ЛК_4_ААС_25_26

1. Внутренняя организация процессора

СмолАПО 2025

2.

Микропроцессор
—
это
центральный
блок
персонального компьютера, предназначенный для
управления работой всех остальных блоков и
выполнения арифметических и логических операций
над информацией.

3. Принципы Дж.фон Неймана (Архитектура фон Неймана)

Дж. фон Нейман (John von Neumann) в 1945 г. сформулированы следующие
принципы построения ЭВМ:
◉ Принцип программного управления. Программа состоит из набора
команд, которые выполняются процессором автоматически друг за
другом в определённой последовательности. Выборка программы из
памяти производится с помощью счётчика команд (программного
счётчика). Счётчик команд представляет собой регистр процессора, в
котором хранится адрес следующей выполняемой команды программы.
При выполнении команды содержимое счётчика команд автоматически
увеличивается на длину команды.
◉ Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в
одной и той же памяти. Таким образом, ЭВМ не различает, что хранится в
данной ячейке памяти – текст, число или команда.
◉ Принцип адресности. Основная память ЭВМ состоит из набора
пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени
доступна любая ячейка.
3

4. Гарвардская архитектура

В Гарвардской архитектуре различаются два вида памяти:
◉ память программ
◉ память данных
В ряде случаев для памяти программ и памяти данных выделяются
отдельные шины обмена данными. Эти особенности определили области
применения этой архитектуры построения микропроцессоров.
Гарвардская архитектура применяется в микроконтроллерах, где
требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в
сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения высокой
надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость
выполнения программы за счёт одновременного считывания управляющих
команд и обрабатываемых данных, а также запись полученных результатов в
память данных.
4

5. Классификация микропроцессоров

По области применения определилось три направления развития
микропроцессоров:
◉ универсальные микропроцессоры;
◉ микроконтроллеры;
◉ сигнальные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения
широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная
производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых
задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное
выполнение определенных функций позволяет резко увеличить
эффективную производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров выделяют
микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных
последовательностей логических операций и сигнальные процессоры,
эффективные при применении методов цифровой обработки сигналов (ЦОС)
– Digital Signal Processing (DSP).
5

6. Классификация микропроцессоров по архитектуре и набору команд

По архитектуре выделяют:
◉
CISC-микропроцессоры (Complete Instruction Set Computer).
характеризующиеся полным набором команд и имеют следующий
набор свойств:
- нефиксированное значение длины команды;
- арифметические действия кодируются в одной команде;
-небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго
определённую функцию.
Суперскалярный процессор — процессор, поддерживающий так
называемый параллелизм на уровне инструкций за счёт включения в состав
его вычислительного ядра нескольких одинаковых функциональных узлов
(таких как АЛУ, умножитель сдвигающее устройство и другие устройства).
6

7. Классификация микропроцессоров по архитектуре и набору команд

◉
RISC-микропроцессоры (Reduce Instruction Set Computer) – МП с
сокращённым (с усеченным)набором команд одинакового формата,
выполняемых за один такт МП.
Они выполняют небольшой (50-150) набор команд, тогда как
обычные CISC выполняют 150-250.
Характерные особенности RISC –процессоров
1. Одинаковая длина команд (упрощает выборку из памяти);
2. Использование большого количество регистров -снижает использование ОП;
3. 2-3 способа адресации, в основном регистровая.
4. Сокращенный набор команд - 50-150 команд (позволяет
обойтись без схемы микропрограммного управления);
5. Простые способы адресации памяти (обеспечивает отсутствие
сложных вычислений адреса);
6. Отсутствие совмещенной операции чтения/записи с обработкой данных;
7. Необходимость соответствующей компиляции программ для повышения
эффективности;
8. Несовместимость с набором команд CISC МП .
В настоящее время CISC и RISC сливаются, т.к. большинство CISC МП основаны на
ядре RISC.
7

8. Классификация микропроцессоров по архитектуре и набору команд

Достоинства и недостатки RISC-микропроцессоров
Достоинства:
— высокая тактовая частота;
— высокая скорость выполнения команд;
—уменьшение площади кристалла :МП POWER
PC — 121 мм2 (Apple),
Pentium— 292 мм2 (Intel)
— уменьшение мощности потребления: МП POWER PC — 8,5 Вт,
Pentium —
16 Вт.
— уменьшение стоимости.
Недостатки:
— необходимость моделирования сложных команд

9. Классификация микропроцессоров по архитектуре и набору команд

- VLIW микропроцессоры (Very Length Instruction Word) - МП с со сверхбольшим
командным словом
Архитектура МП с несколькими вычислительными устройствами. Одна
инструкция процессора содержит несколько операций, которые выполняются
параллельно.
В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей,
но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет
процессор и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения
решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное
устройство должно выполнять какую команду.
VLIW можно считать продолжением идеологии RISC, расширяющей её на
архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции
явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина
инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.
Подход VLIW сильно упрощает архитектуру процессора, перекладывая задачу
распределения вычислительных устройств на компилятор. Поскольку отсутствуют большие
и
сложные
узлы,
значительно
снижается
энергопотребление.
В то же время, код для VLIW обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества
пустых инструкций для простаивающих устройств программы для VLIW-процессоров
могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

10. Классификация микропроцессоров по архитектуре и набору команд

MISC процессоры (Minimum Instruction Set Command)
Процессор, работающий с минимальным набором длинных команд и весьма
высоким быстродействием .
Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в
одно большое слово. Это позволило использовать возросшую производительность
компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков
данных.
Процессоры, образующие «компьютеры с минимальным набором команд» MISC, как
и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего
встречающихся команд.
Вместе с этим, принцип «очень длинных слов команд» VLIW обеспечивает
выполнение группы команд за один цикл работы процессора.
Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную RISC и
VLIW концепции. Компоненты такого процессора просты и работают с высокими
скоростями.

11. Функции процессора

1.
2.
3.
4.
5.
чтение и дешифрация команд из основной памяти;
чтение данных из основной памяти и регистров
адаптеров внешних устройств;
прием и обработка запросов и команд от адаптеров
на обслуживание внешних устройств;
обработка данных и их запись в основную память и
регистры адаптеров внешних устройств;
выработка управляющих сигналов для всех прочих
узлов и блоков компьютера

12. Состав процессора:

1. Арифметико-логическое устройство;
2. Устройство управления;
3. Микропроцессорная память;
4. Интерфейсная система микропроцессора.

13.

14. 1. Аритфметико-логическое устройство (АЛУ)

Арифметико-логическое
устройство
(АЛУ)
предназначено для выполнения арифметических и
логических операций преобразования информации.
АЛУ выполняет арифметические операции «+», «–», «×» и
«÷» только над двоичной информацией с запятой,
фиксированной после последнего разряда, то есть только
над целыми двоичными числами.
Функционально в простейшем варианте АЛУ состоит из
двух регистров, сумматора и схем управления (местного
устройства управления).

15. 2. Устройство управления (УУ)

Устройство управления координирует взаимодействие различных частей
компьютера. Выполняет следующие основные функции:
- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени
определенные сигналы управления (управляющие импульсы),
обусловленные спецификой выполнения различных операций;
- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией,
и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
- получает от генератора тактовых импульсов обратную
последовательность импульсов.

16. 2. Устройство управления (УУ)

Устройство управления (УУ) состоит из:
1. регистра команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код
выполняемой операции (КОП) и адреса операндов, участвующих в операции
2. дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с
поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества
имеющихся у него выходов;
3. постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих
ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК
процедур обработки информации.
4. узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство,
вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из
регистра команд и регистров МПП;
кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней интерфейсной
шины микропроцессора.

17. 3. Микропроцессорная память

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения,
записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в
ближайшие такты работы машины.
Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для
обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не
всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую
для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из:
1. универсальных регистров: АХ, ВХ, СХ, DX;
2. сегментных регистров: CS, DS, SS, ES;
3. регистров смещения: IP, SP, BP, SI, DI;
4. регистра флагов: FL.

18. 3. Микропроцессорная память

Микропроцессорная память строится на регистрах и
используется для обеспечения высокого
быстродействия компьютера, так как основная
память не всегда обеспечивает скорость записи,
поиска и считывания информации, необходимую
для эффективной работы быстродействующего
микропроцессора

19. 4. Интерфейсная система процессора

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с
системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа
команд выполняемой программы и формирования полных адресов
операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав:
адресные регистры МП;
узел формирования адреса;
блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП;
внутреннюю интерфейсную шину МП;
схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

20. 4. Интерфейсная система процессора

Порты ввода-вывода - это пункты системного интерфейса ПК, через которые
МП обменивается информацией с другими устройствами.
Всего портов у МП может быть 65 536 (равно количеству разных адресов,
которые можно представить числом формата «слово»). Каждый порт имеет
адрес — номер порта; по существу, это адрес ячейки памяти, являющейся
частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью
основной памяти компьютера.
Порту устройства соответствуют аппаратура сопряжения и два регистра
памяти - для обмена данными и управляющей информацией.
Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения
больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные
устройства (НЖМД, клавиатура, принтер и т. д.) имеют постоянно
закрепленные за ними порты ввода-вывода.

21. Алгоритм функционирования процессора

Этапы цикла выполнения:
1.Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счетчика
команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
2.Выставленное число является для памяти адресом; память,
получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое,
хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о
готовности;
3.Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его
как команду (машинную инструкцию) из своей системы
команд и исполняет её;
4.Если последняя команда не является командой перехода,
процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина
каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике
команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
5.Снова выполняется п. 1.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется
процессом (откуда и произошло название устройства).

22. Алгоритм функционирования процессора

Схемно реализованный алгоритм назван процессором. Суть этого
алгоритма сводится к циклическому исполнению следующих шагов,
показанных на рисунке.
22

23. Основные характеристики процессоров

Производительность –
секунду.
Процессор
количество операций, выполненных в
выполняет
арифметические
и
логические
операции. Производительность зависит от тактовой частоты и
разрядности.
Тактовая частота – количество тактов в секунду.
Такт – интервал времени между началами соседних тактовых
импульсов. Тактовая частота измеряется в Ггц.
Разрядность
–
размер минимальной порции информации,
обрабатываемой процессором за такт. Измеряется в битах

24.

Степень
интеграции
характеризует
количество транзисторов в процессоре.
Количество транзисторов в современных
процессорах достигает отметки 4 млрд.
Техпроцесс - это масштаб технологии,
которая
определяет
размеры
полупроводниковых
элементов,
составляющих основу внутренних цепей
процессора (эти цепи состоят из
соединенных соответствующим образом
между
собой
транзисторов).
Совершенствование
технологии
и
пропорциональное уменьшение размеров
транзисторов способствуют улучшению
характеристик процессоров.

25.

Семейство процессоров Intel
Celeron
Core i7
Intel
Core 2-5
Семейство процессоров Intel
Pentium

26.

Семейство процессоров AMD
Sempron
Athlon II
Athlon
AMD
Phenom II
Семейство процессоров AMD
Phenom

27.

ПРОЦЕССОРЫ INTEL: СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
№
п/п
Название
Год
выпус
ка
Частота
Кэшпамять
Количест
во транзис
торов
Разрядность
(бит)
Технология
(мкм)
1
Pentium
।।
1997
233 – 300 МГц
32 кб L1
512 кб L2
7.5 млн.
32
0,25
2
Celeron
1998
128 кб L1
7.5 млн. –
19 млн.
32
0,25
3
Pentium
।।।
1999
450 МГц –
1 ГГц
32 кб L1
512 кб L2
9—
28 млн.
32
0,18
4
Pentium 4
2000
1,3 — 3,4 ГГц
8 кб L1, 256 –
512 кб L2
32
0,18 –
0,13
5
Pentium D
2005
2,8 – 3,2 ГГц
16 кб L1, 2×1Мб L2
230млн.
32( с 64-битным
расширением)
0,09
6
Intel Core
2
2006
3 ГГц
4 Мб L2—
2x6 Мб L2
291 млн.
64
65 нм
45 нм
7
Intel Core
i7
2008
2.66—
3.33 ГГц
(4х256 Кб L2, 8 Мб
L3)
731 млн.
64
45 нм
266 – 500 МГц
44 – 60
млн.

28.

Что нужно знать при выборе процессора:
1. Семейство (линейка, серия) и модель процессора
2. Сокет
3. Тактовая частота
4. Размер кэша
3. Тип и частота поддерживаемой оперативной памяти
4. Частота системной шины (в некоторых случаях)

29. Технологии повышения производительности процессора

Увеличение производительности процессора, за счет поднятия
тактовый частоты, имеет жесткое ограничение. Увеличение
тактовой частоты влечет за собой повышение температуры
процессора, энергопотребления и снижение стабильности
его работы и срока службы.
Поэтому разработчики процессоров применяют различные
архитектурные решения, позволяющие увеличить
производительность процессоров без увеличения тактовой
частоты.
Рассмотрим основные способы повышения производительности
процессоров.

30. Многоядерность

Подавляющее большинство современных процессоров имеют четыре и более
ядра. Мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо
решать каждый свои задачи, при этом возрастает производительность. Однако
прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания.
Во-первых не все программы поддерживают распределение вычислений на
несколько ядер. Можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре
работал свой набор независимых программ. Но это дает выигрыш в
производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов
больше, чем может дать одно ядро.
Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер – много, и всем им
требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность
доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ.
В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается
тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.
В-четвертых, себестоимость производства многоядерных процессоров высокая.
Несмотря на все недостатки, применение многоядерных процессоров дает
значительный прирост производительности.

31. Технология Hyper-Threading

Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру
процессора выполнять две задачи одновременно, делая из
одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за
того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух
потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик
команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока.
В результате, операционная система видит такое ядро, как два
отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала
бы с двуядерным процессором.
Однако остальные элементы ядра для обоих потоков – общие, и
делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине
один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток
использует свободные блоки.

32. Технология Turbo Boost

Производительность большинства современных процессоров
можно поднять, разогнать – заставить работать на частотах,
превышающих номинальную.
Частота процессора рассчитывается, как частота системной
шины, умноженная на некий коэффициент, называемый
множителем. Например, процессор Core i7-970 работает с
системной шиной DMI на базовой частоте – 133 МГц, и имеет
множитель – 24. Таким образом, тактовая частота ядра
процессора составит: 133 Мгц*24= 3192 Мгц.
Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять
тактовую частоту системной шины, то тактовая частота
процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его
производительность. Однако процесс этот – далеко
небезопасный. Из-за разгона процессор может работать
нестабильно или вообще выйти из строя.