками-контактами. Именно они и наделяют компьютер способностью вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразует­ся любая поступающая в компьютер информация.

С логической точки зрения процессор состоит из множества обрабатывающих информацию ячеек – регистров. Хранить такой регистр может от 1 до 8 байт (комбинация в 2 байта называется машинное слово). Однако не все регистры заняты обработкой данных. Часть из них содержат адреса (адресные и сегментные), другие занимаются самодиагностикой процессора. Информация передается по скоростным магистралям – шинам.

Все эти устройства размещаются на кристалле пло­щадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако кое-где уже переходят на медь).

На любом процессорном кристалле находятся:

· Ядро процессора, главное вычислительное устройство основными составляющими которого являются АЛУ и УУ. Именно здесь происходит обработка всех поступающих в процессор данных.

· Сопроцессор — дополнительных блок для самых сложных математичес­ких вычислений, в том числе операций с «плавающей точкой». Актив­но используется, в частности, при работе с графическими и мульти­медийными программами.

· Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для дан­ных. Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, (до 128 килобайт) кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру (2 Мб). Кэш 3-го уровня (от 2-6 Мбт)самая большая по объёму и довольно медленная, но всё же она гораздо быстрее, чем оперативная память. Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и Мейнфре́ймов

Архитектура процессоров. Последовательная архитектура

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. 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;

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

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.