Lektsia_9-10_Organizatsia_raboty_i_funktsionirovanie_protsessora_Ustroystva_vkhodyaschie_v_sostav_TsP

1. Организация работы и функционирование процессора

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ И
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССОРА
Устройства,
входящие в состав процессора

2. Центральный процессор (ЦП)

■
это основное устройство ЭВМ, осуществляющее
обработку данных и выполняющее функции управления
системой (инициирование ввода/вывода, управление
доступом к основной памяти, обработку сигналов,
поступающих от различных внешних устройств и от
внутренних устройств ЭВМ и др.).

3. 1. Логическая структура ЦП

■ Организация центрального процессора (ЦП) определяется
архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и
форматы команд, представление чисел, способы
адресации, общая организация машины и её основные
элементы),
а
также
технико-экономическими
показателями.

4. Логическая структура ЦП

5. Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств

Логическую структуру ЦП представляет
ряд функциональных средств
■ Средства обработки обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной
точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями
переменной длины.
■ Локальная память состоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей
точкой, а также управляющих регистров.
■ Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к
ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и
средства защиты памяти.
■ Средства управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ
к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).
■ К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического
времени, таймер, коммутатор и т. д.

6. Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он

включает в себя:
■ регистры общего назначения;
■ средства выполнения стандартного набора операций;
■ средства управления вычислительным процессом.
Конкретная реализация ЦП может различаться составом
средств, способом их реализации, техническими
параметрами.

7. 2. Структурная схема процессора

Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на
следующие устройства:
■ Центральное устройство управления;
■ Арифметико-логическое устройство;
■ Устройство управления памятью;
■ Сверхоперативное запоминающее устройство;
■ Устройство предварительной выборки команд и данных;
■ Интерфейс магистрали.

8.

9. Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

Центральное устройство управления
(ЦУУ) включает дешифратор команд, блок
управления и блок прерываний.
■ Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые
поступают из блока предварительной выборки.
■ Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих
сигналов, которые поступают на все блоки процессора,
обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к
выполнению следующей.
■ Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы
прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.

10. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

Арифметико-логическое устройство
(АЛУ) выполняет все арифметические и
логические операции ЭВМ. В состав
устройства входят:
• сумматоры,
• буферные и рабочие регистры,
• специализированные аппаратные средства (блок ускоренного
умножения),
• собственный блок управления (иногда).
Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой
выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные
регистры данных, регистры управления и работает параллельно с
блоком операций с фиксированной точкой.

11. Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ)–

■ Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ)–
(регистровый файл) содержит регистры общего
назначения, в которых хранятся данные и адреса.

12. Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого

уровня).
■ Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд,
причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между
магистральными циклами команд.
■ Во внутренней кэш-памятиосуществляется буферизация часто используемых
команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность
процессора, сокращается число обращений к ОП.

13. Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП.

■ Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации,
осуществляющих двухступенчатое формирование физического
адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в
пределах страницы.
■ Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование
обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.
■ Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и
является инструментом программиста, в то время как страницы
позволяют системному программисту эффективно использовать
физическую память ЭВМ.

14. Интерфейс магистрали

■ Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена
(связь по определенным правилам) ЦП с памятью,
каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими
активными устройствами системы ЭВМ.
■ Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и
управления.

15. В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это

могут быть:
■ несколько целочисленных устройств;
■ устройство плавающей точки (блок FPU);
■ устройство выполнения переходов;
■ устройство загрузки/записи.

16. Перспективные типы процессоров ЭВМ

17. Ассоциативные процессоры (associative processors)

это специализированные устройства в компьютерной
архитектуре, которые обрабатывают данные на основе
ассоциативной памяти.
В отличие от традиционных процессоров, где доступ к
данным происходит по адресу (как в RAM), здесь поиск и
обработка ведутся по содержимому данных.
Это позволяет параллельно обрабатывать большие объемы
информации, делая их полезными для задач вроде поиска,
фильтрации и анализа в реальном времени.

18. Матричный процессор (array processor)

Матричный процессор (array
processor)
это процессор ЭВМ, представляющий собой сеть из более
простых процессоров, обладающих своей собственной памятью,
работающих параллельно и обменивающихся информацией со
своими ближайшими соседями.
Такие процессоры относятся к архитектуре с одним потоком
команд и несколькими потоками данных (SIMD).
SIMD (Single Instruction, Multiple Data) — технология
параллельной обработки данных, которая позволяет выполнить
одну инструкцию для нескольких элементов данных
одновременно. Также SIMD — один из классов вычислительных
систем в классификации Флинна.

19. Клеточные и ДНК-процессоры 

Клеточные и ДНК-процессоры
термины, которые относятся к биокомпьютингу —
междисциплинарной области, объединяющей биологию,
информатику и инженерию.
Она включает проектирование и создание вычислительных
систем с использованием биологических материалов, таких
как ДНК, белки, ферменты и живые клетки.

20. Коммуникационные процессоры (интерфейсные процессоры, контроллеры связи)

Коммуникационные
процессоры (интерфейсные
процессоры, контроллеры связи)
это устройства, которые оптимизированы для сетевой
работы и взаимодействуют с другими процессорными
узлами, сетями или периферийными устройствами.
Цель — разгрузить вычислительный процессор от нагрузки,
связанной с передачей сообщений между узлами.

21. Процессоры для работы с базами данных (серверные процессоры)

Процессоры для работы с базами
данных (серверные процессоры)
это специализированные вычислительные системы,
предназначенные для выполнения всех или некоторых
функций систем управления базами данных (СУБД).
Они выполняют функции управления и распространения
данных, обеспечивают дистанционный доступ к информации
через шлюзы, а также репликацию обновлённых данных.

22. Потоковые процессоры 

Потоковые процессоры
это процессоры, в основе работы которых лежит принцип
обработки многих данных с помощью одной команды.
Такие процессоры принадлежат к архитектуре SIMD (single
instruction stream / multiple data stream).

23. Нейронный процессор (Neural Processing Unit, NPU)

специализированный микропроцессор, созданный для
ускорения задач искусственного интеллекта (ИИ) и
машинного обучения, включая алгоритмы искусственных
нейронных сетей и компьютерное зрение.
Также известен как ускоритель ИИ или процессор глубокого
обучения.

24. Процессоры с многозадачной (нечёткой) логикой (fuzzy logic)

Процессоры с многозадачной
(нечёткой) логикой (fuzzy logic)
это специализированные аппаратные средства, которые
позволяют выполнять нечёткие операции и приближённые
рассуждения (нечёткий вывод) в соответствии с правилами
логического вывода.
Такие процессоры работают на базе нечёткой математики,
которая позволяет работать с входными данными,
постоянно меняющимися во времени, и значениями,
которые невозможно задать однозначно.