Kort information om processorn. Vad är en processorsockel

Det mänskliga sinnet kan bedöma
om framtiden bara genom att tänka på det förflutna.
A. Ferran

Processorn är den viktigaste delen av en dator, så många företag är engagerade i produktion av processorer. De mest använda processorerna för närvarande är de som tillverkas av Intel (USA).

Genom design är alla processorer indelade i bit-modulär(sammansatt från flera mikrokretsar) och enda chip(tillverkas i form av ett chip, på ett substrat, på ett chip). Single-chip-processorer är för närvarande de mest utbredda.

Enligt metoden för att presentera kommandon (ibland kallade instruktioner) kan alla mikroprocessorer delas in i två grupper:

• CISC (Complex Instruction Set Computing) processorer med hela uppsättningen kommandon;
• Processorer av typen RISC (Reduced Instruction Set Computing) med en reducerad instruktionsuppsättning. Dessa processorer är inriktade på snabbt utförande litet set enkla kommandon. RISC-processorer är långsammare än CISC-processorer när de utför komplexa kommandon.

Observera att dessa två processorarkitekturer ständigt rör sig närmare varandra och väljer de bästa egenskaperna för var och en. Ändå anses RISC-arkitekturen vara mer lovande.

Termen "arkitektur" avser designen av processorn och det tillgängliga processorkommandosystemet (instruktionsuppsättning).

Den allra första processorn som släpptes av Intel 1971 var fyrabitars Intel 4004-processor (tabell 8.1).

1974 utvecklades den åttabitars Intel 8080-processorn (inhemsk analog till KR580VM80A), och 1978 utvecklades Intel 8086-processorn, som var kompatibel med Intel 8080-mikroprocessorn. Processorinstruktionssystemet bestod av 134 kommandon. IBM PC- och IBM PC/XT-datorer tillverkades baserade på 8086-mikroprocessorn och dess modifiering 8088.

Observera att i teknisk litteratur används termen "processor" ibland, och ibland termen "mikroprocessor". Skillnaden mellan dessa termer är att förtydliga tillverkningstekniken och dimensionerna på processorn.

En mikroprocessor (MP) tillverkas med hjälp av halvledarteknik och är placerad på en kristall, i en mikrokrets (kallas ibland ett chip).

Tabell 8.1.

Modell MP	Djup, bitar		Klockfrekvens, MHz	Antal kommandon	Antal transistorer, tusen	Utgivningsår
	Databussar	Adressbussar
4004	4	4	4,77	45	2,3	1971
8080	8	8	4,77		10	1974
8086	16	16	4,77 och 8	134	29	1978
8088	8, 16	20	4,77 och 8	134	70	1979
80286	16	24	10...33		130	1982
80386	32	32	25...50	240	275	1985
80486	32	32	33...100	240	1200	1989
Pentium	64	32	50...150	240	3100	1993
Pentium Pro	64	32	66...200	240	5500	1995
Pentium MMX	64	32	166	297	4500	1997
Pentium II	64	32	233		7500	1997
Pentium III	64	32	600		9500	1999
Pentium 4	64	32	1500		42000	2000
Pentium 4M					75000	2001

1980 tillkännagavs 8087 flyttals-samprocessorn, som utökade instruktionsuppsättningen för 8086-processorn med nästan 60 nya instruktioner.

En samprocessor är ett speciellt chip (assistent) som tar på sig några av de viktiga funktionerna hos processorn och som oftast utför aritmetiska operationer med flyttal.

Samprocessorn implementerar aritmetiska operationer i hårdvara, vilket är mycket snabbare jämfört med programmatiskt beräkningar där operationer implementeras av processorn utan att använda en samprocessor. Av denna anledning kallas det ibland en matematisk coprocessor.

Intel 80286-mikroprocessorn, utvecklad 1982, förbättrade designen av MP 8086 ytterligare. Minnesskydd implementerades, adressutrymmet utökades och flera kommandon lades till.

Observera att i många litterära källor, istället för det fullständiga namnet på processormärket, används deras förkortade namn. Till exempel, istället för Intel 80286 skriver de 286, och istället för Intel 80386 - 386. Ibland, för den allmänna beteckningen av processorer i 80286, 80386, 80486-serien, skriver de 80`86 (och till och med `86). Intels företagsnamn förkortas ibland till en bokstav, till exempel i80486.

Intel 80286-processorn kan köra program som är designade för Intel 8086-processorn Förmågan hos en senare processor att köra program som är designade för en tidigare processordesign kallas processorupp-kompatibilitet. Med andra ord, program utvecklade för tidigare processordesigner körs utan korrigeringar eller tillägg på nyare processordesigner.

Från och med MP 80286 stöder Intel-processorer ett läge för att utföra flera uppgifter - det så kallade multitasking-läget. När du arbetar i multitasking-läge växlar processorn från en uppgift till en annan, men i varje det här ögonblicket endast ett program servas åt gången.

För 80286-processorn tillverkades 80287-samprocessorn. Baserat på dessa chips, från och med 1984, producerade IBM personliga datorer IBM PC/AT.

1987 dök 80386-mikroprocessorn upp. Från och med denna processor använder alla processorer pipelined exekvering av kommandon - samtidig exekvering i olika delar av MP av flera kommandon sekventiellt skrivna i RAM. Pipelineexekvering av kommandon ökar datorns prestanda med 2-3 gånger.

MP 80386 kan fungera i två huvudlägen:

• verkligt adresseringsläge, som kännetecknas av det faktum att MP fungerar som en mycket snabb 8086-processor med 32-bitars bussar;
• skyddat virtuellt adresseringsläge, vilket kännetecknas av parallellt exekvering av flera uppgifter, som av flera 8086-processorer, en för varje uppgift.

