Компонент эвм исполняющий машинные инструкции называется

Основные компоненты эвм: процессор, память, системная шина

Компоненты
ЭВМ можно разделить на 4 основные
категории: про­цессор, оперативная
память и прочие внешние устройства.
Последние по­зволяют компьютеру
обмениваться информацией с человеком
и другими компьютерами, управлять
технологическими
процессами и т. д.

Главная
компонента компьютера — процессор.
Процессор обеспечива­ет обработку
данных, передачу данных, управление
различными устройст­вами. Процессор
имеет собственный достаточно сложный
«язык» и может выполнять фиксированный
набор действий -команд. Последовательность
команд, записанная на языке процессора
и переданная ему для исполнения,
называется машинной программой. Процессор
имеет свою сверхбыструю память, которая
называется регистрами процессора.

Минимальный
элемент памяти (бит) способен хранить
минимально возможный объем информации
— одну двоичную цифру. Биты в памяти
лю­бого вида объединяются в байты —
восьмерки битов. Принято для именова­ния
байтов использовать неотрицательные
целые числа и говорить о номе­рах или
адресах байтов.

Процессор
может прочитать нечто из байта памяти
с адресом N или записать нечто в этот
байт. Для этого от процессора к памяти
должен по­ступить адрес байта, а сам
байт информации должен быть передан от
про­цессора к памяти (при записи) или
от памяти к процессору (при чтении). Эта
информация передается по проводам.
Провода разделены на два пучка, называемые
шинами.

Одна
часть проводов называется шина адреса,
другая — шина данных. Адрес байта
передается по шине адреса, а байт — по
шине данных.

Число
проводов в шине данных называется
разрядностью шины. Обычно разрядность
равна 8, 16, 32 или 64.

Этапы решения задач на эвм

Каждый
из нас имеет определенное представление
о машинном ре­шении задач. Но задачи
бывают разные, и реализация их решения
с помо­щью компьютеров иногда
представляется делом непростым. При
этом зна­чительные усилия тратятся
на подготовку задачи к ее решению на
машине (так называемая домашинная
подготовка). И чем сложнее задача, тем
более трудоемкой становятся и домашинная
подготовка, и машинная реализация
решения задачи. Действительно, если
требуется перемножить числа или вычислить
какое-либо значение тригонометрической
функции, то достаточ­но нажать на
несколько клавиш микрокалькулятора,
чтобы получить доста­точно быстро
результат. С такой задачей легко
справиться, когда имеется персональный
компьютер, позволяющий работать в режиме
микрокальку­лятора. А вот с решением
задачи вычисления корней квадратного
уравнения или задачи поиска наибольшего
числа среди заданных и т. п. связаны
опре­деленные трудности.

В
общем, случае выделяют несколько этапов
в подготовке и решении задач на ЭВМ.

Формулировка
условия любой математической задачи
начинается с описания исходных данных
и предпосылок, которые излагаются на
языке строго определенных математических
понятий. Затем формулируется цель
решения, т. е. указывается, что именно
необходимо определить в результате
решения задачи. Точную формулировку
условия задачи называют также
математической постановкой задачи,
начинается именно с его постановки. В
результате постановки задачи выделяются
исходные данные или аргументы и те
величины, значение которых нужно
определить, т. е. результаты. Постановка
задачи является первым этапом ее решения.

После
постановки задачи начинается поиск
метода ее решения. При использовании
ЭВМ для решения задачи строится алгоритм.
Таким обра­зом, следующим этапом
решения задачи является построение
алгоритма. Алгоритм может быть записан
на алгоритмическом языке или в виде
блок-схем.

Теперь
необходимо записать алгоритм в виде,
доступном исполнению на ЭВМ. Так как
ЭВМ «понимает» специальный язык,
называемый языком программирования,
то алгоритм должен быть записан на таком
языке. Этот этап решения задачи называется
записью алгоритма на языке программиро­вания.

Следующий
этап — исполнение алгоритма с помощью
ЭВМ. Этот этап завершается получением
результата решения.

Наконец,
завершающий этап решения задачи — анализ
полученных ре­зультатов. Этот анализ
проводится с целью определения, насколько
точно полученные результаты соответствуют
реальности. Анализ результатов по­могает
уточнить модель, если это необходимо.
Кроме того, при решении за­дачи могут
быть получены результаты, которые
противоречат смыслу задачи.

Во
многих случаях анализ результатов
задачи тоже проводится на

ЭВМ.

Итак,
решение задачи с помощью ЭВМ разбивается
на следующие этапы:

— постановка
задачи,
включающая построение математической
модели и выделение аргументов и
результатов;

• построение
  алгоритма;

• запись
  алгоритма на языке программирования;

• реализация
  алгоритма с помощью ЭВМ;

• анализ
  полученных результатов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Основные элементы ЭВМ. Центральный микропроцессор

---

---

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм…

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени…

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил…

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах…

Понятие и структура педагогической техники Педагогическая техника представляет собой важнейший инструмент педагогической технологии, поскольку обеспечивает учителю и воспитателю возможность добиться гармонии между содержанием профессиональной деятельности и ее внешним проявлением… Репродуктивное здоровье, как составляющая часть здоровья человека и общества   Репродуктивное здоровье – это состояние полного физического, умственного и социального благополучия при отсутствии заболеваний репродуктивной системы на всех этапах жизни человека… Случайной величины Плотностью распределения вероятностей непрерывной случайной величины Х называют функцию f(x) – первую производную от функции распределения F(x): Понятие плотность распределения вероятностей случайной величины Х для дискретной величины неприменима…

Измерение следующих дефектов: ползун, выщербина, неравномерный прокат, равномерный прокат, кольцевая выработка, откол обода колеса, тонкий гребень, протёртость средней части оси Величину проката определяют с помощью вертикального движка 2 сухаря 3 шаблона 1 по кругу катания… Неисправности автосцепки, с которыми запрещается постановка вагонов в поезд. Причины саморасцепов ЗАПРЕЩАЕТСЯ: постановка в поезда и следование в них вагонов, у которых автосцепное устройство имеет хотя бы одну из следующих неисправностей: — трещину в корпусе автосцепки, излом деталей механизма… Понятие метода в психологии. Классификация методов психологии и их характеристика Метод – это путь, способ познания, посредством которого познается предмет науки (С…

Запрос «ЦП» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

История

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц^[1] и стоил 300 долл.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной памяти.

Затем проследовала его модификация 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпруживающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Перспективы

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

• Оптические компьютеры — в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны).

• Квантовые компьютеры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

• Молекулярные компьютеры — вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого^{[источник не указан 507 дней]} Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал^{[источник не указан 507 дней]} схему постройки компьютера в 1946 году.

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика 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.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановка или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• получение и декодирование инструкции,
• адресация и выборка операнда из ОЗУ,
• выполнение арифметических операций,
• сохранение результата операции.

После освобождения -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в ступеней займёт единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт единиц времени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку, дешифровку и т. д.), и для исполнения команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения команд понадобится всего лишь единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1. Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).
2. Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution).
3. Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что повышает производительность процессора, но, однако, приводит к увеличению длительности простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.

Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы являются, например, технология Hyper-threading.

CISC-процессоры

Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП), исполняемые RISC-ядром).

RISC-процессоры

Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово reduced нередко ошибочно переводят как «сокращённый»). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

VLIW-процессоры

Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше). Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.

Многоядерные процессоры

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра.

В октябре 2004 года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристале Core Duo, для мобильной платформы.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.^[2] 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom.^[3] Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырёхъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач^{[источник не указан 1184 дня]}.

К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (по сравнению с первым поколением Phenom), процессоры стали изготавливаться по 45-нм техпроцессу (это, соответственно, позволило снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты). В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7^{[источник не указан 1193 дня]}. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация немного изменилась в пользу AMD.

На данный момент^{[когда?]} массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами, а также 2, 3 и 4-модульные процессоры AMD поколения Bulldozer. В серверном сегменте также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem (Intel) и 12-ядерные Opteron (AMD).^[4]

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэша, англ. cache) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

• SISD — один поток команд, один поток данных;
• SIMD — один поток команд, много потоков данных;
• MISD — много потоков команд, один поток данных;
• MIMD — много потоков команд, много потоков данных.

