127. Структурная схема эвм и процессоров Intel

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.

Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис.1

Рис. 1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

Устройство ввода (УВв) предназначено для ввода в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект — файл.

Файл — это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ.

Цепи сигналов управления показаны на рис. 1. штриховыми линиями.

Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

АЛУ каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.

Отдельные признаки результатов r (r=0, r<0, r>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации.

Центральный процессор ЭВМ

Микропроцессор (МП), или central processing unit (CPU) — функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- вычисление адресов команд и операндов;

- выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

- выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);

- прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

- обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;

- выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

- переход к следующей команде.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

- разрядность;

- рабочая тактовая частота;

- размер кэш-памяти;

- состав инструкций;

- конструктив;

- рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, ибо каждая команда выполняется за определенное количество тактов.Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины материнской платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

- L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП486 и у МП 386SLC);

- L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций — перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит даже классификационная группа МП (CISC, RISC,VLIM и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут выполняться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП 386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив определяет те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее(ие) напряжение(ия) также определяет пригодность материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Физическая структура микропроцессора достаточно сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий модуль и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся:

- блок плавающей точки,

- модуль предсказания ветвлений,

- модуль преобразования CISC инструкций во внутренний RISC микрокод,

- регистры микропроцессорной памяти (в МП типа VLIW до 256 регистров),

- регистры кэш-памяти 1-го уровня (отдельно для данных и инструкций),

- шинный интерфейс и многое другое.

В состав микропроцессора Pentium обычно входят следующие физические компоненты:

1. ядро МП;

2. исполняющий модуль;

3. АЛУ для операций с целыми числами (с фиксированной запятой);

4. регистры;

5. блок для работы с числами с плавающей запятой;

6. кэш первого уровня, в том числе кэш данных (Data Cache)

7. кэш команд (Code Cache);

8. блоки декодирования инструкций и предсказания ветвлений;

9. интерфейсные шины, в том числе 64-битная (64-bit Bus) и 32-битная (32-bit Bus) шины, и выход на системную шину к оперативной памяти (То RAM).

Функционально МП можно разделить на две части:

1. операционную, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров);

2. интерфейсную, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты работы машины; схемы управления шиной и портами.

Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды.

Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.