80486-processorn utvecklades 1989 och innehåller mer än en miljon transistorer.

i486SX- och i486DX-processorerna är 32-bitarsprocessorer med en intern L1-cache på 8 KB. Huvudskillnaden mellan det ena och det andra är att i i486DX-processorn för första gången placeras samprocessorn på ett gemensamt substrat (på samma chip) med processorn. i486SX MP har ingen inbyggd samprocessor för att utföra flyttalsoperationer. Därför har den ett lägre pris och används i datorer där prestanda vid bearbetning av reella tal inte är särskilt viktigt. På användarens begäran kan sådana datorer utrustas med ytterligare en i487SX-samprocessor, som tillverkas som ett separat chip.

i486DX2-processorn använder intern teknik för dubblering av klockhastighet. Detta gör att du kan öka processorns prestanda med nästan 70 %. i486DX4/100-processorn använder klockfrekvenstrippelteknik. Den körs med en intern klockhastighet på 99 MHz, medan den externa klockfrekvensär 33 MHz (frekvensen som systembussen arbetar med).

Pentium-processorn (dök upp 1993) började använda delar av strukturen hos RISC-processorer. Den är tillverkad med 0,8 mikrometersteknologi och innehåller 3,1 miljoner transistorer. Pentium-processorn kallas ibland P5 eller 80586.

Termen "0,8 mikron-teknik" betyder att varje transistor placeras på ett chip inuti en kvadrat med en specificerad sidostorlek.

Den ursprungliga implementeringen av Pentium-processorn var designad för att fungera vid klockfrekvenser på 60 och 66 MHz. Senare utvecklad Pentium-processorer, som arbetar vid klockfrekvenser på 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 MHz.

Framsteg inom utveckling och produktion av processorer pågår.

Den 1 november 1995 dök den första Pentium Pro-processorn (80686, P6) med en klockfrekvens på 150 MHz upp.

MMX-teknik (Multimedia Extension) innebär inkludering av en uppsättning av 57 nya kommandon i Pentium-processorkommandona. Nya kommandon är främst avsedda för att implementera algoritmer för bearbetning av video- och ljuddata: filtrering, Fourier-transformationer, faltning, etc.

Intel MMX-teknik gör att flera datapaket kan bearbetas på samma sätt, dvs den använder SIMD-teknik.

Antalet transistorer i Pentium MMX-processorn är 4,5 miljoner, och den första nivåns cache har en kapacitet på 32 KB. Tester har visat att MMX-processorn ökar prestandan jämfört med en konventionell Pentium-processor med upp till 34 %.

1995-1997 släppte Intel flera fler modeller: Pentium MMX 266 MHz och Pentium Pro 200 MHz.

Den 15 april 1998 introducerade Intel Pentium II-modeller med klockfrekvenser på 350 och 400 MHz.

Pentium II-processorn är tillverkad med den så kallade 0,25-mikron-tekniken. I det här fallet passar varje transistor i en kvadrat med sidor på en kvarts mikrometer. En bit människohår kan passa 30 000 av dessa transistorer. I framtiden kommer det att ske en övergång till 0,18 och 0,13 mikrometersteknologier.

För att erövra marknaden släppte Intel en billig Celeron processor, som från början saknade L2-cache.

Den 24 augusti 1998 introducerade Intel ytterligare två processorer av Celeron-familjen - 300A och 333. De nya processorerna är tillverkade med 0,25 mikrometers teknologi och innehåller en 128 KB L2-cache.

Jämfört med Pentium II har den ännu mer parallelliserade processer för att öka prestandan.

Dessutom kännetecknas Pentium III av närvaron av ett unikt identifikationsnummer som kan läsas av programvara för att fastställa användarens identitet (till exempel vid köp över Internet).

I november 2000 släpptes Pentium 4-processorn med klockfrekvenser på 1,4 och 1,5 GHz. Pentium 4-processorn är tillverkad med 0,18 mikrometers teknologi. Processorn använder 144 nya kommandon (instruktioner) utformade för att påskynda bearbetningen av video, multimedia, 3D-grafik och kryptografi.

Ris. 8.1. Beroende av antalet transistorer i Intel-processorer på releasedatum

1965 gjorde en av Intels framtida chefer, Gordon Moore, en förutsägelse att tätheten av transistorer på ett chip skulle fördubblas vart och ett halvt till vartannat år, med en motsvarande ökning av processorprestanda. Moores lag, med vissa reservationer, är fortfarande i kraft. Histogrammet visar schematiskt processen att öka antalet transistorer i Intel-processorer.

8.2.2. Syfte och struktur för den enklaste processorn

Den centrala bearbetningsenheten är den huvudsakliga driftskomponenten i en dator som utför aritmetik och logiska operationer, styr beräkningsprocessen och koordinerar driften av alla datorenheter.

Den centrala processorn innehåller vanligtvis:

• aritmetisk-logisk enhet;
• databussar och adressbussar;
• register;
• programräknare;
• cache - mycket snabbt minne liten volym;
• matematisk flyttals-samprocessor.

Moderna processorer är implementerade som mikroprocessorer. Fysiskt är en mikroprocessor en integrerad krets - en tunn rektangulär skiva av kristallint kisel med en yta på bara några kvadratmillimeter, på vilka kretsar som implementerar processorns alla funktioner finns. Kristallskivan placeras vanligtvis i ett platt hölje av plast eller keramik och kopplas med guldtrådar till metallstift så att den kan fästas på datorns moderkort.

Huvudegenskaper hos processorn

• Prestanda är den huvudsakliga egenskapen som visar den hastighet med vilken en dator utförner.

Det beror i sin tur på följande egenskaper:

• klockfrekvens - bestämmer antalet processorcykler i 1s;
• bitdjup - bestämmer storleken på den minsta informationsbiten som kallas ett maskinord;
• adressutrymme - adressbussens bredd, dvs den maximala volymen random access minne, som kan installeras på din dator.

8.2.3. Processorns funktionsprincip

Processorn är huvudelementet i en dator. Den styr direkt eller indirekt alla enheter och processer som förekommer i datorn.

I designen av moderna processorer finns en tydlig trend mot en konstant ökning av klockfrekvensen. Detta är naturligt: ​​ju fler operationer en processor utför, desto högre prestanda. Den maximala klockfrekvensen bestäms till stor del av den befintliga chipproduktionsteknologin (de minsta möjliga elementstorlekarna som bestämmer minsta tid signalöverföring).

Förutom att öka klockfrekvensen finns det en ökning av processorprestanda, vilket uppnås genom att utvecklare använder mindre uppenbara tekniker förknippade med uppfinningen av nya arkitekturer ochr. Låt oss titta på några av dem med exemplet med Pentium (P5)-processorn och efterföljande modeller.

Huvudfunktioner hos Pentium-processorn:

• rörledningsinformationsbehandling;
• superskalär arkitektur;
• närvaron av separata cache-minnen för kommandon och data;
• närvaro av ett prediktionsblock för övergångsadress;
• dynamisk programexekvering;
• närvaro av en flyttalsberäkningsenhet;
• stöd för multiprocessordrift;
• tillgänglighet av verktyg för att upptäcka fel.

Termen "superskalär arkitektur" betyder att processorn innehåller mer än en datorenhet. Dessa beräkningsenheter kallas oftare för pipelines. Observera att den första superskalära arkitekturen implementerades i den inhemska datorn "Elbrus-1" (1978).

Närvaron av två pipelines i processorn gör att den kan köra (fullborda) två kommandon (instruktioner) samtidigt.

Varje pipeline delar in kommandokörningsprocessen i flera steg (till exempel fem):

• hämta (läsa) ett kommando från RAM eller cacheminne;
• avkoda (avkoda) kommandot, dvs. bestämma koden för operationen som utförs;
• kommandoexekvering;
• tillgång till minne;
• lagra de erhållna resultaten i minnet.

För att implementera vart och ett av de listade stegen (varje operation) används en separat enhet - ett steg. Det finns alltså fem steg i varje Pentium-processorpipeline.

Vid rörledningsbehandling tilldelas en cykel av synkroniseringsfrekvensen (klockfrekvensen) för varje steg. I varje ny cykel slutar exekveringen av ett kommando och exekveringen börjar nytt lag. Denna typ av kommandoexekvering kallas trådning.

Bildligt kan det jämföras med en produktionstransportör (flöde), där vid varje sektion med olika produkter alltid utföra samma operation. Samtidigt, när en färdig produkt lämnar monteringslinjen, kommer en ny på den, och resten av produkterna vid denna tidpunkt är i olika beredskapsstadier. Övergången av tillverkade produkter från sektion till sektion måste ske synkront, enligt speciella signaler (i processorn är dessa cykler genererade av en klockgenerator).

Den totala exekveringstiden för en instruktion i en femstegspipeline skulle vara fem klockcykler. I varje klockcykel kommer pipelinen samtidigt att bearbeta (exekvera) fem olika instruktioner. Som ett resultat kommer fem kommandon att utföras i fem klockcykler. Således ökar pipelining processorprestanda, men det minskar inte exekveringstiden för en enskild instruktion. Förstärkningen erhålls på grund av att flera kommandon behandlas samtidigt.

Faktum är att pipelining till och med ökar exekveringstiden för varje enskilt kommando på grund av de extra kostnader som är förknippade med organisationen av pipelinen. I detta fall begränsas klockfrekvensen av arbetshastigheten för transportörens långsammaste steg.

Som ett exempel, betrakta processen att exekvera ett kommando vars exekveringstider är 60, 30, 40, 50 och 20 ns. Låt oss ta extrakostnaderna för att organisera pipelinebearbetning till 5 ns.

Om det inte fanns någon pipelining skulle det ta 60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200 ns för att utföra ett kommando.

Om en transportörorganisation används, bör cykelns varaktighet vara lika med varaktigheten av det långsammaste bearbetningssteget med tillägg av "overhead"-kostnader, dvs 60 + 5 = 65 ns. Således kommer minskningen av kommandoexekveringstiden som erhålls som ett resultat av pipelining att vara 200/65 = 3,1 gånger.

Observera att pipelineexekveringstiden för en instruktion är 5 × 65 = 325 ns. Detta värde är betydligt mer än 200 ns - kommandots exekveringstiden utan pipelining. Men samtidigt exekvering av fem kommandon på en gång ger en genomsnittlig slutförandetid på ett kommando på 65 ns.

Pentium-processorn har två L1-cacher (de finns inuti processorn). Som du vet ökar cachelagring processorns prestanda genom att minska antalet gånger den väntar på att information ska komma från långsamt RAM. Nödvändiga data och kommandon tas av processorn från snabbcacheminnet (bufferten), där de matas in i förväg.

Att ha ett enda cacheminne i tidigare processorkonstruktioner resulterade i strukturella konflikter. Två instruktioner exekverade av pipeline försökte ibland samtidigt läsa information från ett enda cacheminne. Att utföra separat cachning (buffring) för kommandon och data eliminerar sådana konflikter, vilket gör att båda kommandona kan köras samtidigt.

