Общая характеристика и принципы работы микропроцессора
Микропроцессор, иначе, центральный процессор.
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
- арифметико-логическое устройство;
- шины данных и шины адресов;
- регистры;
- счетчики команд;
- кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Он вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.
Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены:
Регистр команд - запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
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 шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур.
выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов) , определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
выборки операндов (по сформированным адресам ) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
записи результатов операции в память;
формирования адреса следующей команды программы.
Арифметикo-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2)-разрядность слова.
При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции - результат; в Pr2- второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.
Порты ввода-вывода - это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536.
Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:
- формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
- прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
- организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода-вывода и МП.
В конце последнего (в данном случае пятого) такта выполнения команды в регистр-счетчик адреса команд МПП будет добавлено число, равное количеству байтов, занимаемых кодом выполненной команды программы. Поскольку емкость одной ячейки памяти ОЗУ равна 1 байту и команды программы в ОЗУ размещены последовательно друг за другом, в регистре-счетчике адреса команд будет сформирован адрес следующей команды машинной программы, и машина приступит к ее исполнению и т.д. Команды будут выполняться последовательно одна за другой, пока не завершится вся программа. После завершения программы управление будет передано обратно в программу Command.com операционной системы.