Основной алгоритм работы процессора кратко

Обновлено: 05.07.2024

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Он постоянно указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. Считав очередную команду из памяти, процессор сразу же увеличивает значение счетчика так, чтобы он показывал на следующую команду.

Считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные, над ними в АЛУ выполняются требуемые действия и, если предусмотрено операцией, результат записывается в ОЗУ.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова, описанные действия циклически повторяются.

Таким образом основной алгоритм работы процессора состоит из четырёх тактов.

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
Информационные: move , input , outptut , load и store .
Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
Команда останова: halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Рассмотрим упрощенную структурную схему центрального процессора (ЦП) некоторой формальной ЭВМ (рис.1).

Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема ЦП формальной ЭВМ

Назначение основных блоков процессора

Кроме основных блоков ЦП, представленных на упрощенной структурной схеме ЦП некоторой формальной ЭВМ, в состав процессора могут входить и другие блоки: блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора.

Так, например, блок контроля правильности работы и диагностики процессора предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах и т.д.

Рассмотрим назначение основных блоков ЦП.

Блок связи с оперативной памятью

Блок связи с ОП и с периферийными устройствами совместно с блоком, осуществляющим защиту оперативной памяти от несанкционированного доступа для текущей программы, образуют интерфейсный блок, который содержит два регистра: регистр адреса памяти (хранит адрес ячейки памяти) и регистр данных памяти (сдержит данные обмена).

АЛУ выполняет логические и арифметические операции над данными такие как сложение (вычитание), умножение и деление чисел с фиксированной и плавающей точками, операции над десятичными числами, осуществляет обработку алфавитно-цифровых слов постоянной и переменной длины и др.

АЛУ работает под управлением УУ.

Этот блок вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ). Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств компьютера посредством посылки управляющих сигналов.

Блок управляющих регистров

Этот блок предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора; счетчики тактов; счетчик команд; регистр (вектор) прерывания и т.д. Сюда относятся также управляющие триггеры.

Блок регистровой памяти

Этот блок в состав процессора и микропроцессора включают для повышения быстродействия и логических возможностей. Регистровая (по-другому, местная, сверхоперативная) память имеет небольшую емкость, но более высокое по сравнению с ОП быстродействие.

Регистры этого блока (или ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороченной регистровой адресации (указываются только номера регистров), и служат для хранения операндов в качестве аккумуляторов (регистров результата операций), базовых и индексных регистров, указателя стека.

Основной алгоритм работы процессора

В общем случае основной алгоритм работы процессора ЭВМ можно представить в виде следующей последовательности шагов:

l программа загружается в ОП;

l адрес первой команды программы записывается в счетчик команд (СК), который находится в блоке управляющих регистров;

l содержимое СК пересылается в регистр адреса памяти, и в ОПпосылается сигнал управления считыванием;

l в соответствии со временем доступа к ОП адресуемое слово (в данном случае первая команда программы) извлекается из ОП и загружается в регистр данных памяти в интерфейсном блоке;

l содержимое регистра данных памяти пересылается в СК.

На этой стадии команда программы готова для ее декодирования в УУ и выполнения.

Если команда содержит операцию, которая должна быть выполнена в АЛУ, то необходимо получить требуемые операнды. Если операнд находится в ОП (а он также может находиться в управляющем регистре), его необходимо выбрать из памяти. Для этого в регистр адреса памяти пересылается адрес операнда и начинается цикл чтения. Операнд, выбранный из памяти в регистр данных, может быть передан в АЛУ.

Выбрав таким образом один или несколько операндов, АЛУ может выполнить требуемую операцию, сохранив ее результат в одном из регистров общего назначения (в сумматоре). Если результат операции необходимо запомнить в ОП, он должен быть послан в регистр данных памяти. Адрес ячейки, в которую необходимо поместить результат, пересылается в регистр адреса памяти и начинается цикл записи.

Между тем содержимое СК увеличивается, указывая следующую команду, которая должна выполняться. Таким образом, как только завершится выполнение текущей команды, может сразу же начаться выборка на выполнение следующей команды программы.

Помимо обмена данными между ОП и ЦПнеобходимо обеспечить обмен данными с внешними устройствами. Этот обмен осуществляют машинные команды, управляющие вводом/выводом информации.

Естественный порядок выполнения программы может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которое осуществляется ЦП, выполняющим соответствующую программу обработки прерывания. Так как прерывание и его обработка могут изменить внутреннее состояние ЦП, то оно сохраняется в ОПперед началом работы программы обработки прерывания.

Сохранение состояния достигается пересылкой содержимого регистра команд, управляющих регистров и некоторой управляющей информации в ОП. После завершения программы обработки прерывания состояние ЦП восстанавливается, позволяя продолжить выполнение прерванной программы.

Описанный выше процесс циклически продолжается до тех пор, пока не наступит конец программы или не поступит команда прерывания ее работы.

Перечень документов по охране труда. Сроки хранения: Итак, перечень документов по охране труда выглядит следующим образом.

Пример оформления методической разработки: Методическая разработка - разновидность учебно-методического издания в помощь.

Процессор ЭВМ

Процессор – это блок ЭВМ, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения. Будучи центральным устройством ЭВМ, процессор во многом определяет её возможности и производительность.

В компьютерах третьего поколения процессор изготавливался из отдельных деталей и микросхем невысокого уровня интеграции. Прогресс в области микроэлектроники привел к тому, процессор удалось разместить внутри одного кристалла. Таким образом, он стал отдельной самостоятельной микросхемой и получил название – микропроцессор .

АЛУ – компонента процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными.

Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией называют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ, …).

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Регистр – это типовой узел ЭВМ, предназначенный для временного хранения данных или выполнения над ними некоторых действий. Регистр состоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.

Регистр, накапливающий данные, называется аккумулятором .

Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым регистром . В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию.

Некоторые регистры служат счетчиками . Счетчик является устройством, которое выдает в двоичной форме число импульсов, поступивших на его единственный вход. Максимальное число импульсов, которое счетчик может подсчитать, называется его емкостью .

Регистры общего назначения (РОН) – общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти. РОН являются программно-доступными регистрами.

Сумматор – это устройство, осуществляющее операции сложения (логического и арифметического) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде.

Важной функцией АЛУ является анализ полученного после выполнения команды результата. Обычно проверяется два свойства: равенство или неравенство нулю и отрицательность или неотрицательность ответа. Результаты анализа сохраняются в виде отдельных битов в регистре состояния . Данные этого регистра используются УУ для исполнения команд условных переходов.

Чтобы обеспечить автоматические вычисления по программе, процессор должен уметь выполнять еще ряд дополнительных действий:

u извлекать из памяти очередную команду;

u расшифровывать ее и преобразовывать в последовательность стандартных элементарных действий;

u заносить в АЛУ исходные данные;

u сохранять полученный в АЛУ результат;

u обеспечивать синхронную работу всех узлов машины.

Для выполнения этих функций служит устройство управления (УУ).

УУ содержит несколько важных регистров для хранения информации, необходимой в ходе выполнения текущей команды.

Регистр команды – служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Кроме этого, имеются регистры, содержащие адрес команды, счетчик адреса команды, адреса операндов, операнды и результаты выполнения команды.

Под разрядностью процессора понимают число одновременно обрабатываемых им битов. Формально эта величина есть количество двоичных разрядов в регистрах процессора.

Помимо внутренней разрядности процессора существует еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса. Разрядность регистров и разрядность шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памяти, который способен поддерживать процессор. Эту характеристику называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по формуле 2 R .

Как правило, в современных процессорах разрядности регистров, шины данных и шины адреса различны. Например,

Основной алгоритм работы процессора

При выполнении каждой команды вычислительная машина проделывает определенные стандартные действия:

1. Согласно содержимому счетчика адреса команды считывается очередная команда программы. Её код заносится на хранение в регистр команд. 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.

2. Считанная в регистр команд операция расшифровывается.

3. Извлекаются необходимые данные.

4. Над ними в АЛУ выполняются требуемые действия.

5. Результат записывается в ОЗУ.

Затем во всех случаях, за исключением останова, описанные действия циклически повторяются.

В приведенном алгоритме ничего не говорится о первоначальном значении счетчика адреса команд. Эта неопределенность решается следующим образом. При включении питания компьютера или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки ЭВМ.

считывание очередной команды в регистр команд

формирование адреса
следующей команды

Рис 3.1 Основной алгоритм работы процессора.

Основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Но для решения практических задач требуется организация разветвлений и повторений. Для изменения порядка вычислений в системе команд любой ЭВМ существуют специальные инструкции переходов, с помощью которых в счетчик команд заносится необходимый адрес. Как известно, переходы бывают безусловные , выполняемые всегда, и условные , которые совершаются только в случае истинности определенного условия. Анализ условий осуществляется в арифметико-логическом устройстве.

По способу задания адреса, на который необходимо перейти, инструкции делятся на абсолютные и относительные . В абсолютных переходах адрес задается явно, а в относительных – указывается так называемое смещение, которое прибавляется к текущему содержимому программного счетчика.

Важную роль в программном обеспечении играют переходы с возвратом , когда процессор запоминает адрес, где произошел переход, и по специальной команде способен возвратиться для продолжения вычислений.

Оптимизация выполнения команд

Конвейеризация. Как следует из приведенной схемы (рис.3.1), обработка команды в процессоре может быть разделена на несколько основных этапов, которые можно назвать микрокомандами . Известно пять основных типов микрокоманд. Каждая операция требует для своего выполнения времени, равному такту генератора процессора.

Все этапы задействуются только один раз и всегда в одном и том же порядке: одна за другой. Это означает, что если первая микрокоманда выполнила свою работу и передала результаты второй, то для выполнения текущей команды она больше не понадобится, и, следовательно, может приступать к выполнению следующей команды. Проще говоря, пока происходит расшифровка и выполнение первой команды, можно извлечь из памяти одну или даже несколько следующих команд. Такой способ похож на заводской конвейер и получил название конвейеризация .

При использовании конвейеризации осуществляется параллельная обработка команд, в каждый момент одна команда считывается, другая декодируется и т.д. Всего в обработке одновременно находится пять команд. Таким образом, на выходе конвейера на каждом такте процессора появляется результат обработки одной команды. Первая инструкция может считаться выполненной, когда завершат работу все пять микрокоманд.

Рассмотренная технология обработки команд носит название конвейерной обработки . Каждая часть устройства называется ступенью конвейера , а общее число ступеней – длиной линии конвейера .

Суперскалярность. Суть этого метода заключается в дублировании устройств. Процессоры с несколькими линиями конвейера получили название суперскалярных . Процессор Pentium имеет два конвейера выполнения команд, благодаря чему он может выполнять одновременно две инструкции. Встретив команду перехода, процессор на первом конвейере продолжает работы на случай, если переход не произойдет, а второй конвейер запускает с адреса, на который переход может произойти. Следует учесть, что при всей кажущейся простоте описанной процедуры, синхронизация работы двух конвейеров – достаточно сложная задача.

Во многих вычислительных системах наряду с конвейером команд используются конвейеры данных. Это позволяет достичь очень высокой производительности работы процессора.

Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий – тактов . В зависимости от сложности, команда может быть реализована за разное количество тактов.

Для организации последовательного выполнения требуемых тактов в компьютере имеется специальный генератор импульсов , каждый из импульсов инициирует очередной такт машинной команды. Очевидно, чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена команда, состоящая из фиксированного числа тактов, тем выше производительность процессора. Разумеется, частоту генератора импульсов нельзя установить произвольно высокой, т.к. процессор может просто не успеть выполнить действие очередного такта до прихода следующего импульса.

Предельная тактовая частота во многом определяется технологией производства микросхем, в частности наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов.

Система команд процессора.

Основные группы команд. Не смотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком уровне системы их команд имеют много общего. Любая ЭВМ содержит следующие группы команд :

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции, которым обязана своим рождением вычислительная техника.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. Примерами могут служить сравнение, логические операции И, ИЛИ, НЕ, а так же анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Операции сдвига используются, например, при выполнении умножения и деления чисел.

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления, к которым следует отнести все виды переходов. Сюда же включают операции по управлению процессором.

Процессоры RISC- и CISC- архитектуры

По способу представления команд все микропроцессоры можно разделить на две группы:

u процессоры типа CISC ( Complex Instruction Set Computing ) с полным набором команд;

u процессоры типа RISC ( Reduced ) с сокращенным набором команд. Эти процессоры нацелены на быстрое выполнение небольшого набора простых команд. При выполнении сложных команд RISC – процессоры работают медленнее, чем CISC – процессоры.

Первоначально микропроцессоры имели CISC- архитектуру, для которой характерен набор сложных команд неодинаковой длины с большим количеством методов адресации к памяти.

Появившийся позднее RISC – подход предлагал менее сложные команды одинаковой длины с отказом от некоторых сложных методов адресации. В процессорах с такой организацией обращение к ячейкам памяти производится только двумя специальными командами чтения и записи, а все остальные операции работают с регистрами. Такого рода упрощения позволяют оптимизировать выполнение команд и существенно ускорить работу процессора.

Сформулированы четыре основных принципа RISC – архитектуры:

u каждая команда независимо от её типа выполняется за один машинный цикл, длительность которого должна быть максимально короткой;

u все команды должны иметь одинаковую длину и использовать минимум адресных форматов, что резко упрощает логику управления процессором;

u обращение к памяти происходит только при выполнении операций записи и чтения, вся обработка данных осуществляется исключительно в регистровой структуре процессора;

u система команд должна обеспечивать поддержку языков высокого уровня (имеется виду подбор системы команд, наиболее эффективной для различных языков программирования).

Процессоры фирмы Intel относятся к CISC- группе, однако для увеличения быстродействия фирма использует достижения RISC – архитектуры, так модели 486 и выше имеют внутреннее RISC – ядро, способное эмулировать сложную CISC- систему команд.

Чтобы непрофессионалу стало понятно, как работает центральный процессор компьютера, рассмотрим из каких блоков он состоит:

- блок управления процессором;

- регистры команд и данных;

- арифметико-логические устройства (выполняют арифметические и логические операции);

- блок операций с действительными числами, то есть с числами с плавающей точкой или проще говоря с дробями (FPU);

- буферная память (кэш) первого уровня (отдельно для команд и данных);

- буферная память (кэш) второго уровня для хранения промежуточных результатов вычислений;

- в большинстве современных процессоров имеется и кэш третьего уровня;

- интерфейс системной шины.

Принцип работы процессора

Алгоритм работы центрального процессора компьютера можно представить как последовательность следующих действий.

- Блок управления процессором берет из оперативной памяти, в которую загружена программа, определенные значения (данные) и команды которые необходимо выполнить (инструкции). Эти данные загружаются в кэш-память процессора.

- Из буферной памяти процессора (кэша) инструкции и полученные данные записываются в регистры. Инструкции помещаются в регистры команд, а значения в регистры данных.

- Арифметико-логическое устройство считывает инструкции и данные из соответствующих регистров процессора и выполняет эти команды над полученными числами.

- Результаты снова записываются в регистры и если вычисления закончены в буферную память процессора. Регистров у процессора совсем немного, поэтому он вынужден хранить промежуточные результаты в кэш-памяти различного уровня.

- Новые данные и команды, необходимые для расчетов, загружаются в кеш верхнего уровня (из третьего во второй, из второго в первый), а неиспользуемые данные наоборот в кэш нижнего уровня.

- Если цикл вычислений закончен, результат записывается в оперативную память компьютера для высвобождения места в буферной памяти процессора для новых вычислений. То же самой происходит при переполнении данными кэш-памяти: неиспользуемые данные перемещаются в кеш нижнего уровня или в оперативную память.

Последовательность этих операций образует операционный поток процессора. Во время работы процессор сильно нагревается. Чтобы этого не происходило нужно своевременно делать чистку ноутбука на дому.

Чтобы ускорить работу центрального процессора и увеличить производительность вычислений, постоянно разрабатывают новые архитектурные решения, увеличивающие КПД процессора. Среди них конвейерное выполнение операций, трассировка, то есть попытка предвидеть дальнейшие действия программы, параллельная отработка команд (инструкций), многопоточность а также многоядерность.

Многоядерный процессор имеет несколько вычислительных ядер, то есть несколько арифметико-логических блоков, блоков вычислений с плавающей точкой и регистров, а также кэш первого уровня, объединенных каждый в свое ядро. Ядра имеют общую буферную память второго и третьего уровня. Появление кэш-памяти третьего уровня как раз и было вызвано многоядерностью и соответственно потребностью в большем объеме быстрой буферной памяти для хранения промежуточных результатов вычислений.

Основными показателями, влияющими на скорость обработки данных процессором является число вычислительных ядер, длина конвейера, тактовая частота и объем кэш памяти. Чтобы увеличить производительность компьютера часто требуется сменить именно процессор, а это влечет и замену материнской платы и оперативной памяти. Выполнить апгрейд, настройку и ремонт компьютера на дому в Москве помогут специалисты нашего сервисного центра, если вас пугает процесс самостоятельной сборки и модернизации компьютера.

Читайте также: