Procesorul central (CPU) este un dispozitiv finalizat funcțional, controlat de program, executat pe unul sau mai multe VLSI-uri concepute pentru a efectua procesarea aritmetică și logică a informațiilor de control ale programului privind funcționarea dispozitivului. În computerele personale moderne ale diferitelor firme, se folosesc procesoare de două arhitecturi principale:
un sistem complet de comenzi de lungime variabila - Calculator complex de instructiuni (CISC);
un set redus de instrucțiuni cu o lungime fixă - calculatorul cu seturi de instrucțiuni reduse (RISC).
Procesorul permite executarea codului de program care este în memorie și direcționează funcționarea tuturor dispozitivelor de pe computer. Viteza de funcționare determină viteza calculatorului. Structurally, procesorul este un cristal siliconic de dimensiuni foarte mici. Procesorul are celule speciale, numite registre. Este în registre că sunt plasate comenzile care sunt executate de procesor, precum și datele pe care le operează comenzile. Lucrarea procesorului constă în alegerea din memorie într-o anumită secvență de comenzi și date și executarea acestora. Aceasta este baza pentru executarea programelor.
În PC trebuie să existe un procesor central (Unitatea centrală de procesare - CPU), care efectuează toate operațiunile de bază. De multe ori PC echipat cu coprocesoare suplimentare orientate performanță efectivă a funcțiilor specifice, cum ar fi un coprocesor matematic pentru procesarea datelor numerice în format punct, coprocesor grafic plutitoare pentru grafica de prelucrare, I / O coprocesor pentru efectuarea operațiunilor de interacțiune cu dispozitivele periferice.
Parametrii principali ai procesoarelor sunt:
· Coeficient de multiplicare internă a frecvenței ceasului,
· Dimensiunea memoriei cache.
Frecvența ceasului determină numărul de operații elementare (cicluri) pe care procesorul le efectuează pe unitate de timp. Frecvența ceasului procesoarelor moderne este măsurată în MHz (1 Hz corespunde unei operații pe secundă, 1 MHz = 10 6 Hz). Cu cât frecvența ceasului este mai mare, cu atât mai multe comenzi poate fi executate de un procesor și cu atât mai mult este performanța acestuia. Primii procesori utilizați în PC au lucrat la frecvența de 4.77 MHz, iar frecvențele de lucru ale procesoarelor moderne ating nivelul de 2 GHz (1 GHz = 10 3 MHz).
Dimensiunea procesorului arată câte biți de date poate primi și procesa în registrele sale pentru un ciclu de ceas. Dimensiunea procesorului este determinată de lățimea magistralei de comandă, adică numărul de conductori din magistrală, peste care sunt transmise comenzile. Procesoarele familiale Intel de familie sunt de 32 de biți.
Tensiunea de operare a procesorului este asigurată de placa de bază, astfel încât placile de bază diferite se întâlnesc cu plăci de bază diferite. procesor de tensiune de operare nu depășește 3 V. Reducerea tensiunii de operare permite procesoare pentru a reduce dimensiunea și de a reduce căldura în procesor, care permite creșterea capacității sale, fără pericol de supraîncălzire.
Coeficientul multiplicării interne a frecvenței ceasului este coeficientul prin care frecvența ceasului plăcii de bază trebuie multiplicată pentru a ajunge la frecvența procesorului. Procesorul recepționează semnalele ceasului de pe placa de bază, care, din motive pur fizice, nu pot funcționa la frecvențe atât de înalte ca procesorul. Pentru a obține frecvențe mai mari, procesorul se multiplică printr-o multiplicare internă cu un factor de 4, 4,5, 5 sau mai mare.
Întreaga gamă de procesoare Intel. instalat în computerele personale IBM. au o arhitectură CISC. dar procesoarele Motorola. utilizate de Apple pentru computerele personale, au arhitectura RISC. Ambele arhitecturi au avantaje și dezavantaje. Deci, procesoarele CISC au un set extins de comenzi (până la 400), din care programatorul poate alege comanda cea mai potrivită pentru el în acest caz. Dezavantajul acestei arhitecturi este acela că un set mare de comenzi complică dispozitivul de control intern al procesorului, mărește timpul de execuție a comenzii la nivelul microprogramului. Comenzile au o durată și un timp de execuție diferite.
Arhitectura RISC are un set limitat de comenzi și fiecare comandă este executată într-un singur ciclu de ceas al procesorului. Un număr mic de comenzi simplifică dispozitivul de control al procesorului. Un dezavantaj al arhitecturii RISC este că, dacă comanda necesară nu este prezentă în set, programatorul trebuie să o implementeze folosind mai multe comenzi din setul existent, mărind dimensiunea codului programului.
O schemă simplificată a procesorului, care reflectă principalele caracteristici ale arhitecturii micro-nivel, este prezentată în Fig. 5. Cel mai complex dispozitiv funcțional al procesorului este dispozitivul pentru controlul executării comenzilor. Conține:
Tampon de comandă. care stochează una sau mai multe comenzi de programe obișnuite; citește următoarele comenzi de la dispozitivul de stocare în timpul executării următoarei comenzi, reducând timpul de preluare din memorie;
Fig. 5. Arhitectura procesorului
· Controlul asupra unei alte micro-eșantion este un mic procesor, care funcționează pe principiul von Neumann, are microinstrucțiuni contramăsuri, care selectează automat următoarea microinstrucțiune din ROM-ul microinstrucțiunii;
· O memorie cu memorie micro-comandă (ROM) este un dispozitiv de memorie în care informația este înregistrată o singură dată și apoi poate fi citită; o caracteristică distinctivă a ROM-ului este că informațiile stocate în acesta sunt stocate atâta timp cât este necesar și nu necesită o tensiune constantă de alimentare.
Selectarea următoarei microcomandări se efectuează după un anumit interval de timp, care, la rândul său, depinde de timpul de execuție al microcomandării anterioare. Frecvența cu care micro-comenzile sunt prelevate se numește viteza ceasului procesorului. Frecvența ceasului este o caracteristică importantă a procesorului, deoarece determină viteza cu care procesorul execută comenzi și, în cele din urmă, viteza procesorului. Cu alte cuvinte, frecvența ceasului indică numărul de operații elementare efectuate de CPU pe secundă. O operație elementară este orice operație simplă a tipului de adăugare, redirecționare, comparare și așa mai departe.
Unitatea logică aritmetică (ALU) este destinată efectuării operațiilor aritmetice și logice ale transformării informației. Funcțional, UAV este alcătuită din mai multe registre speciale, scheme de control complet și de control local.
Parametrii principali ai procesoarelor sunt: tensiunea de lucru. bit capacitate. frecvența ceasului de lucru. coeficientul de multiplicare internă a frecvenței ceasului și dimensiunea memoriei de arhivă.
CPU tensiune de operare asigura placa de baza, astfel încât diferite mărci de procesoare corespund diferitelor placi de baza (acestea ar trebui să fie alese în comun). primele modele de procesoare x86 au o tensiune de lucru de 5 V. Cu trecerea la procesoare Intel Pentium este redus la 3,3 V, iar în prezent este mai mică de 3 V. Mai sus cu microprocesor întotdeauna ventilator (cooler) pentru răcire în timpul funcționării.
Dimensiunea procesorului arată câte biți de date poate primi și procesa în registrele sale la un moment dat (pe ceas) și este determinat de capacitatea acestor registre. Primele procesoare x86 au fost de 16 biți. Deoarece procesorul 80386 are o arhitectură pe 32 de biți. Procesoarele moderne ale familiei Intel Pentium rămân pe 32 de biți, deși lucrează cu un autobuz de date pe 64 biți.
Schimbul de date în interiorul procesorului are loc de câteva ori mai rapid decât schimbul cu alte dispozitive, de exemplu cu memoria RAM. Pentru a reduce numărul de accesuri la memoria principală, în interiorul procesorului este creată o zonă tampon - așa-numita memorie cache. Este ca o "memorie super-operativa". Când un procesor are nevoie de date, acesta accesează mai întâi memoria cache și numai dacă nu există date necesare acolo, este accesat în memoria RAM. Luând un bloc de date din memoria RAM, procesorul o introduce simultan în memoria cache. Procesoarele de înaltă performanță au o memorie cache crescută.
Luați în considerare arhitectura hardware a memoriei fizice și organizarea managementului acesteia, utilizând exemplul ultimelor generații de procesoare Intel Pentium. Pentru a controla memoria, în procesor este inclus un modul special de gestionare a memoriei sau, cu alte cuvinte, un controler de memorie (Controler de memorie). În acest context, schema de schimb de date într-un sistem informatic poate fi reprezentată așa cum se arată în Fig. 6. Această diagramă arată schimbul de date într-un sistem informatic utilizând un procesor Intel Pentium 4. Toate operațiunile de schimb de date cu dispozitive de pe partea procesorului sunt efectuate de controlerul de memorie.
Procesorul Intel Pentium 4 are două cache-uri de date, denumite L1 Cache și L2 Cache. Pentru platformele de servere au fost dezvoltate modificări ale procesoarelor care conțin și cache L3, implementate pe chips-uri separate de mare viteză cu un aranjament pe placa de bază și având o capacitate de unul sau mai multe MB. Să observăm o circumstanță importantă: procesoarele Intel Pentium 4 au, de asemenea, un nivel 1 de memorie cache a comenzilor de nivelul 1 (se numește Trace Cache), a cărui funcționare specifică diferă de caracteristicile cache-urilor de date.
Cache-ul de nivel 1 are o dimensiune foarte mică (8 KB), dar are o rată de eșantionare a datelor foarte mare, al doilea decât procesorul. Acesta este amplasat structural pe un singur cip cu un procesor. O cache de nivel 2 este numită uneori cache universal deoarece poate conține atât date, cât și comenzi. Cache-ul L2 are o dimensiune de 256KB și rulează de 3 ori mai lent decât cache-ul de nivel 1. Acesta este plasat pe un cip separat, dar în limitele procesorului.
Atunci când se schimbă date cu memoria RAM, cheia pentru funcționarea eficientă a programului este jucată de cache-ul de nivel 1, deoarece aproape toate datele aplicației care rulează trece prin ea și prin buffer-ele de scriere.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: