6.1

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.

Размещение процессора в одной микросхеме создало предпосылки для существенного увеличения скорости работы процессора и повышения его надежности. Уменьшение размеров привело к ухудшению условий теплоотдачи, что потребовало для охлаждения современных процессоров использования металлических радиаторов с большой площадью поверхности и вентиляторов («кулеров»).

Арифметико-логическое устройство

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.

Устройство управления

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.

Разрядность процессора

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 2R.

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

Основной алгоритм работы процессора

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. Затем считанная команда расшифровывается и выполняется.

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.