Микропроцессор - Лекция, раздел Информатика, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ Микропроцессор (Мп; Cpu – Central Processing Unit (Центральный Обрабатывающий...
Микропроцессор (МП; CPU – Central Processing Unit (центральный обрабатывающий модуль)) – центральный блок ЭВМ, управляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляющих микропроцессорную память.
Основные функции МП:
- выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и операндов, над которыми эта команда осуществляется;
- управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;
- обработка прерываний;
- управление компонентами ЭВМ.
Микропроцессор (рис. 8.2) состоит из следующих блоков:
АЛУ – арифметико-логическое устройство;
ДБ – другие блоки (математический сопроцессор, модуль предсказания ветвлений);
ДК – дешифратор команд;
ИМП – интерфейс микропроцессора;
Кэш L1 – кэш-память первого уровня;
Кэш L2 – кэш-память второго уровня;
МПП – микропроцессорная память;
РОН – регистры общего назначения;
РС – регистры смещений;
РФ – регистр флагов;
СР – сегментные регистры;
УС – устройство синхронизации;
УУ – устройство управления.
Рассмотрим назначение этих блоков МП.
Устройство управления (УУ) выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:
1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
Структура микропроцессора
2) выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
3) расшифровка кода команды дешифратором команды (ДК);
4) формирование полных адресов операндов;
5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;
6) запись результатов команды в память;
7) формирование адреса следующей команды программы.
Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет и т. д., образуя конвейер команд.
Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8-32 Кбайт.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.
Устройство синхронизации (УС) определяет дискретные интервалы времени – такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.
Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные временно помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня – 256-2048 Кбайт. Ранее кэш-память второго уровня размещалась на материнской плате.
Микропроцессорная память (МПП) включает 14 основных двухбайтовых запоминающих регистров и множество (до 256) дополнительных регистров. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различного размера. Основные регистры можно разделить на 4 группы.
1. Регистры общего назначения (РОН, универсальные регистры): AX, BX, CX, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта – AH, BH, и регистром младшего (low) байта – AL, BL, CL, DL. Например, структура регистра AX имеет вид
Структура регистра AX
Универсальные регистры имеют свое предназначение:
АХ – регистр-аккумулятор, с его помощью осуществляется ввод-вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведения, частного) после ее завершения;
ВХ часто используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;
СХ – регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;
DX – используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умножения и деления.
2. Сегментные регистры (СР) используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения команд кода (регистр CS), данных (DS), стека (SS), дополнительной области памяти данных при обмене между сегментами (ES).
3. Регистры смещений (РС) IP, SP, ВР, SI, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).
4. Регистр флагов (РФ) FL содержит одноразрядные флаги, управляющие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения 0 или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга. Всего в регистре 9 флагов: 6 – статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 – управляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги пошагового выполнения программы, прерываний и направления обработки данных).
МПП – это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.
Другие блоки (ДБ) – это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ производит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняет математический сопроцессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок предсказания ветвлений программы просматривает программу на несколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80-90%.
Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполнения. В некоторых случаях выполнение программы необходимо прервать, например, в случае ошибки вычисления. Такие случаи называются прерываниями. Выделяют два типа прерываний:
1) внутри процессорные прерывания, возникающие из-за непреодолимого препятствия в выполнении программы, например, запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;
2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требует обмен данными с внешним устройством, например, приводом компакт-дисков, а он не готов.
Основными параметрами МП являются тактовая частота, разрядность и рабочее напряжение.
Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота современных МП измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 109 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП, и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 106 Гц). В настоящее время рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц (2011 г.).
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью внутренней шины, то есть количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel имеют 64 разряда.
Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.
МП все время с момента включения до момента выключения выполняет команды. Если поток команд заканчивается, например, в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.
Глава Лекция Задачи учебной дисциплины Информатика это наука... Основные понятия... Обычно под информацией понимается совокупность сведений расширяющая представление об объектах и явлениях окружающей...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Микропроцессор
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Москва, 2012
Оглавление
Глава 1. Лекция 1. 2
1.1. Задачи учебной дисциплины 2
1.2. Основные понятия 2
1.3. Системы счисления 6
1.3.1. Двоичная,
Задачи учебной дисциплины
Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей сведения о технических, программных и алгоритмических средствах организации современных информационных систем и формирующей у обучаемо
Системы счисления
Система счисления – это соглашение о представлении чисел посредством конечной совокупности символов (цифр) A = {a0, a1, …, an-1}, называемой алфавито
Перевод целых чисел
Правила перевода числа в другую, не десятичную систему счисления различаются для целых и дробных чисел.
Перевод целого числа X осуществляется по следующему алгоритму:
1) получить
Перевод дробных чисел
Если при переводе конечной дроби в другую систему счисления получается конечная дробь, то такой перевод называется точным. Если при переводе получается бесконечная дробь, тогда перевод называется п
Логические основы ЭВМ
Принципы работы ЭВМ основываются на законах математической логики, поэтому ее элементы широко используются для поиска и обработки информации и при разработке схем электронных устройств.
Ма
Логические функции
Логическая функция (функция алгебры высказываний) f(X1, X2, …, Xn) от n переменных – n-арная операция на множестве [0; 1]. В этой функции логические переменные X
По этапам создания
Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или т
Системная шина
В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Та
Постоянное и оперативное ЗУ
Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к
Внешние ЗУ
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств
Магнитные носители
Магнитные носители основаны на свойстве материалов находиться в двух состояниях: «не намагничено»-«намагничено», кодирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считыв
Оптические носители
Оптические носители представляют собой компакт-диски диаметром 12 см (4,72 дюйма) или мини-диски диаметром 8 см (3,15 дюйма). Оптические носители состоят из трех слоев:
1) поликарбонатная
Видеокарта
Видеоподсистема ЭВМ включает два устройства:
1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию пользователю;
2) видеокарта (ВК; видеоконтроллер
Монитор
Основными характеристиками мониторов являются размер экрана, разрешение, размер зерна и частота развертки монитора.
Размер экрана монитора задается величиной его диагонали в дюймах. Принят
Контроллеры портов ввода-вывода
Контроллер порта ввода-вывода (КПВВ) обеспечивает интерфейс между периферийным устройством, подключенным к порту КПВВ, и системной шиной.
Порты ввода-вывода делятся на два типа в зависимос
Клавиатура
Клавиатура – это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101-104 клавиши, размещенные по стандарту QWERT
Принтеры
Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из ЭВМ и фиксирующие их на бумаге. Основными характеристиками принтеров являются разрешающая способность, скорость печати, объем уста
Сканеры
Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ информации с бумаги, слайдов или фотопленки.
Различают планшетные и ручные сканеры.
Принцип работы планшетных сканеров заключается в следую
Программное обеспечение ЭВМ
Совокупность программ, процедур и правил, а также документации, связанных с функционированием системы обработки данных, составляют программное обеспечение (ПО; software). Программное и аппаратное о
Операционные системы
Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое ПО, входящее в его систему BIOS, с другой стороны, она сам
Распределение ресурсов ЭВМ между процессами
После запуска программы создается соответствующий ей процесс, которому выделяются ресурсы ЭВМ. Каждый процесс получает адресное пространство в ОЗУ, содержащее стек, регистры, счетчик команд и други
Поддержание файловой системы
На одном физическом жестком диске может размещаться один или несколько логических дисков. Физический диск – это отдельное устройство. ОС разбивает физический диск на несколько разделов, в каждом из
Обеспечение интерфейса пользователя
По реализации интерфейса пользователя различают интерфейс командной строки и графический интерфейс.
Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управ
Драйверы устройств
Чтобы управлять устройствами, используются драйверы устройств – специальные программы, которые выполняют две основные задачи:
1) перевод команд ОС в команды контроллера и обратно;
Понятие алгоритма
В основу работы ЭВМ положен программный принцип управления, состоящий в том, что ЭВМ выполняет действия по заранее заданной программе. Программа – это упорядоченная последовательность команд, котор
Алгоритмизация
Алгоритмизация – процесс разработки и описания алгоритма решения какой-либо задачи.