Цифровые сигнальные процессоры

Для цифровой обработки сигналов, особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры (DSP) с параллельной архитектурой.

Процесс изготовления

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой проверяются электрические и временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости (например, при практически рядовой тактовой частоте в 10 ГГц отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны).

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и иногда требует компромиссов со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Следует отметить, что ряд производителей заказных микросхем (foundry) предлагает разработчикам (дизайн-центру или fabless) компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков (Standard cell). Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом, на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния, либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, не выгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров, разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. chipset) представляет задачу, не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора (подробнее см.: Система на кристалле).

Энергопотребление процессоров

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление.

Первые процессоры архитектуры x86 потребляли мизерное (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели требуют до 130 и более ватт. Несущественный на первых порах фактор энергопотребления, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:

• совершенствование технологии производства для уменьшения потребления, поиск новых материалов для снижения токов утечки, понижение напряжения питания ядра процессора;
• появление сокетов (разъемов для процессоров) с большим числом контактов (более 1000), большинство которых предназначено для питания процессора. Так у процессоров для популярного сокета LGA775 число контактов основного питания составляет 464 штуки (около 60 % от общего количества);
• изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону, для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;
• интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;
• появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих не используемые блоки и ядра;
• появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора, при низкой нагрузке.

Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры.

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.

Производители

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM.

Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компании Intel.

Среди процессоров от Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 — Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

По данным компании IDC, по итогам 2009 г.на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 79,7 %, доля AMD — 20,1 %.^[5]

Доли по годам:

Год	Intel	AMD	Другие
2007	78,9 %	13,1 %	8,0 %
2008	80,4 %	19,3 %	0,3 %
2009	79,7 %	20,1 %	0,2 %
2010	80,8 %	18,9 %	0,3 %
2011[6]	83,7 %	10,2 %	6,1 %

СССР/Россия

Основная статья: Российские микропроцессоры

В советское время одним из самых востребованных из-за его непосредственной простоты и понятности, стал задействованный в учебных целях МПК КР580 — набор микросхем, копия набора микросхем Intel 82xx. Использовался в отечественных компьютерах, таких как Радио 86РК, ЮТ-88, Микроша и т. д.

Разработкой микропроцессоров в России занимаются ЗАО «МЦСТ», НИИСИ РАН и ЗАО «ПКК Миландр». Также разработку специализированных микропроцессоров, ориентированных на создание нейронных систем и цифровую обработку сигналов, ведут НТЦ «Модуль» и ГУП НПЦ «ЭЛВИС». Ряд серий микропроцессоров также производит ОАО «Ангстрем».

НИИСИ разрабатывает процессоры серии Комдив на основе архитектуры MIPS. Техпроцесс — 0,5 мкм, 0,3 мкм; КНИ.

• КОМДИВ32 (англ.), 1890ВМ1Т, в том числе в варианте КОМДИВ32-С (5890ВЕ1Т), стойком к воздействию факторов космического пространства (ионизирующему излучению)
• КОМДИВ64 (англ.), КОМДИВ64-СМП
• Арифметический сопроцессор КОМДИВ128

ЗАО ПКК Миландр разрабатывает 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов и 2-ядерный процессор:

• 2011 год, 1967ВЦ1Т^[7] — 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов, частота 50 МГц, КМОП 0,35 мкм
• 2011 год, 1901ВЦ1Т — 2-ядерный процессор, DSP (100 МГц) и RISC (100 МГц), КМОП 0,18 мкм

НТЦ «Модуль» разработал и предлагает микропроцессоры семейства NeuroMatrix:^[8]

• 1998 год, 1879ВМ1 (NM6403) — высокопроизводительный специализированный микропроцессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой. Технология изготовления — КМОП 0,5 мкм, частота 40 МГц.
• 2007 год, 1879ВМ2 (NM6404) — модификация 1879ВМ1 с увеличенной до 80 МГц тактовой частотой и 2Мбитным ОЗУ, размещённым на кристалле процессора. Технология изготовления — 0,25 мкм КМОП.
• 2009 год, 1879ВМ4 (NM6405) — высокопроизводительный процессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой на базе запатентованного 64-разрядного процессорного ядра NeuroMatrix. Технология изготовления — 0,25 мкм КМОП, тактовая частота 150 МГц.

• СБИС 1879ВМ3 — программируемый микроконтроллер с ЦАП и АЦП. Частота выборок до 600 МГц (АЦП) и до 300 МГц (ЦАП). Максимальная тактовая частота 150 МГц.^[9]

ГУП НПЦ ЭЛВИС разрабатывает и производит микропроцессоры серии «Мультикор»^[10], отличительной особенностью которых является несимметричная многоядерность. При этом физически в одной микросхеме содержатся одно CPU RISC-ядро с архитектурой MIPS32, выполняющее функции центрального процессора системы, и одно или более ядер специализированного процессора-акселератора для цифровой обработки сигналов с плавающей/фиксированной точкой ELcore-xx (ELcore = Elvees’s core), основанного на «гарвардской» архитектуре. CPU-ядро является ведущим в конфигурации микросхемы и выполняет основную программу. Для CPU-ядра обеспечен доступ к ресурсам DSP-ядра, являющегося ведомым по отношению к CPU-ядру. CPU микросхемы поддерживает ядро ОС Linux 2.6.19 или ОС жесткого реального времени QNX 6.3 (Neutrino).

• 2004 год, 1892ВМ3Т (MC-12) — однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, сигнальный сопроцессор — SISD ядро ELcore-14. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 240 MFLOPs (32 бита).
• 2004 год, 1892ВМ2Я (MC-24) — однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, сигнальный сопроцессор — SIMD ядро ELcore-24. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 480 MFLOPs (32 бита).
• 2006 год, 1892ВМ5Я (MC-0226) — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора — MIMD ядро ELcore-26. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 100 МГц. Пиковая производительность 1200 MFLOPs (32 бита).
• 2008 год, NVCom-01 («Навиком») — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора — MIMD DSP-кластер DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота 300 МГц. Пиковая производительность 3600 MFLOPs (32 бита). Разработан в качестве телекоммуникационного микропроцессора, содержит встроенную функцию 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации.
• 2012 год, «Навиком-02T» — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Архитектура микропроцессора — трёхъядерная гетерогенная. Ведущий процессор — MIPS32, сигнальныЙ сопроцессор — MIMD-типа на базе ядер из библиотеки платформы «МУЛЬТИКОР», программируемое ядро сигнального процессора, организованного как двухпроцессорный кластер DSP с плавающей и фиксированной точкой, дополненный многоканальным коррелятором для ГЛОНАСС/GPS-навигации. DSP-кластер следующего поколения имеет ряд новых возможностей, в том числе: набор графических команд; аппаратный ускоритель кодера Хаффмана; возможность отработки DSP внешних прерываний; возможность доступа DSP-ядер к внешнему адресному пространству; гибкая граница программной памяти кластера DSP; прерывания от исключительных ситуаций при операциях с числами с плавающей запятой. Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота 250 МГц. Пиковая производительность — 4000 MFLOPs (32 бита) и 24000 MOPs в формате фиксированной точки int8. Имеет пониженную потребляемую мощность.

В качестве перспективного проекта НПЦ ЭЛВИС представлен MC-0428 — процессор MultiForce — однокристальная микропроцессорная система с одним центральным процессором и четырьмя специализированными ядрами. Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота — до 340 МГц. Пиковая производительность ожидается не менее 8000 MFLOPs (32 бита).

ОАО «Ангстрем» производит (не разрабатывает) следующие серии микропроцессоров:

• 1839 — 32-разрядный VAX-11/750-совместимый микропроцессорный комплект из 6 микросхем. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 10 МГц.
• 1836ВМ3 — 16-разрядный LSI-11/23-совместимый микропроцессор. Программно совместим с PDP-11 фирмы DEC. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 16 МГц.
• 1806ВМ2 — 16-разрядный LSI/2-совместимый микропроцессор. Программно совместим с LCI-11 фирмы DEC.Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 5 МГц.
• Л1876ВМ1 32-разрядный RISC микропроцессор. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 25 МГц.

Из собственных разработок Ангстрема можно отметить однокристальную 8-разрядную RISC микроЭВМ Тесей.

Компанией МЦСТ разработано и внедрено в производство семейство универсальных SPARC-совместимых RISC-микропроцессоров с проектными нормами 90, 130 и 350 нм и частотами от 150 до 1000 МГц (подробнее см. статью о серии — МЦСТ-R и о вычислительных комплексах на их основе Эльбрус-90микро). Также разработан VLIW-процессор Эльбрус с оригинальной архитектурой ELBRUS, используется в комплексах Эльбрус-3М1). Прошел государственные испытания и рекомендован к производству новый процессор Эльбрус-2С+ отличающийся от процессора Эльбрус тем, что содержит два ядра на архитектуре VLIW и четыре ядра DSP (Elcore-09). Основные потребители российских микропроцессоров — предприятия ВПК.

Китай

• Семейство Loongson (Godson)
• Семейство ShenWei (SW)

Япония

• NEC VR (MIPS, 64 bit)
• Hitachi VR (RISC)^[11]

Определение модели

В Linux определить модель и параметры установленного процессора, не открывая корпуса, можно прочитав файл /proc/cpuinfo.

В операционных системах Windows узнать модель установленного процессора, тактовую частоту, количество ядер и т. д. можно, например, через программу dxdiag.

См. также

• Сопроцессор
• Криптопроцессор
• Аппаратная платформа компьютера

Примечания

Литература

• Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. — 17-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — С. 59—241. — ISBN 0-7897-3404-4

Ссылки

• Краткая история процессоров: 31 год из жизни архитектуры х86
• Правительство обнулило пошлины на процессоры 18 сентября 2007
• Крис Касперски. RISC vs. CISC
• Процессор энциклопедия Алфёрова
• Сравнение производительности процессоров (http://www.cpubenchmark.net)
• Сравнение производительности мобильных процессоров (www.notebookcheck-ru.com)
• Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений от TestLabs.kz

Технологии цифровых процессоров
Архитектура	CISC · EDGE · EPIC · MISC · URISC · RISC · VLIW · ZISC · Фон Неймана · Гарвардская 8 бит  · 16 бит · 32 бит · 64 бит · 128 бит
Параллелизм	Pipeline Конвейер · In-Order & Out-of-Order execution · Переименование регистров · Speculative execution Уровни Бит · Инструкций · Суперскалярность · Данных · Задач Потоки Многопоточность · Simultaneous multithreading · Hyperthreading · Superthreading · Аппаратная виртуализация Классификация Флинна SISD · SIMD · MISD · MIMD
Реализации	DSP · GPU · SoC · PPU · Векторный процессор · Математический сопроцессор • Микропроцессор · Микроконтроллер
Компоненты	Barrel shifter · FPU · BSB · MMU · TLB · Регистровый файл · control unit · АЛУ • Демультиплексор · Мультиплексор · Микрокод · Тактовая частота • Корпус • Регистры • Кэш (Кэш процессора)
Управление питанием	APM · ACPI · Clock gating · Динамическое изменение частоты • Динамическое изменение напряжения

Компоненты персонального компьютера
Системный блок	Блок питания • Охлаждение • Материнская плата • Процессор • Шины • Видеокарта • Звуковая карта • Сетевая плата
Память	Оперативная память • Запоминающее устройство с произвольным доступом
Носители и дисководы	Жёсткий диск • Твердотельный накопитель (Флеш-память • USB-флеш) • Оптический привод (CD • DVD • BD) • НГМД (Дискета) • Стример • Кардридер
Вывод	Динамик • Монитор • Принтер • Графопостроитель (плоттер)
Ввод	Клавиатура • Мышь • Трекбол • TrackPoint • Тачпад • Сенсорный экран • Цифровая ручка • Световое перо • Графический планшет • Микрофон • Сканер • Веб-камера
Игры	Джойстик • Руль • Штурвал • Педали • Пистолет • Paddle • Геймпад • Дэнспад • Трекер
Прочее	Модем • ТВ-тюнер • Сетевой фильтр • ИБП

Микроконтроллеры
Архитектура	8-бит MCS-51 • MCS-48 • PIC • AVR • Z8 • H8 • COP8 • 68HC08 • 68HC11 16-бит MSP430 • MCS-96 • MCS-296 • PIC24 • MAXQ • Nios • 68HC12 • 68HC16 32-бит ARM • MIPS • AVR32 • PIC32 • 683XX • M32R • SuperH • Nios II • Am29000 • LatticeMico32 • MPC5xx • PowerQUICC • Parallax Propeller
Производители	Analog Devices • Atmel • Silabs • Freescale • Fujitsu • Holtek • Hynix • Infineon • Intel • Microchip • Maxim • Parallax • NXP Semiconductors • Renesas • Texas Instruments • Toshiba • Ubicom • Zilog • Cypress
Компоненты	Регистр • Процессор • SRAM • EEPROM • Флеш-память • Кварцевый резонатор • Кварцевый генератор • RC-генератор • Корпус
Периферия	Таймер • АЦП • ЦАП • Компаратор • ШИМ-контроллер • Счётчик • LCD • Датчик температуры • Watchdog Timer
Интерфейсы	CAN • UART • USB • SPI • I²C • Ethernet • 1-Wire
ОС	FreeRTOS • μClinux • BeRTOS • ChibiOS/RT • eCos • RTEMS • Unison • MicroC/OS-II • Nucleus
Программирование	JTAG • C2 • Программатор • Ассемблер • Прерывание • MPLAB • AVR Studio • MCStudio

Архитектура
ЭВМ (шпаргалка)

1.     
Основные
элементы ЭВМ их назначение и взаимодействие

2.     
Пример типовой процедуры в ЭВМ.

3.     
Числа,
кодирование и арифметическая информация.

4.     
Дополнительный код. Арифметика в
дополнительном коде.

5.     
Группировки
бит.

6.     
Архитектура простой ЭВМ.

7.     
Структура
памяти.

8.     
Состав
команд МП.

9.     
Структура элементарного МП.

10.  Функционирование
ЭВМ.

11.  Микропроцессор.

12.  Использование
регистра адресаданных.

13.  Этапы обработки
требования прерывания.

14.  указателя стека.

15.  Состав команд
арифметических действий.

16.  состав команд
логических операций

17.  состав команд
операций передачи данных

18.  Состав команд
операций ветвление

19.  состав команд
операций вызова программ и возврата в основную программу

20.  запись программы

21.  ветвление программ

22.  ЦИКЛЫ

23.  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ПОДПРОГРАММ

Основные элементы ЭВМ
их назначение и взаимодействие

Типовая ЭВМ состоит из пяти основных элементов:

1. Устройство ввода – предназначено для ввода
   информации или управления ЭВМ от внешних устройств (например, клавиатура,
   мышь).
2. Микропроцессор (МП) – центральный процессор – это
   устройство управления всей ЭВМ и выполнения арифметических и логических
   операций.
3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нашем
   случае предназначено для хранения исполненных ЭВМ программ.
4. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) –
   предназначено для временного хранения данных.

И ПЗУ и ОЗУ представлены в виде множества
локализованных ячеек памяти. Размер ячейки – это количество БИТ информации,
которую можно поместить в ячейку памяти или прочитать из нее.

1. Устройство вывода — предназначенного для передачи
   данных и управления внешними по отношению к ЭВМ устройствами (экран
   монитора, принтеры и т.д.)

            Для
организации взаимодействия и управления всеми устройствами ЭВМ в нее включены
три шины:

А)
шина адреса (ША) – выбирает (указывает) ячейку памяти или адрес портов
ввода-вывода. В зависимости от количества ячеек памяти и устройства
ввода-вывода (УВВ) ША бывают 16, 32, 64 и т.д. разрядов.

Б)
линия управления (ЛУ) — представляет из себя шину, состоящую из нескольких
проводов, на каждом из которых формируются управляющие сигналы, обеспечивающие
необходимую временную последовательность работы всех устройств ЭВМ.

В)
шина данных (ШД) – является двунаправленной и служит для передачи данных в МП
или из него.

Пример типовой процедуры
в ЭВМ.

Рассмотрим пример типовой процедуры в ЭВМ:

1.                 
Нажатие клавиши «А».

2.                 
Размещение буквы «А» в памяти.

