Устройство и принцип действия микропроцессора





Немного истории


Несмотря на то, что первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple, сейчас персональными компьютерами называют в основном IBM PC-совместимые компьютеры. Это связано, прежде всего, с тем, что фирма IBM выбрала правильную рыночную политику: она не скрывала принципов устройства своих компьютеров и не патентовала основных решений. В результате многие производители стали выпускать совместимые компьютеры, и они быстро стали фактическим стандартом. С самого начала фирма IBM ориентировалась на процессоры Intel. У этих процессоров были очень мощные конкуренты, например, процессоры фирм Motorola или Zilog, превосходившие процессоры Intel по многим параметрам, но именно благодаря персональным компьютерам процессоры Intel смогли выйти победителями в конкурентной борьбе. К тому же еще некоторые фирмы (например, AMD, VIA, Cyrix) выпускают Intel-совместимые процессоры. Свой первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти (то есть имел 20-разрядную шину адреса), производительность его при тактовой частоте 5 МГц (МГц - мегагерц, миллионов импульсов в секунду) составляла 0,33 MIPS (Миллионов операций в секунду).

Внутреннее устройство


Рассмотрим устройство микропроцессора имеющего так называемую классическую архитектуру. Для того, что бы понять, как работает микропроцессор, вернёмся к схеме устройства компьютера.


Мы помним, что программы в процессе работы компьютера загружены в оперативную память RAM. Оперативная память, занятая под программу поделена на отдельные блоки - сегменты. Для правильной работы микропроцессора, он должен "знать" где в программе расположены данные, а где команды для обработки данных. Поэтому память и поделена на сегменты данных и сегменты кода команд. Есть ещё отдельные сегменты стека, они служат для временного хранения данных и промежуточных результатов вычислений.
Вы, наверное, обратили внимание, что микропроцессор соединён с контроллером одной шиной. Всё дело в том, что эта шина универсальная. В разные промежутки времени по ней передаются или данные, или команды, или адреса данных и команд. По технологическим причинам микропроцессор не может одновременно выполнять все перечисленные операции, а делает это последовательно.

Рассмотрим (в сильно упрощённом виде) внутреннее устройство микропроцессора.

Микропроцессор состоит из следующих основных блоков:
Регистры данных - AX, BX, CX, DX. Регистры данных, это ячейки оперативной памяти в которых временно хранятся данные для обработки. В первых микропроцессорах объём данных хранимых в регистрах был равен 16 Бит - 216 - 65536. Современные процессоры имеют размер регистров по 32 и даже 64 Бит.
Сегментные регистры - CS (Code Segment - сегмент кода), SS (Stack Segment - сегмент стека), DS (Data Segment - сегмент данных). Для того чтобы указать на сегменты в оперативной памяти, к которым программа имеет доступ в конкретный момент времени, и предназначены сегментные регистры.
АЛУ (Арифметическое логическое устройство) - выполняет арифметические или логические операции с данными, хранящимися в регистрах данных.
Логическая схема управления "руководит" процессами, происходящими в микропроцессоре.
Работу микропроцессора лучше всего рассмотреть на конкретном примере. Предположим, что в данный момент времени процессор должен сложить два числа записанных в сегменте данных программы.
Запишем алгоритм выполняемых действий:
1) Получить адрес первого числа;
2) Записать число из RAM в регистр процессора AX;
3) Получить адрес второго числа;
4) Записать число из RAM в регистр процессора BX;
5) Получить адрес команды сложения;
6) Вычислить сумму в АЛУ;
7) Полученную сумму поместить в регистр DX (регистр СХ, обычно используется для организации циклических вычислений);
Итак, мы видим, что на вычисление простой суммы ушло несколько действий микропроцессора. Микропроцессор работает со скоростью определяемой тактовой частотой генератора импульсов. В современных компьютерах эта частота достигает 600 - 2000 (600 МГц - 2 ГГц) миллионов колебаний (импульсов) в секунду. Частота, обычно указывается в маркировке микропроцессора. Но реальная производительность микропроцессора определяется тактовой частотой деленной на число операций затрачиваемых на элементарное вычисление (сложение или вычитание). Производительность компьютера определяется в MIPS (Миллионов операций в секунду) и всегда намного меньше тактовой частоты процессора.


Яндекс.Метрика    ©Гуков Константин Михайлович 2006 - 2012     Почта: juvel@mail.ru