Пусть имеется некоторая математическая задача, которая может быть решена одним из известных математическ
Словесная запись алгоритмов
Самой распространенной формой представления алгоритмов, адресуемых человеку, является обычная словесная запись. В этой форме могут быть выражены любые алгоритмы. Но если такой алгоритм предн
Схемы алгоритмов
Схема алгоритма – это графический способ его представления с элементами словесной записи. Каждое предписание алгоритма изображается с помощью плоской геометрической фигуры – блока. Отсюда название:
Технология разработки алгоритмов
Опыт практической алгоритмизации и программирования привел к формированию неких общих принципов и методов проектирования, разработки и оформления алгоритмов.
Какими качествами должен облад
Разработка программы
Процесс программирования - это запись разработанного алгоритма на специальном языке (языке программирования) - представление алгоритма на языке, "понятном" исполнителю (вычислительной маш
Отладка и тестирование программы
Отладка программы – это процесс поиска и устранения ошибок. Часть ошибок формального характера, связанных с нарушением правил записи конструкций языка или отсутствием необходимых описаний, обнаружи
Вычислительные сети
Вычислительная сеть (информационно-вычислительная сеть) – это совокупность узлов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему.
Модель взаимодействия открытых систем
Для описания общей модели взаимодействие открытых систем используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection). Модель OSI состоит из 7 уровней (от низших к высшим):
1) физически
Сетевые протоколы
Протоколы – это соглашение о формате и правилах передачи данных по сети. Протоколы обладают следующими свойствами:
- протоколы работают на разных уровнях модели OSI, поэтому функции проток
Топологии вычислительных сетей
Вычислительные машины, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической сх
Виды коммутации
Основным назначением узлов коммутации является прием, анализ, а в сетях с маршрутизацией еще и выбор маршрута, и отправка данных по выбранному направлению.
Узлы коммутации осуществляют оди
Способы адресации ЭВМ в сети
В вычислительных сетях существуют три способа адресации.
1. Аппаратные адреса представляют собой шестнадцатеричные номера (12 цифр; например: 00-08-74-96-92-5C). Присвоение аппаратных адре
Маршрутизация
Маршрутизация необходима для обеспечения следующих характеристик:
- максимальной пропускной способности сети;
- минимального времени прохождения пакета от отправителя к получателю
Глобальная сеть
Сеть Интернет – это глобальная сеть, соединяющая сети различного размера по всему миру. Сеть Интернет – это информационное пространство, содержащее огромное количество информации, хранилище информа
Протоколы сети Интернет
Протоколы сети Интернет можно разделить на два типа: базовые и прикладные. Базовые протоколы – это протоколы нижнего уровня. Они обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети Интер
Система адресации в Интернет
Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет, присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом.
IP-адрес используется в протоколах передачи данных. IP-адрес содержит полную информа
Электронная почта
Служба электронной почты (electronic mail, e-mail) появилась раньше сети Интернет, однако она остается популярным способом пересылки сообщений. Электронное письмо похоже на письмо, пересылаемое по
Служба WWW
Всемирная сеть (WWW) – самая популярная служба на базе сети Интернет благодаря своей доступности, простоте и удобству использования. Всемирная сеть объединяет веб-серверы, хранящие гипертекстовые д
Служба передачи файлов
Файлы большого объема можно переслать по электронной почте или разместить на веб-сервере. Однако пересылка по электронной почте возможно лишь нескольким получателям, а размещение файлов на веб-серв
Базы данных и СУБД
Одной из задач информационных систем является хранение данных из определенной предметной области. Предметная область – это часть реального мира, объединяющая схожие или связанные понятия. Чтобы нео
Свойства базы данных
Самодокументированность. БД должна иметь словарь данных в специально отведенном месте, которое используется для хранения информации о самой базе данных. Словарь содержит информацию: об архит
Реляционная модель данных
Классификация СУБД по типу модели данных:
Дореляционные
Инвертированные списки (файлы)
Иерархические
Сетевые
Реляционные
Постреляционные
Нормализация отношений
Нормализация отношений – это приведение отношений к виду, позволяющему устранить дублирование, обеспечить непротиворечивость данных, хранимых в БД, и уменьшить трудозатраты на ведение БД.
Типы связей
Отношения могут быть связаны следующими типами связей:
- один-к-одному (1:1);
- один-ко-многим (1:M);
- многие-ко-многим (M:M).
Рассмотрим сущность этих связей н
Список дополнительной литературы
Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 560 с. Велихов А.В. Основы информатики и компьютерной техн
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов