16. Процессор, назначение, основные характеристики.

Центра́льный проце́ссор — электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

Главными характеристиками ЦПУ являются:

• тактовая частота,
• производительность,
• энергопотребление,
• нормы литографического процесса используемого при производстве (для микропроцессоров)
• архитектура.

Назначение процессора:

• Управлять работой ЭВМ по заданной программе;
• Выполнять операции обработки информации.

Для выполнения первой задачи в процессор входит управляющее устройство. Вычислительным инструментом процессора является арифметико-логическое устройство. Третьей составляющей процессора является регистровая память.

• В состав процессора входят:
• устройство управления;
• арифметико-логическое устройство;
• регистры процессорной памяти.

17. Внутренняя память: организация и основные характеристики, аппаратное исполнение.

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память.

Выделяют следующие виды внутренней памяти:

• оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM — Random Access Memory -память с произвольным доступом;
• кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти;
• постоянная память — BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM — Read Only Memory. Хранит:
• программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы;
• программы начала загрузки операционной системы;

• программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера;
• программу настройки конфигурации компьютера — Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM, запрос пароля при загрузке и т.д;
• полупостоянная память — CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т.к. питается от аккумулятора;
• видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

• построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
• быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
• небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

В компьютере имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в ПЗУ не меняется, — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.

27. Процессор. Назначение. Состав. Основные параметры, характеризующие процессор.

Центра́льный проце́ссор — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

История!Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор».

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках.

Процессор. Основные характеристики процессора

Микросхема, реализующая функции центрального процессора персонального компьютера, называется микропроцессором. Обязательными компонентами микропроцессора является арифметико – логическое устройство и блок управления.

Арифметико – логическое устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций, а устройство управления координирует работу всех компонентов и выполнение процессов, происходящих в компьютере.

Процессор компьютера предназначен для обработки информации. Каждый процессор имеет определенный набор базовых операций (команд), например, одной из таких операций является операция сложения двоичных чисел.

Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до 5 миллионов в процессоре Pentium II).

Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера.

Под тактом мы понимаем промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Тактовую частоту можно измерить и определить ее значение. Единица измерения частоты — МГц – миллион тактов в секунду.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность , является разрядность. В общем случае производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность. В настоящее время используются 18,16-, 32- и 64-разрядные процессоры, причем практически все современные программы рассчитаны на 32- и 64-разрядные процессоры.

Часто уточняют разрядность процессора и пишут, например, 16/20, что означает, что процессор имеет 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. максимальный объем оперативной памяти, который может быть установлен в компьютере.

В первом отечественном персональном компьютере «Агат» (1985 г.) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно его адресное пространство составляло 64 Кб. Современный процессор Pentium II имеет разрядность 64/32, т.е. его адресное пространство составляет 4 Гб.

Производительность процессора является интегральной характеристикой , которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ – это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д. Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия: 1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд); 2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды); 3) считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход). 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.

Этапы цикла выполнения:

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

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;

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

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;

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.

Центральный процессор – назначение, структура, основные характеристики

Центральный процессор (ЦП) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Два направления применения ЦП:

1. Используются в комплексе схемных элементов в виде микрокомпьютера, т.е. системы, собранной на одной или нескольких платах и содержащей собственно ЦП, оперативную память и модули ввода-вывода.

2. ЦП, представляя собой семейство больших интегральных схем, встраиваемых как интегральное целое в создаваемую систему по усмотрению инженеров-проэктировщиков.

По конструкции ЦП подразделяются на:

1. Однокристальные (вся логика размещается в 1 кристалле, они имеют постоянную разрядность и постоянный набор команд);

2. На процессорных элементах (разрядность и система команд может изменяться и определяться в процессе разработки применительно к той прикладной области, где будет использоваться данный ЦП).

Центральный процессор содержит: 1. арифметико-логическое устройство; 2. шины данных и шины адресов; 3. регистры; 4. счетчики команд; 5. кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт); 6. математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

2 Основных типа архитектуры:

1. CISC (complex instruction set computing) – архитектура с полным набором машинных команд;

2. RISC (reduced instruction set computing) – архитектура с упрощённым набором команд, для мощных рабочих станций.

Основные характеристики ЦП:

1. тип архитектуры или серия (CISC, RISC, Intel x86);

2. система поддерживаемых команд (х86, IA-32, IA 64);

3. расширения системы команд (ММХ – все х86 процессоры, SSE – Pentium 3, SSE2 – Pentium 4, 3Dnow! – процессоры AMD);

4. конструктивное исполнение (Slot 1, Slot 2, Slot А – модульная конструкция с дискретными схемами; Socket 340, Socket 478, Socket A – интегрированная в кристалл кэш-память 2го уровня);

5. тактовая частота (МГц, ГГц);

6. частота системной шины.

Расслоение центрального процессора, разновидности периферийных процессоров, мультизадачная и потоковая обработка

В рамках дальнейшего развития как большие компьютеры, так и самые первые микропроцессоры для персональных компьютеров (Intel 8086) использовали поточную (или многофункциональную) обработку, когда при выполнении очередной команды часть функциональных элементов ЦП одновременно проводит подготовку к выполнению следующей (загрузку из ОП и ее дешифровку). Дальнейшее расслоение ЦП связано с появлением процессоров ввода-вывода, арифметических процессоров (сопроцессоров), графических, криптографических процессоров и т.п.

Условно периферийные устройства можно разделить на основные, без которых работа компьютера практически невозможна, и прочие, которые подключаются при необходимости.

К основным относятся устройства управления курсором и отчасти модемы (для терминалов и бездисковых станций). Практически к ПК можно подключить любые устройства, которые могут вырабатывать электрические сигналы и/или ими управляться. Периферийные устройства подключаются к компьютеру через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров. Средством стыковки какого-либо устройства и какой-либо шины компьютера является адаптер и контроллер.

Периферийные устройства: связь с сотовым телефоном, аксессуары к ПК, колонки & наушники, игровые устройства, цифровая техника, CompactFlash.

Потоковая обработка — это обработка фото, видео звука и т.п. Обработка информации проходит в реальном времени, все операции проходят без задержек.

Расслоение центрального процессора: в нем находятся регистры – это основные действующие ячейки кэш памяти, обычно двухуровневая. Одна служит для выполнения быстрых операций по регистрам, она меньшего размера, но более быстродействующая, с ней связывается кэш память второго уровня, которая синхронизирует оперативную память, гораздо более медленную, с процессором.

При подготовке материала использовались источники:
https://studfile.net/preview/7664385/page:8/
https://studfile.net/preview/7622777/page:21/
https://studfile.net/preview/8619804/page:4/