Utveckling datateknik pågår kontinuerligt. Designers letar ständigt efter nya sätt att förbättra sina produkter. Den mest värdefulla resursen för processorer är deras prestanda. Av denna anledning uppfinns olika tekniker för att öka processorns prestanda.

En sådan teknik är att spara tid genom att förutsäga möjliga sätt exekvering av en grenalgoritm. Detta görs med hjälp av ett framtida förgreningsadressprediktionsblock. Idén om hur det fungerar liknar idén om hur cacheminne fungerar. Som bekant finns det linjära, cykliska och förgrenade beräkningsprocesser. I linjära algoritmer exekveras kommandon i den ordning de skrivs i RAM: sekventiellt efter varandra. För sådana algoritmer kan försom införts i processorn inte ge några förstärkningar.

I förgreningsalgoritmer bestäms valet av instruktion av resultaten av kontroll av förgreningsvillkoren. Om du väntar på slutet av beräkningsprocessen vid förgreningspunkten och sedan väljer från RAM rätt kommando, då kommer det oundvikligen att bli tidsförluster på grund av improduktiv vilotid för processorn (läser ett kommando från RAM är långsamt). Grenadressprediktionsblocket arbetar proaktivt och försöker förutsäga grenadressen i förväg för att flytta den önskade instruktionen från långsam RAM till en speciell snabb grenmålbuffert BTB (Branch Target Buffer) i förväg.

När BTB-bufferten innehåller en korrekt förutsägelse sker övergången utan fördröjning. Detta påminner om cacheminne, som också har missar. På grund av missar måste operanderna inte läsas från cacheminnet, utan från den långsamma OP. På grund av detta går tiden förlorad.

Idén att förutsäga hoppadressen implementeras i processorn av två oberoende förhämtningsbuffertar. De arbetar tillsammans med grenförutsägelsebufferten, där en av buffertarna väljer instruktioner sekventiellt och den andra - enligt förutsägelserna från BTV.

Pentium-processorn har två femstegs pipelines för att utföra fixpunktsoperationer. Dessutom har processorn en flytande punktspipeline i åtta steg. Sådana beräkningar krävs för matematiska beräkningar, såväl som för snabb bearbetning dynamiska tredimensionella färgbilder.

Utvecklingen av processorarkitektur följer vägen för konstant ökning av volymen av cacheminnet på den första och andra nivån. Undantaget var Pentium 4-processorn, vars cachestorlek oväntat minskade jämfört med Pentium III.

För att förbättra prestandan skapar nya processordesigner två systembussar som arbetar med olika klockhastigheter. Den snabba bussen används för att arbeta med den andra nivåns cache, och den långsamma bussen används för traditionellt informationsutbyte med andra enheter, såsom RAM. Närvaron av två bussar eliminerar konflikter vid utbyte av information mellan processorn och huvudminnet och den andra nivåns cache utanför processorkretsen.

Processorer som följer Pentium innehåller stort antal steg i transportören. Detta minskar exekveringstiden för varje operation i ett separat steg, vilket innebär att du kan öka processorns klockfrekvens.

Pentium Pro (P6)-processorn använder ett nytt tillvägagångssätt för den ordning i vilken instruktioner exekveras sekventiellt i RAM.

Det nya tillvägagångssättet är att utföra kommandon i slumpmässig ordning när de är klara (oavsett ordningen i RAM). Det slutliga resultatet genereras dock alltid i enlighet med den ursprungliga ordningen av kommandon i programmet. Denna ordning för utförande av kommandon kallas dynamisk eller avancerad.

Betrakta följande utdrag som ett exempel läroplan, skriven på något (fiktivt) maskinorienterat språk:

• r1 ← mem Kommando 1
• r3 ← r1 + r2 Lag 2
• r5 ← r5 + 1 Lag 3
• r6 ← r6 - r7 Lag 4

Symbolerna r1…r7 indikerar register generell mening(RON), som ingår i processorregisterblocket.

Mem-symbolen betecknar en RAM-minnescell.

Låt oss kommentera det inspelade programmet.

• Kommando 1: skriv till RON r1 innehållet i RAM-minnescellen vars adress är specificerad i RON r4.
• Kommando 2: skriv till RON r3 resultatet av att lägga till innehållet i registren r1 och r2.
• Kommando 3: lägg till en till innehållet i register r5.
• Kommando 4: reducera innehållet i RON r6 med innehållet i register r7.

Antag att vid exekvering av instruktion 1 (laddning av en operand från minnet till det allmänna registret r1), visade det sig att innehållet i minnescellsminnet inte finns i processorcachen (en miss inträffade; den nödvändiga operanden levererades inte tidigare till bufferten från RAM).

Med det traditionella tillvägagångssättet kommer processorn att fortsätta att exekvera instruktioner 2, 3, 4 först efter att data från huvudminnets cellmem kommer in i processorn (närmare bestämt, i registret rl). Eftersom läsning kommer att ske från långsamt körande RAM, kommer denna process att ta ganska lång tid (enligt processorstandarder). I väntan på denna händelse kommer processorn att vara inaktiv och inte utföra användbart arbete.

I exemplet ovan kan processorn inte utföra instruktion 2 innan instruktion 1 är klar, eftersom instruktion 2 använder resultatet av instruktion 1. Samtidigt skulle processorn kunna exekvera instruktioner 3 och 4 i förväg, som inte beror på resultatet av instruktioner 1 och 2.

I sådana fall fungerar P6-processorn annorlunda.

P6-processorn väntar inte på slutförandet av exekveringen av instruktionerna 1 och 2, utan fortsätter omedelbart till out-of-order exekvering av instruktionerna 3 och 4. Resultaten av den framåtgående exekveringen av instruktionerna 3 och 4 lagras och hämtas senare, efter exekveringen av instruktionerna 1 och 2. Således exekverar P6-processorn instruktioner i enlighet med deras beredskap för exekvering, oavsett deras initiala placering i programmet.

Prestanda är definitivt viktig indikator datordrift. Det är dock lika viktigt att snabba beräkningar sker med ett litet antal fel.

Processorn har en självtestenhet som automatiskt kontrollerar funktionen hos de flesta delar av processorn.

Dessutom utförs identifiering av fel som inträffar inuti processorn med hjälp av speciellt format data. En paritetsbit läggs till varje operand, vilket gör att alla tal som cirkulerar inuti processorn blir jämna. Uppkomsten av ett udda nummer indikerar att ett fel har inträffat. Förekomsten av ett udda nummer är som utseendet på en falsk sedel utan vattenstämpel.

Enheter för att mäta hastigheten på processorer (och datorer) kan vara:

• MIPS (MIPS - Mega Instruction Per Second) - en miljon kommandon (instruktioner) på fasta punktnummer i 1s;
• MFLOPS (Mega Floating Operation Per Second) - en miljon operationer på flyttalsnummer i 1:or;
• GFLOPS (Giga Floating Operation Per Second) - en miljard operationer på flyttal på 1:or.

Det finns rapporter om världens snabbaste dator, ASCI White (IBM Corporation), som når 12,3 TFLOPS (biljoner operationer).

8.2.4. Aritmetisk logisk enhet

Aritmetisk logisk enhet (ALU) - den viktigaste delen processor. Det låter dig utföra en mängd olika aritmetiska och logiska operationer på operander. Typen av operation som utförs i ALU bestäms av programmeraren som komponerar kontrollprogram. Programmet som är lagrat i RAM-minnet överförs i delar till processorn, där det exekveras. Således exekverar processorn bara programmerarens instruktioner, uttryckta som en uppsättning kommandon (program).

Processor (som alla andra digitala enheter) uppfattar styrsignaler och operander i form av binära tal. Resultatet genereras också som binära tal. Men programmerare komponerar oftast styrprogram på programmeringsspråk hög nivå(Pascal, BASIC, C...). I det ögonblick ett program sänds förvandlas dess text till en uppsättning binära tal (objektkod). Det är dessa binära tal som tvingar processorn (inklusive ALU) att utföra de operationer som programmeraren planerar.

Strukturplan Den enklaste ALU visas i fig. 8.2.

Ris. 8.2. Blockschema över den enklaste ALU

Två flerbitsoperander (siffror, bokstäver, symboler, etc.) som ska behandlas i ALU:n matas till ingångarna A och B. Resultatet av operationen visas vid utgång F. Typen av operation som utförs i ALU:n bestäms av signalerna som tillförs ingångarna S och M. Sålunda, när man lägger till nummer 2 och 3, tillförs en av dem till ingång A, och den andra - till ingång B. I detta ögonblick tillförs ett binärt tal till S:en och M-bussar, vilket i dagligt språk betyder kommandot (ordern) "Utför aritmetisk addition." Resultatet av addition - siffran 5 visas vid utgång F.

M- och S-ingångarna har samma syfte - att bestämma typen av operation som utförs i ALU. Dessa indata separeras endast i metodologiska syften. Signalen vid M-ingången (Mode) bestämmer vilken operation ALU kommer att utföra - logisk eller aritmetisk.

Anses vara enklaste typen ALU (K155IP3, amerikansk analog - 74181) har en liten kapacitet - endast 4 bitar. Av denna anledning har ALU-utvecklare tillhandahållit möjligheten att öka (öka) enhetens bitkapacitet (om ett sådant behov uppstår). Kapaciteten hos ALU kan ökas genom att använda flera sektioner (chips) och två specialbussar C 0 och C n +1.

När man skapar flerbitsdesigner används buss Co för att ta emot överföringen genererad i föregående (lågordning) sektion (chip). Buss Cn+1 används för att överföra aritmetisk överföring från den låga sektionen till den höga. Med andra ord: om utvecklaren har en n-bitars ALU, för att få en kapacitet på 2n, måste du ta en annan liknande mikrokrets, kombinera ingångarna S och M parallellt och ansluta utgången Cn +1 på den nedre sektionen till ingången C 0 på den högre sektionen (chip). Logiska och aritmetiska operationer skiljer sig åt genom att i logiska operationer utförs beräkningar bit för bit (endast bitar med samma namn interagerar med varandra och det finns inga överföringar mellan bitar). Vid utförande av aritmetiska operationer, om nödvändigt, sker överföringar mellan intilliggande siffror (från den minst signifikanta siffran till den mest signifikanta).

Låt oss illustrera detta med två exempel: den logiska operationen Exklusiv ELLER och aritmetisk addition. Båda operationerna följer samma regler, men i aritmetisk addition är överföring mellan siffror tillåten.

Ris. 8.3. Logiska operationer Exklusiv ELLER och aritmetisk addition

Anta att det finns två decimaltal A = 12D och B = 10D. I binärt system I notation har dessa siffror formen: A =1100B och B =1010B.

Som ett resultat av att utföra den logiska operationen Exklusiv ELLER erhålls fyrabitarsnumret 0110B. Efter att ha utfört aritmetisk addition, visas ett fyrabitars nummer 0110B vid utgången F, och en logisk finns på Cn+1-bussen. Denna signal indikerar förekomsten av en överföring till den femte biten, dvs till den näst högsta sektionen av åttabitars ALU.

Funktionen för en fyrabitars ALU kan beskrivas med uttrycket:

I denna formel indikerar indexen i numren på bitarna i operanderna A och B och utsignalen F.

Om signalerna M = 1, S3 = 1, S2 = 0, S1 = 1, S0 = 1 tillförs styringångarna till en sådan ALU, kommer ALU:n att utföra operationen Fi = Ai ^ Bi, dvs. operation (logisk multiplikation). Detta resultat erhålls genom att ersätta originaldata i den givna formeln.

Genom att ändra de fem styrsignalerna M, S3,...S0 kan du "tvinga" en sådan ALU att utföra 32 olika operationer (16 logiska och 16 aritmetiska).

Således närvaron vid styringångarna binärt tal M = 0, S3 = 1, S2 = 0, S1 = 0, S0 = 1 kommer att få ALU att utföra en aritmetisk addition av siffrorna som tas emot på bussarna A och B, och lägga till överföringsvärdet från föregående avsnitt till det resulterande resultat, dvs Fi = Ai + Bi + Co.

I tabell 8.2. visar hur du, genom att ändra styrsignaler, kan ställa in vilken typ av operation som ska utföras.

Tabell 8.2. Hierarki av processorer och deras egenskaper

Styrsignaler				Utförda operationer
S3	S2	S1	S0	Logisk M = 1	Aritmetisk M = 0
0	0	0	0		A + C 0
0	0	0	1		(A v B) + C 0
0	0	1	0	^B	(A v) + C 0
0	0	1	1	0000	1111+C0
0	1	0	0		A + (A ^ ) + C 0
0	1	0	1		(A v B) + (A ^ ) + C 0
0	1	1	0		A + + C 0
0	1	1	1	A^	1111 + (A ^ ) + C 0
1	0	0	0	vB	A+(A^B)+CO
1	0	0	1		A+B+C0
1	0	1	0	B	(A v ) + (A ^ B) + C 0
1	0	1	1	A^B	1111 + (A^B) + C 0
1	1	0	0	1111	A + A + C 0
1	1	0	1	Av	(A v B) + A + C 0
1	1	1	0	A v B	(A v ) + A + C 0
1	1	1	1	A	1111 + A + C 0

Beskrivning och syfte med processorer

Definition 1

CPU(CPU) - huvudkomponenten i en dator som utför aritmetiska och logiska operationer, som anges av programmet, hanterar beräkningsprocessen och koordinerar driften av alla PC-enheter.

Hur kraftfullare processor, desto högre prestanda på datorn.

Kommentar

Den centrala processorenheten kallas ofta helt enkelt en processor, CPU (Central Processing Unit) eller CPU (Central Processing Unit), mindre ofta - en kristall, en sten, en värdprocessor.

Moderna processorer är mikroprocessorer.

Mikroprocessorn har formen av en integrerad krets- en tunn platta av rektangulärt kristallint kisel med en yta på flera kvadratmillimeter, på vilken kretsar med miljarder transistorer och kanaler för passerande signaler är placerade. Kristallplattan placeras i ett plast- eller keramikhölje och ansluts med guldtrådar till metallstift för anslutning till PC:s moderkort.

Figur 1. Intel 4004 mikroprocessor (1971)

Figur 2. Intel Pentium IV-mikroprocessor (2001). Vänster – ovanifrån, höger – bottenvy

CPU:n är designad för automatiskt utförande program.

Processorenhet

Huvudkomponenterna i CPU:n är:

• aritmetisk logisk enhet(ALU) utför grundläggande matematiska och logiska operationer;
• kontrollenhet(CU), på vilken konsekvensen av driften av CPU-komponenterna och dess kommunikation med andra enheter beror på;
• databussar och adressbussar;
• register, där det aktuella kommandot, initiala, mellanliggande och slutliga data (ALU-beräkningsresultat) tillfälligt lagras;
• programräknare;
• cacheminne lagrar ofta använda data och kommandon. Cacheminnet är mycket snabbare att komma åt än RAM, så ju större det är, desto snabbare kommer CPU:n att fungera.

Figur 3. Förenklat processordiagram

Processorns funktionsprinciper

CPU:n kör ett program som finns i RAM.

ALU:n tar emot data och utför den specificerade operationen och skriver resultatet till ett av de fria registren.

Det aktuella kommandot finns i ett speciellt kommandoregister. När man arbetar med nuvarande lag värdet på den så kallade programräknaren inkrementeras, som sedan pekar på nästa instruktion (enda undantaget är hoppinstruktionen).

Kommandot består av en registrering av operationen (som ska utföras), adresserna till källdatacellerna och resultatet. På de adresser som anges i kommandot tas data och placeras i vanliga register (i betydelsen inte i kommandoregistret), det resulterande resultatet placeras också först i registret och flyttas först därefter till sin adress som anges i kommandot.

Processorspecifikationer

Klockhastighet anger frekvensen som CPU:n körs med. I $1$-klockcykeln utförs flera operationer. Ju högre frekvens, desto snabbare presterar datorn. Klockhastigheten för moderna processorer mäts i gigahertz (GHz): $1$ GHz = $1$ miljarder cykler per sekund.

För att förbättra CPU-prestandan började flera kärnor användas, som var och en faktiskt är en separat processor. Ju fler kärnor, desto högre prestanda på datorn.

Processorn är ansluten till andra enheter (till exempel RAM) via data-, adress- och styrbussar. Bussbredden är en multipel av 8 (eftersom vi har att göra med bytes) och är annorlunda för olika modeller, och är också olika för databussen och adressbussen.

Databussbredden indikerar mängden information (i byte) som kan överföras på $1$-tid (per $1$-klockcykel). Den maximala mängden RAM som CPU:n kan arbeta med beror på adressbussens bredd.

Systembussens frekvens bestämmer mängden data som överförs under en tidsperiod. För moderna datorer kan flera bitar överföras för $1$ cykel. Det är också viktigt genomströmning bus, lika med systembussfrekvensen multiplicerad med antalet bitar som kan överföras för $1$. Om systembussfrekvensen är $100$ MHz, och $2$ bitar överförs per $1$ klockcykel, då är genomströmningen $200$ Mbit/sek.

Bandbredden för moderna datorer beräknas i gigabit (eller tiotals gigabit) per sekund. Ju högre denna indikator, desto bättre. CPU-prestanda påverkas också av storleken på cacheminnet.

Data för att CPU:n ska fungera kommer från RAM, men eftersom... Eftersom minnet är långsammare än processorn kan det ofta vara inaktivt. För att undvika detta placeras cacheminne mellan CPU och RAM, vilket är snabbare än RAM. Det fungerar som en buffert. Data från RAM skickas till cachen och sedan till processorn. När processorn kräver nästa data, om den är tillgänglig i cacheminnet, tas den från den, annars nås RAM-minnet. Om ett program exekverar det ena kommandot efter det andra sekventiellt, kommer koderna när ett kommando exekveras följande kommandon laddas från RAM till cache. Detta påskyndar arbetet avsevärt, eftersom... CPU-väntetiden minskar.

Anteckning 1

Det finns tre typer av cacheminne:

• $1$-nivåcachen är den snabbaste och finns i CPU-kärnan, så det har den små storlekar($8–$128 KB).
• $2$-cachen finns i CPU:n, men inte i kärnan. Det är snabbare än RAM, men långsammare än nivå 1 cache. Storlek från $128$ KB till flera MB.
• Nivå 3-cache är snabbare än huvudminnet, men långsammare än nivå 2-cache.

Hastigheten på CPU:n och, följaktligen, datorn beror på storleken på dessa typer av minne.

CPU:n kan bara stödja en viss typ av RAM: $DDR$, $DDR2$ eller $DDR3$. Ju snabbare RAM, desto högre CPU-prestanda.

Nästa egenskap är sockeln (kontakten) i vilken CPU:n sätts in. Om CPU:n är designad för en viss typ av sockel, kan den inte installeras i en annan. Samtidigt finns det bara en CPU-sockel på moderkortet och den måste matcha typen av processor.

Processortyper

Huvudföretaget som producerar processorer för PC är Intel. Den första PC-processorn var $8086-processorn. Nästa modell var $80286$, sedan $80386$, med tiden sänktes siffran $80$ och processorn började anropas med tre nummer: $286$, $386$, etc. Processorgenerationen kallas ofta $x86$-familjen. Andra processormodeller tillverkas också, till exempel familjerna Alpha, Power PC, etc. CPU-tillverkningsföretag inkluderar även AMD, Cyrix, IBM och Texas Instruments.

I processorns namn kan du ofta hitta symbolerna $X2$, $X3$, ​​​​$X4$, vilket betyder antalet kärnor. Till exempel, i namnet Phenom $X3$ $8600$ indikerar symbolerna $X3$ närvaron av tre kärnor.

Så, huvudtyperna av CPU är $8086$, $80286$, $80386$, $80486$, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III och Pentium IV. Celeron är en avskalad version av Pentium-processorn. Efter namnet anges vanligtvis CPU-klockhastigheten. Till exempel, Celeron $450$ ​​betecknar Celeron CPU-typ och dess klockhastighet på $450$MHz.

Processorn måste installeras på ett moderkort med en systembussfrekvens som motsvarar processorn.

De senaste CPU-modellerna implementerar en överhettningsskyddsmekanism, d.v.s. När temperaturen stiger över den kritiska temperaturen växlar CPU:n till en lägre klockfrekvens, vilket förbrukar mindre ström.

Definition 2

Om i datorsystem flera parallella processorer kallas sådana system multiprocessor .

Vad är en processor?

CPU(från - bearbeta) - en enhet eller ett program vars syfte är att bearbeta (bearbeta) något (objekt, process).

Processorn är datorns huvudchip, dess "hjärna". Det låter dig prestera programkod, som finns i minnet och styr driften av alla datorenheter. Ju snabbare processorhastighet, desto snabbare presterar datorn. Processorn har speciella celler som kallas register. Det är i registren som de kommandon som exekveras av processorn placeras, liksom de data som kommandona fungerar på. Processorns uppgift är att välja instruktioner och data från minnet i en specifik sekvens och exekvera dem. Det är detta programexekveringen bygger på.

Vilka parametrar skiljer en processor från en annan. Detta är i första hand klockfrekvens, bitdjup, driftspänning, intern klockfrekvens multiplikationsfaktor och Ladda ner och läs Vad är en processor?

Presentation om biologi - Coelenterates

I presentationen:
1.Var lever coelenterates?
2. Hur liknar coelenterater svampar?
3.Varför kallas de så?
Ladda ner och läs Presentation on Biology - Coelenterates

Presentation om biologi, förutsättningar för frögroning och fröembryots betydelse

Presentation om biologi - Förutsättningar för frögroning

Processorn är datorns huvudchip där alla beräkningar utförs. Strukturellt består processorn av celler som liknar RAM-celler, men i dessa celler kan data inte bara lagras, utan också ändras. Processorns interna celler kallas register. Det är också viktigt att notera att uppgifter som placeras i vissa register inte betraktas som uppgifter, utan som instruktioner som styr behandlingen av uppgifter i andra register. Bland processorregistren finns de som, beroende på deras innehåll, kan modifiera exekveringen av kommandon. Genom att kontrollera sändningen av data till olika register hos processorn kan du alltså styra behandlingen av data. Det är detta programexekveringen bygger på.

Processorn är ansluten till resten av datorenheterna, och i första hand till RAM-minnet, av flera grupper av ledare som kallas bussar. Det finns tre huvudbussar: databuss, adressbuss och kommandobuss.

Om två processorer har samma instruktionsuppsättning är de helt kompatibla programnivå. Detta innebär att ett program skrivet för en processor kan exekveras av en annan processor. Processorer med olika system kommandon är vanligtvis inkompatibla eller har begränsad kompatibilitet på programvarunivå.

Grupper av processorer som har begränsad kompatibilitet betraktas som processorfamiljer. Till exempel tillhör alla Intel Pentium-processorer den så kallade x86-familjen. Förfadern till denna familj var 16-bitars Intel 8086-processorn, på grundval av vilken den första modellen av IBM PC-datorn monterades. Därefter producerades processorerna Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; flera modeller av Intel Pentium MMX-processorer, Intel-modeller Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III. För närvarande producerar Intel Pentium IV-processorer. Alla dessa modeller, och inte bara dem, såväl som vissa modeller av processorer från AMD och Cyrix tillhör x86-familjen och är kompatibla.

Huvudparametrarna för processorer är: driftspänning, bitdjup, driftklockfrekvens, intern klockmultiplikationsfaktor och cacheminnesstorlek.

Processorns driftspänning tillhandahålls av moderkortet, så olika märken processorer motsvarar olika moderkort(de måste väljas tillsammans). I takt med att processorteknologin utvecklas minskar driftspänningen gradvis. Genom att minska driftspänningen kan du minska avstånden mellan strukturella element i processorkristallen upp till tio tusendelar av en millimeter, utan rädsla för elektriskt haveri. I proportion till kvadraten på spänningen minskar värmeavledningen i processorn, och detta gör att du kan öka dess prestanda utan hot om överhettning.

Processorkapaciteten visar hur många bitar av data den kan ta emot och bearbeta i sina register åt gången (i en klockcykel). De första x86-processorerna var 16-bitars. Från och med 80386-processorn har de en 32-bitars arkitektur. De flesta moderna processorer förblir 32-bitars. Användningen av 64-bitars processorer är fortfarande begränsad, men under de kommande åren bör vi förvänta oss massantagande av sådana processorer.

Klockfrekvens är huvudparametern som bestämmer processorns prestanda. Klockfrekvensen mäts i MHz. För moderna processorer når klockfrekvensen 2800 MHz.

Datautbyte inom processorn sker flera gånger snabbare än utbyte med andra enheter, såsom RAM. För att minska antalet åtkomster till RAM skapas ett buffertområde inuti processorn - det så kallade cacheminnet. När processorn behöver data kommer den först åt cacheminnet, och endast om nödvändig data inte finns där får den tillgång till RAM.

För närvarande är det svårt att nämna de områden av mänsklig aktivitet där framgångar inte skulle förknippas med användningen av en dator. Omfattningen av datortillämpningar expanderar ständigt, vilket avsevärt påverkar utvecklingen av produktivkrafterna i vårt samhälle. De tekniska och ekonomiska egenskaperna hos en dator förändras ständigt, till exempel, såsom drifthastighet, minneskapacitet, driftsäkerhet, kostnad, användarvänlighet, mått, strömförbrukning, etc. I vid mening betraktas varje dator som en informationsomvandlare. I detta fall betyder information olika information om vissa naturfenomen, händelser i det sociala livet eller processer som inträffar i tekniska anordningar. Alla persondatorer och ett växande antal av de flesta modern utrustning arbeta på en speciell elektrisk krets kallas mikroprocessor. Det kallas ofta en dator på ett chip. En modern mikroprocessor är en bit kisel som odlats under sterila förhållanden med hjälp av speciell teknik.

I detta arbete beskriver jag den grundläggande teoretiska informationen om mikroprocessorns logiska struktur, dess syfte och funktionsprinciper.

Grundläggande koncept
Mikroprocessor är mjukvara kontrollerad anordning avsedda för behandling av digital information och hantering av processerna för denna behandling, utförd i form av en eller flera integrerade kretsar med en hög grad av integration av elektroniska komponenter.

En mikroprocessorsats är en uppsättning mikrokretsar som är nödvändiga för implementeringen av en funktionellt komplett datorenhet.

MP-arkitektur är en kombination av hårdvara, firmware och programvara, som bestämmer tekniska och operativa egenskaper.

Mikroprocessorsystemet är ett kontrollerat och kontrollerbart mätsystem, vars bearbetningselement är en mikroprocessor.*

Del mikroprocessorsystem inkluderar en mikroprocessor (centralt element), som kan implementeras i form av en VLSI eller i form av ett kort där mikroprocessorn kommer att monteras från LSI:er som ingår i en enda mikroprocessorsats. MPS-mikroprocessorn utför två funktioner:

1 - serverar central enhet förvaltning

2 - utför aritmetisk-logisk datakonvertering.

Minnet av MPS har en hierarkisk struktur. Den är uppdelad i internt (RAM, ROM och cacheminne) och externt (magnetiska lagringsenheter, magnetband, hårddiskar, disketter).

Inmatningsenhet - för överföring av information utifrån till MP-register eller minne (tangentbord, olika sensorer)

Utmatningsenhet - tar emot information från MP-registret eller MPS-minnet.

Alla enheter som ingår i MPS har ett standardgränssnitt genom vilket de ansluts till bussen. Standardgränssnittet i alla noder representeras av följande motorvägar: MU - kontrollmotorväg, MA - adressmotorväg, MD - datamotorväg.