П.6.4. Процессор

Процессор – основная часть любого вычислительного устройства. Он может выполнять функции любого из логических элементов, сумматоров, счетчиков в их любой комбинации. Последовательность выполнения операций задается специально разработанными алгоритмами, внесенными в виде программ в регистр памяти. Для составления программ используются специальные языки программирования, реализующие численные методы интерпретации математических и логических функций. Функция универсальности и вычислительной возможности процессора определяется его структурой и составом. Существует большое количество вариантов в схемной реализации процессоров, учитывающих современное состояние микроэлектроники, сменность производства и уровень сложности решаемых задач. В процессе совершенствования элементной базы постоянно увеличивается количество разрядов в кодах чисел, с которыми способен работать процессор, уменьшается время на выполнение простейших операций типа сдвига или однотактного суммирования, уменьшаются геометрические параметры микросхем, на которых выполнен процессор. Это позволяет процессору решать сразу несколько сложных задач. Например, входные сигналы поступают с частотой 1000 Гц, а на выполнение с этими сигналами операций (сложение, деление, интегрирование, сравнение выделение и т.д.) требуется 1 млн. секунд. В данном случае процессор может работать только с одним источником сигналов. Если на эти операции тратится порядка 10 микросекунд, то к процессору можно подключить до 100 источников. На выходе процессор может выдавать либо приведенную к заданному виду информацию, либо какую-либо команду для дополнительных устройств.

В самом общем виде процессор (рис. П.6.11, а) содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), блок управляющих регистров (БУР) и блок связи с оперативной памятью. Основа АЛУ – набор элементарных ячеек, выполняющих операции суммирования, сдвига, логических функций и т.д. с возможностью осуществления между ними самых различных связей. АЛУ по командам из оперативной памяти (ОП) выполняет последовательность необходимых простейших операций. УУ координирует работу АЛУ со всеми другими устройствами и цепью выдерживания заданной последовательности операций, ввода информации, команд управления и выводов результатов. БУР временно хранит команды управления, которые необходимы для организации последовательности операций вычисления. Через него также проходят результаты операций в АЛУ. Блок связи с оперативной памятью (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с оперативной памятью. При этом он препятствует считыванию и записи в ОП несанкционированных по текущей вычислительной программе соображений.

а

б

Р и с. П.6.11. Упрощенная структурная схема процессора (а) и обозначение на схеме микропроцессора (б)

Процессор работает с различными типами устройств памяти – запоминающими устройствами (ЗУ). В ЗУ могут храниться числа, с которыми работает процессор, коды команд, определяющих характер такой работы. Запись или считывание из ЗУ называется обращением к ЗУ. Основные характеристики ЗУ – емкость и быстродействие. Постоянные ЗУ – ПЗУ – предназначены только для хранения и считывания информации, которая не изменится в процессе вычисления (константы, матрицы, базы данных, программы, таблицы функций, блоки программ и т.д.). Такие ПЗУ программируются (прошиваются), как правило, только один раз под конечное устройство.

Оперативные ЗУ (ОЗУ) хранят данные и программы текущих вычислений. В ОЗУ также хранятся коды программ, к которым оперативно переходят после выполнения предыдущей операции (при прерывании). ОЗУ обычно делятся на главную (кэш) память и вторичную (внешнюю) память. Вторичная память – более медленная и большего объема – представляет собой, как правило, жесткий магнитный диск, на котором кроме программного обеспечения хранятся базы данных.

Микропроцессор (МП) – функционально законченное устройство обработки информации на базе БИС, управляемое хранимой в памяти программой. По логическим функциям и структуре МП является упрощенным вариантом процессора. На схемах обозначается в соответствии с рис. П.6.11, б. К МП могут подключаться или вводиться в базовую БИС некоторые дополнительные устройства, расширяющие и улучшающие его функциональные возможности: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др. В частности, математический сопроцессор (МС) используется для ускоренного (в десятки и сотни раз) выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. МС имеет свою систему команд и работает под управлением основного МП.

На базе процессоров и микропроцессоров различной производительности и разрядности кодов создаются различные типы микроЭВМ (персональные и промышленные компьютеры, программируемые контроллеры и т.д.), оснащенные устройствами ввода и вывода информации, интерфейсом оператора и внешними ЗУ с учетом выполняемых функций.

Приложение 7