3.                 
Воспроизведение буквы «А» на
экране дисплея.

Текущими командами в ПЗУ являются:

 —
Ввести (INPUT) данные через порт 1

 —
Разместить (STORE) данные, поступающие из порта 1 в ячейку памяти с адресом
200.

 —
Вывести данные (OUTPUT) через порт 10.

Проследим все этапы выполнения этой программы.

Этап №1: МП выставляет адрес 100 на ША. Линия управления активизирует ввод
считывания из интегральной схемы программной памяти.

Этап №2: Программная память выставляет первую программу (INPUT) на шину данных
(ШД), а МП принимает эту кодированную информацию. Это сообщение помещается в
регистр команд и МП декодирует (интерпретирует) это сообщение. В результате интерпретации
он определяет, что это за команда и что ей нужен операнд.

Этап №3: МП выставляет на ША адрес 101, линией управления активизируется вход
считывания из программной памяти.

 Этап №4: Программная
память помещает операнд (Из порта 1) на ШД. Этот операнд находится в ячейке
памяти 101, кодированное сообщение (адрес порта 1) взято на ШД и помещено в
регистр команд. Теперь МП декодирует полную команду (ввести данные, поступающие
из порта 1).

Этап №5: МП побуждает открыть Порт 1 посредством ША и линии управления
устройствами ввода. Кодированная буква «А» из Порта 1 по ШД передается в МП и
размещается в аккумуляторе.

Примечание: МП все время действует в последовательности:.

Этап №6: МП выставляет на ША адрес ячейки памяти 102 и активизирует вход
считывания из программной памяти посредством управляющих линий.

Этап №7: Код команды поместить (STORE) считывается с ШД, принимается МП и
помещается в регистр команд.

Этап №8: МП декодирует эту команду и определяет, что нужен операнд. Он
выставляет на ША следующий адрес 103 и активизирует вход считывания из ПЗУ.

Этап №9: Код операнда в ячейку памяти 200 из памяти помещен на ШД, МП принимает
операнд и помещает его в регистр команд. Команда «поместить данные в ячейку
памяти 200» полностью извлечена и декодирована.

Этап №10: Начинается процесс выполнения: МП выставляет на ША адрес 200 и
активизирует вход записи в ОЗУ.

Этап №11: МП выдает помещенную в аккумулятор информацию (код буквы «А») на ШД.
Этот код записывается в ячейку 200 и таким образом теперь выполнена вторая команда.

Этап №12: МП теперь должен извлечь следующую команду — он адресует ячейку памяти
104 и активизирует вход считывания из памяти.

Этап №13: Команда вывести данные (OUTPUT) помещена на ШД. МП принимает ее,
помещает в регистр команд, декодирует и определяет, что нужен операнд.

Этап №14: МП помещает адрес 105 на ША и активизирует вход считывания из ПЗУ.

Этап №15: Память помещает код операции в порт 10 на ШД. Этот код принимается МП,
который помещает его в регистр команд.

Этап №16: МП декодирует команду «ввести данные в порт 10» полностью, т.е. он
активизирует порт 10 посредством ША и линии управления выводом. Он помещает код
буквы «А» (из аккумулятора) на ШД, по которой передается в порт 10 и далее из
него на монитор.

МП является центром всех операций и полностью ими
управляет. Он следует последовательности: извлечение – декодирование –
выполнение, а выполняемые операции диктуются командами, помещенными в памяти
ПЗУ.

Числа, кодирование и
арифметическая информация.

Так как информационные процессы в цифровых системах
принимают значения только 0 и 1, то и представления данных осуществляется с помощью
двоичных чисел. Сложение и вычитание двоичных чисел, а так

же
и все остальные арифметические действия выполняются по тем же правилам, что и в
десятичной арифметике.

Сложение двоичных чисел:                                                 Вычитание
двоичных чисел:

Умножение двоичных чисел:

 

Дополнительный
код. Арифметика в дополнительном коде.

Если нужно использовать числа со знаком, в ЭВМ
используется специальный код. Применение его существенно упрощает аппаратные
средства ЭВМ.

Изобразим условно ячейку памяти или регистр ЭВМ.               

1 – имеет вес 16 (2⁴).

Для представления знака числа принято соглашение о
том, что если старший значащий разряд в числе равен нулю, то число
положительное.

В
остальных ячейках записывается второе параллельное число. Если старший разряд
слова равен 1, то число является отрицательным, а в остальных рядах слова
записано двоичное число в дополнительном коде.

Использование дополнительного кода позволяет операцию
вычитания заменить сложением.

арифметика в дополнительном коде:

Процессоры ЭВМ неприспособленны для выполнения
операций вычитания, поэтому эту операцию заменили операцией сложения, в которой
отрицательные числа представлены в дополнительном коде.

Рассмотрим на примерах все возможные ситуации, при
арифметических действиях с числами:

1.  сложение двух положительных чисел: 5+3=8

2.
сложить числа: 7+(-3)=4

00000011

Проинвертируем
это число и и полученному числу прибавим 1:

В
результате получили девятиразрядное число, причем старший разряд является
переполнением восьмиразрядного числа, поэтому им пренебрегаем. Оставшееся число
в старшем разряде имеет 0, поэтому является положительным

3.      Сложить 2 отрицательных числа: (-5)+(-7)=-12

00000101

Проинвертируем
это число и и полученному числу прибавим 1:

00000111

Проинвертируем
это число и и полученному числу прибавим 1:

Группировки бит.

Входящий в состав микропроцессора регистр –
аккумулятор является очень важной частью всей вычислительной системы. Все
операции над данными, как правило, выполняются через аккумулятор, в котором
информация записана в виде слова. Обычно длина слова микропроцессора составляет
8 бит (байт) (4,8,16,32,64).

Слово – одна
группа обрабатываемых бит, единое выражение или одна команда. Восьмиразрядный
микропроцессор переносит и помещает все данные группами из 8 бит, которые
передаются восемью параллельными проводниками, составляющими шину данных.

Каждое запоминаемое слово имеет особое значение, когда
оно извлечено и декодировано МП. Содержание любой ячейки памяти может иметь
один из следующих смыслов: двоичное число; двоичное число со знаком;
двоично-десятичное число; буква алфавита; команда; адрес памяти; адрес порта
ввода или вывода.

Рассмотрим ячейку памяти с адресом 01100100 (100) и
содержимым 11011011. Это число может быть интерпретировано как: число 219; число
со знаком (-37); буква алфавита в коде ASCII; команда INPUT; адрес ячейки
памяти – DB и др.

МП включает счетчик команд (счетчик команд –
устройство, содержимым которого является текущий адрес памяти и который
изменяет свое состояние на +1 с каждым тактом выполнения программы). С адреса
100 извлечет, а затем декодирует слово в памяти 11011011, как команду – ввести
данные (INPUT). Затем МП обратится к следующему адресу 101 и найдет там адрес
порта (1), из которого поступают данные. И так далее по тексту программы.

1.    Код команды- ввести данные (INPUT);

2.    Двоичный адрес Порта 1;

3.    Код команды-разместить данные (STORE);

4.    Двоичный адрес памяти;

5.    Код команды – вывести данные (OUTPUT);

6.    Двоичный адрес Порта 10;

7.    Код ASCII буквы «А».

Команды программы помещены в 6 верхних ячеек памяти
(100 — 105). Нижняя ячейка памяти (200) является местом размещения данных, т.е.
в эту ячейку помещен код буквы «А».

Важно отметить, что биты информации сгруппированы в
слова внутри ЭВМ. Эти слова в памяти программы  интерпретируются МП одно за
другим последовательно.

Программисту важно знать, как ЭВМ располагает и
интерпретирует данные. У каждого типа МП имеется свой состав команд, но у всех
у них доступ к памяти осуществляется одинаково.

Архитектура простой
ЭВМ.

МП является центром всех операций, ему необходимо
питание и тактовые импульсы. ГТИ может быть отдельным устройством или входить в
состав (быть интегрированным) МП. Типовой МП содержит 16 (32, 64…) адресных
линий, которые образуют однонаправленную ША. А так же, обычно, 8 (16, 32…) линий,
которые составляют двунаправленную ШД. В представленной архитектуре имеет места
2 типа памяти: ОЗУ и ПЗУ. ПЗУ представляет собой память, которая содержит
программу – монитор системы, а так же пользовательские программы. ПЗУ имеет
адресные входы, а так же входы активизации только чтения и выбора кристалла.
Тристабильные выходы ПЗУ подключены к ШД. ОЗУ тоже, что и ПЗУ, только предусмотрено
использование полной команды чтение/запись.

Для того, чтобы активизировать (включить в работу)
требуемое устройство, дешифратор адреса считывает данные с ША. Комбинационной
логикой линейной комбинации ША активизируется линия выбора соответствующего
кристалла, включая, таким образом, выбранное устройство.

ГТИ предназначено для формирования базовой задающей
тактовой последовательности импульсов, обеспечивающей временную синхронизацию
работы всей системы.

Структура памяти.

Запись в память или считывание из нее происходит при
наличии доступа в память. Обычно память выполняется с последовательным или произвольным
доступом. Последовательный доступ означает, что к требуемым данным нужно последовательно
пройти всю память, расположенную до размещения искомых данных.

В случае, произвольного доступа данные могут быть
записаны (считаны) в любую ячейку памяти за определенное фиксированное время
называемое временем доступа в памяти.

ОЗУ и ПЗУ ЭВМ являются устройствами с произвольным
доступом к памяти, т.к. они обеспечивают существенно большее быстродействие, по
– сравнению с последовательным доступом.

МП, например, может иметь 16 линий адреса, которые
могут обеспечить 65536 различных комбинаций 0 и 1, т.к. запись не экономична,
то двоичный адрес принято представлять в 16-тиричной системе.

Так как  размер ячейки памяти 8 бит (1 байт), а адрес
– 2 байта, то для хранения адреса в памяти необходимо выделять 2 ячейки, в одну
из которых помещают старший байт адреса, а в другую младший байт адреса.

Состав команд МП.

Группа команд, которая может выполнять микропроцессор
(МП) называется его составом команд. В зависимости от типа МП и его назначения
состав команд варьируется от 8 до 200.

Типовой МП представлен следующим составом команд, в
соответствии с нормативами. К ним относятся: арифметические, логические, передачи
данных, ветвление, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм и прочее.

В свою очередь эти группы команд делятся:

А)
Арифметические — сложение, вычитание, инкремент, сравнение и отрицание.

Б) Логические — И, ИЛИ, ИЛИ –
исключающее, НЕ, а так же сдвиг вправо, сдвиг влево (часто встречаются команды
циклического сдвига влево, вправо с переносом, тестированием и т.п.).

В)
Передачи данных — загрузка, размещение, перемещение, ввод и вывод.

Г)
Ветвление — безусловный переход, переход, если ноль, переход, если не ноль,
переход, если равенство, переход, если не равенство, переход, если
положительно, переход, если отрицательно.

Д)
Вызов подпрограмм – это команда, предназначенная для того, чтобы программа
могла перейти к специальной группе команд, которые решают поставленную задачу.

Последней командой в этой группе всегда стоит команда
возврата из подпрограммы. Прочими командами типового МП будут: нет операций,
поместить в стек, выйти из стека, ожидание, остановка.

Структура
элементарного МП.

Центральным устройством вычислительной системы
является МП, который содержит обычно элементы размещения данных называемые регистрами
и устройства счета (арифметическое логическое устройство – АЛУ). МП содержит
так же цепь декодирования команд и секцию управления и синхронизации. МП так же
снабжен необходимыми соединениями с устройствами ввода/вывода.

Основными функциями МП являются:

1.                 
Извлечение, декодирование и
выполнение команд программы в указанном порядке.

2.                 
Передача данных из памяти в
память, а так же из устройств ввода/вывода и в устройство ввода/вывода.

3.                 
Ответы на внешние прерывания.

4.                 
Установка общей синхронизации и сигнал
управления для всей системы.

АЛУ МП выполняет такие операции, как сложение,
сдвиг/расстановка, сравнение, инкремент, декремент,  отрицание, И, ИЛИ, ИЛИ –
исключающее, дополнение, сброс, инициализация.

Рассмотрим, например, операцию сложения (ADD).

Рассмотрим подробнее состав АЛУ.

Типовое АЛУ содержит сумматор и устройство сдвига, а
результаты арифметической операции пересылают обратно в аккумулятор, посредством
внутренней шины данных. Регистр состояния слова в АЛУ является чрезвычайно
важным устройством. Этот регистр состоит из группы триггеров, которые могут
быть установлены или сброшены, исходя из результатов последней операции,
выполненной АЛУ. Эти триггера содержат указатели (флаги) нуля, отрицательного
результата, переноса и т.д.

Функционирование ЭВМ.

Пусть требуется сложить числа 10+5+18=33. Программа
для выполнения этой задачи может быть записана в следующей последовательности: 

1.                 
загрузить (LOAD) первое число (10)
в МП;

2.                 
сложить (ADD) второе число (5) с
первым;

3.                 
сложить (ADD) третье число (18) с
двумя первыми;

4.                 
поместить (STORE) сумму (33) в
ячейку памяти с адресом 2ØØØН.

1.                 
Операция показывает, что содержимым
ячейки памяти 0001 загружено в аккумулятор, который содержит после этого
00001010 (0000А), т.е. первое слагаемое. В результате выполнения операции LOAD
предыдущее содержимое аккумулятора стирается.

2.                 
Операция ADD. Содержимое ячейки
памяти 0003 складывается с содержимым аккумулятора, что дает сумму OF
(00001111), помещаемую в аккумулятор.

3.                 
Содержимое аккумулятора  —
сложение 00001111 сложена с содержимым ячейки памяти 0005 (00010010), т.е. выполнена
операция.

4.                 
Содержимое аккумулятора 00100001
передано и размещено в ячейку памяти с адресом 2000. Эта ячейка памяти была
индефицирована в тексте программы двумя раздельными байтами (0007 и 0008).
Таким образом, ячейка памяти программы 0006 содержит код операции (КОП) В7 прямой
команды STORE, два следующих байта за ней указывают соответственно на старший и
младший байты адреса.

Микропроцессор.

Типовая документация содержит информацию о структуре
интегральной схемы, схемы выводов и назначения каждого из них. Схематизируется
архитектура МП, описываются его основные свойства. Обычно МП помещается в
корпус интегральной системы с 42 – строчными выводами, эти корпуса бывают
пластмассовыми и керамическими (количество выводов может быть значительно
больше). На корпусе всегда есть метка в виде точки или желобка, непосредственно
после этой отметки, в направлении обратным ходом часовой стрелки, находится
вывод 1 интегральные схемы и далее в том же направлении  выхода нумеруются.

INTL 80-80:

Выводы
20,2,11,28 — являются выводами питания.

Выводы
15 и 22 – являются входами внешнего двухфазного генератора тактовых импульсов
(таймер).

Вывода
SYNC, DBIN, WAIT, , HLDA, INTE – несут сигналы
управления и синхронизации всем прочим элементам системы.

Выводы
READY, HOLD, INT, RESET – являются входами управления, они воспринимают информацию
от прочих элементов вычислительной системы.

Типовая
документация содержит так же структурную схему МП, которая содержит внутренние
регистры: аккумулятор; пары регистров ВС, DE и HL; указатель стека SP; регистр
состояния, а так же несколько регистров временного хранения данных. На этой
схеме так же отражены: регистр команд, дешифратор команд и устройство
управления и синхронизации. Используемые программистом регистры B  и С, D и Е, H
и L – являются универсальными. Указатель стека, счетчик команд и регистр состояния
являются специальными регистрами.

Важной
особенностью является то, что пара регистров H и L  может быть использована в
качестве адресного регистра, при косвенной адресации. Документация содержит
разработанные временные диаграммы, которые показывают соотношение во времени
между тактовыми импульсами на выходе ГТИ и другими внешними сигналами
(синхронизации, записи, ввода/вывода и т.п.).

Использование
регистра адресаданных.

Использование
пары регистров HL (имя регистра) в качестве указателя адреса является важным
свойством типового МП.

Рассмотрим задачу сложение содержимого трех
последовательных ячеек памяти и размещение суммы в следующей ячейке памяти.
Программа загружается в ячейке памяти с 2000Н по 200А, а три слагаемых
(ØС + ØА + Ø7)  расположены в ячейке памяти в 2100 по
2102. Программа содержит 7 команд. Так же следует помнить, что текущая сумма
будет всегда помещаться в аккумулятор, который вначале содержит первое
слагаемое ØС.

Команда 1– 3А: приказывает МП загрузить (LOAD) в
аккумулятор содержимое ячейки памяти 2100Н.

После выполнения команды аккумулятор будет содержать
первое слагаемое  ØС.

Команда 2 – 21Н: приказывает МП загрузить (LOAD) число
2101Н в пару регистров HL. Емкость этой пары 16 бит (2 байта). Содержимое 1-ой
ячейки памяти 2004 представляет собой младший байт регистра L, а 2005 старший
байт регистра Н.

Команда 3 – 86Н: приказывает МП выполнить сложение (ADD)
содержимого аккумулятора (ØС) с содержимым ячейки памяти, адрес которой
содержится в паре регистров HL.

Команда 4 – 23Н: содержимое пары регистров HL
инкрементируется.

Команда 5 – 86Н: сложить содержимое аккумулятора с
содержимым ячейки памяти с адресом 2102, на который указывает пара регистров HL.

Команда 6 –  23Н: инкрементировать пару регистров HL.

Команда 7 – 77Н: поместить (STORE)  содержимое
аккумулятора (окончательную сумму) в ячейку памяти, на которую указывает пара
регистров HL, т.е. по адресу 2103.

Этапы обработки
требования прерывания.

Вход требования прерывания INTR отвечает на высокий
уровень сигнала внешнего устройства. Предполагаем, что в устройстве интерфейса
ввода загружается 8 бит параллельных данных готовых для передачи в МП. Тогда,
описание процедуры прерывания имеет следующую последовательность:

1.                 
Интерфейс ввода выдает сигнал
требования прерывания в направлении МП.

2.                 
МП завершает выполнение текущей
команды, находящейся в памяти по адресу 2006.

3.                 
Поскольку, управление должно
обеспечить последующее обращение к команде по адресу 2007, содержимое счетчика
команд (именно 2007) и содержимое большинства регистров МП помещается в
специальную область ОЗУ, называемую стеком. Содержимое стека будет позже извлечено
в определенном порядке в регистры МП и счетчик команд.

4.                 
В МП разветвляется в
предопределенный адрес памяти и начинает выполнение программы обслуживания прерывания
(20D0). МП тогда выполняет команды подпрограммы, которые обеспечивает
выполнение операции ввода и размещения. По адресу 20DE  МП находит конец этой
подпрограммы и получает приказ вернуться в основную программу.

5.                 
Перед возвращением в основную
программу данные регистров и счетчик команд, помещенные в стеке, возвращаются в
МП.

6.                 
Теперь счетчик команд отсылает МП
в память по адресу 2007, т.е. в основную программу и нормальное ее выполнение
продолжается.

Прерывание является нужным способом, позволяющим
периферийным устройствам вмешаться и заставить МП выполнять требуемую операцию
почти сразу.

Многие МП обладают несколькими прерываниями.
Обслуживание и последовательность прерывания обеспечивается соответствующими инструкциями
в тексте некой программы программистом.

указателя стека.

Типовой МП содержит указатель стека. Указатель стека –
это специализированный 16-тиразрядный регистр – счетчик, содержимым которого
всегда является адрес. Этот адрес принадлежит особой группе ячеек памяти
данных, который называется стеком. Стек, как правило, размещается в ОЗУ или
иногда в физической локализованной на кристалле МП группе ячеек памяти. Стек
типового МП будет находиться в ОЗУ и его положение определяется программистом. Указатель
стека загружается старшим адресом, представляющим собой вершину стека.

В примере указатель стека содержит адрес 220А, что на
единицу старше первой ячейки памяти стека 2209. Данные в стек можно записать, используя
команды поместить (PUSH) и вызвать (CALL). Данные могут быть считаны из стека
по командам извлечь (POP) и возврат (RETERN). Стек функционирует как память с
последовательными доступом по типу: данные, поступившие последними, извлекаются
первыми. Например, команда PUSH приводит к тому, что содержимое пары регистров HL
помещается в стек.

1.                 
Указатель стека МП
декрементируется от 220А до 2209.

2.                 
Указатель стека показывает на
ячейку памяти 2209 по адресной шине и старший байт регистра HL помещается в
стек.

3.                 
Указатель стека снова
декрементируется от 2209 до 2208.

4.                 
Указатель стека указывает на
ячейку 2208 по адресной шине и младший байт из регистра HL загружается в стек.

Рассмотрим так же операцию загрузки в стек,
содержимого аккумулятора и регистра состояния.

5.                 
До операции указатель стека
указывает на ячейку памяти 2208, ее называют вершиной
стека, затем указатель стека декрементируется до 2207.

6.                 
Указатель стека указывает на
ячейку памяти 2207 и содержимое аккумулятора  загружается в стек по этому адресу.

7.                 
 Указатель стека декрементируется
до 2206.

8.                 
Указатель стека указывает на
ячейку памяти 2206 и содержимое регистра состояния (11111111) загружается по
этому адресу.

Стек может продолжать расти, пока длится процесс
загрузки в него, т.е. длина стека формально не имеет ограничений, единственным
ограничением является объем ОЗУ.

Рассмотрим команду POP – аккумулятор и регистр
состояния свободны до операции извлечения из стека.

1.                 
Указатель стека указывает на
вершину, т.е. на адрес 2206, содержимое регистра состояния (11111111) извлечено
из стека и переслано в АЛУ.

2.                 
Указатель стека инкрементируется с
2206 до 2207.

3.                 
Указатель стека указывает на адрес
2207, содержимое вершины стека извлекается и пересылается в аккумулятор.

4.                 
Указатель стека инкрементируется
до 2208 и указывает теперь на следующий адрес извлечения из стека.

Содержимое аккумулятора и регистра состояния было
восстановлено до тех значений, которые были до операции PUSH.

Команды  PUSH и POP используются всегда совместно,
однако, между ними располагаются другие команды, которые меняют данные, содержащиеся
в регистрах МП.

Состав команд арифметических
действий.

ADI – C6 – сложить аккумулятор с данными.

ADD L – 85 – сложить содержимое регистра L с
содержимым аккумулятора.

ADD H – 84 – сложить содержимое регистра H с
содержимым аккумулятора.

ADD М – 86 – сложить содержимое аккумулятора с содержимым
ячейки памяти, на которую указывает пара регистров HL.

SUI – Ø6 – вычесть данные из аккумулятора.

SUB L – 95 – вычесть содержимое регистра L из
содержимого аккумулятора.

SUB H – 94 – вычесть из содержимого регистра Н в
аккумулятор.

SUB М – вычесть данные, расположенные по адресу, на
которую указывает пара регистров HL, из аккумулятора.

INR A – 3C – к содержимому аккумулятора +1.

INX H – 23 – инкремент пары регистров HL.

DCR A – 3D – декрементировать (- 1) аккумулятор.

DCX H – 2B – декрементировать пару регистров HL.

CPI – FE – сравнить содержимое аккумулятора с данными
(в следующей ячейке памяти).

CMP L – BD – сравнить содержимое аккумулятора с
содержимым регистра L.

CMP H – сравнить содержимое аккумулятора с содержимым
регистра H.

CMP M – сравнить аккумулятор с ячейкой памяти, на
которую указывает пара регистров HL.

Содержит команды сложить, вычесть, инкрементировать,
декрементировать и сравнить.

Каждая команда точно оговаривает различные источники
другого слагаемого.

Команда ADI – это команда сложить непосредственно, она
является двухбайтовой. Ее формат (код операции С6) содержится в первом байте
команды, а непосредственно за ним, во втором байте, находятся данные для
сложения с содержимым аккумулятора.

Команда ADD L – содержимое аккумулятора (OF)
складывается с содержимым регистра L (01). Полученная в результате выполнения
команды сумма (10) помещается в аккумулятор.

Команда ADD H – выполняется так же.

Команда ADD М – однобайтовая команда – сложить с
косвенным адресом. Адрес второго слагаемого задан в более сложной форме с использованием
так называемого способа косвенной регистровой адресации. При такой адресации
пара регистров HL указывает 16-тиразрядный адрес памяти, где хранится второе
слагаемое.

Команда вычитания SUI.

Эта операция выполняется следующим образом:
осуществляется сложение первого числа и второго, представленного в
дополнительном коде.

Дополнительный код FF второго числа складывается с
первым числом, что дает сумму 100001000. В старшем девятом бите суммы единица
является переполнением и не принадлежит разности 00001000. МП использует это
переполнение для установления индикатора переноса CY в регистре состояния.
Вычитая, МП инвертирует переполнение, и результат становится содержимым
индикатора переноса CY.

 Допустим,
первое слагаемое 5 находится в аккумуляторе, а второе слагаемое находится в регистре
L.

Команда сравнение (СМР) – вычитает содержимое регистра
памяти из содержимого аккумулятора, но при этом не изменяет содержимого ни
того, ни другого. Индикаторы регистра состояния подвержены воздействию команд
сравнения.

Например, сравнить содержимое аккумулятора с
содержимым регистра L.

состав команд
логических операций

Логические команды составляют еще одну
группу команд МП. Состав этих команд следующий: логическое умножение – И,
логическое сложение – ИЛИ, ИЛИ – исключающее, отрицание – НЕ и сдвиг. В этой
группе команд именно аккумулятор составляет ядро большинства операций. Как и
при арифметических операциях, способ адресации и здесь влияет на способ и место
нахождения других данных в системе. Команда ANI выполняет логическое умножение
над содержимым аккумулятора (00010011) и содержимым программной памяти после
команды (00000001). Содержимое аккумулятора подтверждается операции И побитно.
И в соответствии с таблицей истинности для этой операции имеем:  00000001.
Результатом всех операций И будет сброс индикатора переноса. Так же результат
операции И проверяется с целью определения не ноль ли он и если нет, индикатор
нуля Z сбрасывается в ноль.

Пример операции И с косвенной операцией
(ANA M). Содержимое аккумулятора подвергается операции И (бит с битом) с
содержимым ячейки памяти указанной парой регистров HL. Допустим, в аккумуляторе
– 00111100, а в ячейке памяти – 00000001. Результат умножения будет 00000000,
этот результат размещается в аккумуляторе. Индикатор переноса CY сбрасывается в
ноль, кроме того, результат проверяется на ноль и поскольку, ответ да,
индикатор нуля Z устанавливается в единицу.

В обоих примерах второй операнд
(00000001) используется как маска. В первом примере она используется для сброса
в ноль 7 старших бит, а во втором примере, с учетом наличия индикатора нуля,
для тестирования значений ноль или единица в позиции младшего бита
аккумулятора.

Команда ИЛИ

Мнемоника ORA. Выполняется с содержимым
аккумулятора и содержимым какой-либо ячейки памяти или регистра. 

Команда ИЛИ –
исключающее

Мнемоника XRA. Этих команд так же
несколько, в зависимости от способа получения данных.

Например. Выполним команду ИЛИ —
исключающее над самим аккумулятором, т.е. Аккумулятор  Аккумулятор.

Выполнение этой операции любого числа с
самим собой всегда даст результат все нули, при этом индикатор нуля Z устанавливается
в единицу, что означает нулевое содержимое аккумулятора.

Команда циклического
сдвига с переносом

Мнемоника RAR.

Например, RAR А (сдвиг вправо с
переносом).

Например.

Содержимое аккумулятора сдвинуто на одну
позицию вправо и его младший бит (единица) передается в позицию индикатора
переноса CY, тогда как имевшийся там бит (ноль) занимает позицию старшего бита
аккумулятора. После завершения операции CY =1, а Z=0. Используя одну или
несколько команд циклического сдвига, можно тестировать весь заданный состав
бит, а индикатор переноса, может быть, затем проверен командой условного
ветвления.

Команды логических операций
используются, как правило, для манипуляции с переменными по законам алгебры
логики. Они так же могут быть использованы для тестирования и сравнения бит в
слове.

состав команд
операций передачи данных

Эти команды выполняют передачу данных из
регистра в регистр, размещение данных в памяти, размещение извлеченных из
памяти данных в устройство ввода/вывода. Так же эти команды устанавливают
индикатор переноса. Почти все эти команды не влияют на индикаторы регистра состояния.
Каждая команда передачи данных содержит адрес источника и назначения данных.
Способы адресации ориентированны на то, где и как осуществляется поиск данных. К
основным в этой группе команд относятся:

·        
MOV R₁, R₂ –
передача из регистра 2 в регистр 1,

·        
MVI, R (M) – загрузить регистр
(или память),

·        
LXI R_1.2 – загрузить
пару регистров LHL, LDA, STA, SHLD, IN, OUT, STC – команды передачи данных.

Например, команда MOV A, L – следующая
за мнемоникой буква А указывает назначения тогда как последняя буква L
индефицирует источник данных.

 

Команда SPHL – здесь источником данных
является пара регистров HL, приемником 16-тиразрядный указатель стека SP.

 

Существует несколько команд
непосредственной загрузки данных. Эти команды часто используются для размещения
начальных значений в регистры МП.

Команда LXI H – пара регистров HL должна
быть загружена данными, следующими непосредственно за кодом операции в
программной памяти. Эта команда является трехбайтовой: 1 байт – код операции
(21); 2-ой байт – содержит младший байт и помещается в регистр L; 3-й байт –
это старший байт, который помещается в регистр H.

Команда загрузки пары регистров HL с
прямой адресацией LHLD. Второй и третий байт являются 16-тиразрядным адресом
памяти данных для загрузки.

МП преобразует 2 следующих за кодом
операции байта в 16-тиразрядный адрес, который служит указателем адреса памяти
данных (ОЗУ) и загружается в пару регистров HL.

Типовой МП снабжен несколькими командами
размещения. Например, команда STA — загрузка данных с прямой адресацией.
Содержимое аккумулятора помещается в память, на которую указывает
16-тиразрядный адрес, составленный 2 и 3 байтом команды.

Команда ввода (IN) – по сути, идентична
команде загрузки, только здесь источником данных является порт ввода, который
идентифицируется 8-миразрядным числом (адрес устройства ввода/вывода). Назначение
данных из порта всегда аккумулятор.

Данные порта 00001111, на который
указывает второй байт команды, передаются и размещаются в аккумулятор.

Состав команд
операций ветвление

К этим командам относятся:

·     
IMP – безусловный переход по
адресу;

·     
IZ – перейти, если ноль по адресу;

·     
INZ – перейти, если не ноль по
адресу;

·     
IC — перейти, если перенос;

·     
INC – перейти, если нет переноса
по адресу.

Обычно МП выполняет команды
последовательно, т.е. 16-тиразрядный счетчик команд типового МП содержит всегда
адрес следующий, извлекаемый из памяти команды до ее выполнения. Его содержимое
(счетчик команд) обычно повышается на 1, при каждом счете.

Команды ветвления или перехода являются
средством изменения значения содержимого счетчика команд и следовательно
изменение нормальной последовательности выполнения программы.

Команда IMP – перейти. Она является
трехбайтовой. Используется для изменения специфического адреса в счетчике команд.

Адрес 2000Н загружен в счетчик команд,
информация об этом адресе следует непосредственно за кодом операции, поэтому
такая адресация называется непосредственной. Младший байт адреса находится во
втором байте памяти сразу за кодом операции. Команду безусловного перехода
можно рассматривать как способ загрузки новой информации об адресе в счетчике команд.

Остальные команды ветвления являются
командами условного перехода. Эти команды повлекут за собой непосредственную
загрузку адреса только, если будет выполнены специальные условия. В противном
случае, счетчик команд будет нормальным способом инкрементирован.

Например, команда IZ – перейти, если
ноль.

В этом случае счетчик команд 2017Н до
операции будет нормально инкрементирован, если только индикатор нуля Z неустановлен
в 1. МП проверяет это и находит 1, значит, результат последней арифметической
или логической операции был ноль. Условие перехода выполнены и МП загружает новый
адрес 2008Н в счетчик команд. Этот новый адрес поступает из ПЗУ. Следующей
выполненной командой программы будет команда размещения данных в памяти по
адресу 2008Н (но не 2018Н).

Команды перехода или ветвления
существуют практически во всех программах МП. Они очень эффективны, как
средство принятия решений и удобны для формирования циклов программ.

состав команд
операций вызова программ и возврата в основную программу

Этих команд две: команда вызова CALL и
команда возврата RET. Эти команды всегда используются парами, т.е. если в
тексте программы есть команда CALL, ее всегда сопровождает команда RET.
Трехбайтовая команда CALL используется основной программой для перехода МП к
подпрограмме.

В примере подпрограмма (п/п) является
короткой последовательностью команд, целью которой является создание интервала
времени в течение 1 секунды.

Когда МП передает первую команду CALL по
адресу 1000Н, он находит адрес перехода в двух следующих байтах программы.
Адрес, следующий за CALL команды, отправляется (2010) в стек и МП переходит
тогда в начало подпрограммы по адресу 1000Н. Команды, составляющие эту программу,
выполняются до тех пор, пока МП не встретит команду возврата RET. Сохраняющий в
стеке адрес 2010 помещается в счетчик команд и МП продолжает выполнение
основной программы, принимая ее там, где он ее покинул. Эта программа
выполняется до тех пор, пока МП не встретит другую команду подпрограммы вызова CALL
по адресу 2020. МП сохраняет адрес следующей команды 2023 в стеке и переходит к
подпрограмме, находящейся по адресу 1000Н. После завершения выполнения этой
подпрограммы команда возврата RET извлекает из стека адрес следующей команды
основной программы (2023) и загружает ее в счетчик команд.

Данная подпрограмма может быть
использована много раз в ходе выполнения одной и той же основной программы.

Подпрограммы, как правило, размещены в
ПЗУ МП, но в некоторых случаях для ускорения выполнения программ, подпрограммы
размещают в ОЗУ.

Команда вызова сочетает функции
оператора загрузки в стек и перехода.

Эта команда сначала загружает в стек
содержимое счетчика команд. После этого счетчик команд должен быть загружен
новым адресом для выполнения перехода к подпрограмме.

 Нарисуем блок-схему выполнения этой
команды:

Имеет место следующей последовательности
операции:

1.   
Указатель стека декрементирован от
210А до 2109.

2.   
Старший байт счетчика команд
загружается в стек по адресу 2109.

3.   
Указатель стека декрементируется
до 2108.

4.   
 Младший байт счетчика команд загружается
в ячейку памяти с адресом 2108.

5.   
Младший байт адреса подпрограммы
загружается в младший байт счетчика команд.

6.   
Старший байт адреса перехода
загружается в старший байт счетчика команд.

После этого МП ответвляется по адресу,
на который указывает счетчик команд (в примере 1000Н). Этот адрес является
началом подпрограммы. В конце подпрограммы находится команда RETERN. Обнаружив
ее, МП извлекает в известном порядке из стека сначала младший, затем старший
байты и размещает их в счетчике команд (в примере 2010). После этого
продолжается выполнение основной программы до следующей команды CALL.

Имеется ряд других таких команд, как
команды обслуживания стека, отсутствие операции, команда остановок и др. При их
выполнении индикаторы регистра состояния не меняются.

запись программы

Программист
должен:

1.      Знать состав команд МП.

2.      Быть хорошо знаком с расположением регистров МП.

3.      Знать общую архитектуру ЭВМ.

Этапы
развития программы могут быть представлены следующим образом:

·                    
Определить и проанализировать
задачу.

·                    
Начертить структурную схему
решения.

·                    
Записать программу на ассемблере.

·                    
Записать или генерировать
программу в кодах.

·                    
Загрузить программу на решение.

·                    
Документировать программу.

Например.

Сложение
содержимого трех последовательных ячеек памяти и размещение суммы в памяти.

Эта
схема называется функционально-структурной. Она не содержит адекватных деталей,
которые не позволяют перейти ее прямо в сегмент программы на ассемблере или в
машинном коде.

Нарисуем
подробную функциональную схему:

Подробная функциональная
схема организации решения задачи сильно зависит от архитектуры и состава команд
данного МП. В то время, как общая функциональная схема может быть использована
для любой вычислительной системы, т.е. она инвариантна по отношению к системе
команд и архитектуре.

Затем
следует записать версию подробной структурной схемы на ассемблере в 4 типовых
поля: метка, мнемоника, операнд и комментарий.

Метка	Мнемоника	Операнд	Комментарий
	LXI	Н, 2010Н	Загрузить адрес 2010Н в пару регистров HL. Эта пара регистров используется как указатель адреса.
	MOV	А, М	Поместить первое число из ячейки памяти с адресом 2010Н в аккумулятор (А).
	INX	Н	Инкрементировать пару регистров HL до 2011Н.
	ADD	М	Сложить второе число в ячейке памяти 2011Н с содержимым А.
	INX	H	Инкрементировать пару регистров HL до 2012.
	ADD	M	Сложить третье число в ячейке памяти 2012 с содержимым А.
	INX	Н	Инкрементировать пару регистров HL до 2013.
	MOV	М, А	Поместить сумму из А в ячейку памяти 2013.
	HLT		Остановить МП.

Записанная
версия должна быть переведена в состав бит из 0 и 1, понимаемых МП и называемых
машинным кодом.

Это
можно сделать с помощью специальных программ или вручную.

Вручную
кодирование выполняется следующим образом:

1.                 
найти код операции каждой
мнемоники в таблице состава команд.

2.                 
определить операнды (данные и
адреса), когда это необходимо передать командами из нескольких байт.

3.                 
установить адреса памяти в
последовательности каждой команды и операнда.

Шестнадцатеричная	Мнемоника	Операнд	Комментарий
Адрес	Содержимое
2020 2021 2022	21(код операции) 10 (младший байт) 20 (старший байт)	LXI	Н, 2010Н	Загрузить адрес 2010Н в пару регистров HL, как указатель адреса.
2023	7Е	MOV	А, М	Загрузить первое число из ячейки памяти с адресом 2010Н в А.
2024	23	INX	Н	Инкрементировать пару регистров HL до 2011Н.
2025	86	ADD	М	Сложить второе число с адресом 2011Н с содержимым А.
2026	23	INX	H	Инкрементировать пару регистров HL до 2012.
2027	86	ADD	M	Сложить третье слагаемое из ячейки памяти 2012 с содержимым А.
2028	23	INX	Н	Инкрементировать пару регистров HL до 2013.
2029	77	MOV	М, А	Поместить сумму из А в ячейку памяти, на которую указывает содержимое пары регистров HL.
202А	76	HLT		Остановить программу.

Затем
нужно проверить программу в том смысле работает ли она. Эта операция
представляет собой процесс отладки программы (поиск и устранение ошибок).

Последним
этапом программирования является документирование. Документировать программу
значит дать ее описание, указывающее в какой последовательности выполняются
операции. Сюда входят: блок-схемы алгоритмов вычислений, списки, данные, адреса
использованных подпрограмм и развернутый комментарий.

ветвление программ

Пример: Найти большее число и поместить его в
определенную ячейку памяти.

Во-первых, в 2-х кадрах блок-схемы представлены
операции загрузки чисел в регистре A и L. Команда
сравнение, не разрушая содержимого регистров, вычитает из содержимого
Аккумулятора содержимое регистра L. Результат сравнения изменяет состояние индикаторов
(флагов) в регистре состояния. Следующий кадр называется знаком принятия
решений. Он завершает в программе этап решения и содержит поставленный вопрос
[(A) ≥ (L)]? Если да, то программа
продолжается последовательно и содержимое аккумулятора помещается в память,
затем МП останавливается. Если нет, то программа ответвляется и содержимое
регистра L помещается  в память, затем МП останавливается.

Метка	Мнемоника	Операнд	Комментарий
	MVI	A, ØF	Загрузить число 15 (в десятичной форме) в аккумулятор.
	MVI	L, Ø6	Загрузить число Ø6 в регистр L.
	CPM	L	Сравнить содержимое А с содержимым регистра L,  индикатор CY регистра состояния =1, если А<L.
	JC	STORE, L	Перейти к STORE, L,если CY=1 (если A<L). В противном случае продолжить последовательность.
	STA	2040H	Загрузить содержимое А в ячейку памяти 2040.
	HLT		Остановить МП.
STORE, L	MOV	A, L	Поместить регистр L в А.
	STA	2040H	Загрузить содержимое А в ячейку памяти 2040.
	HLT		Остановить МП.

В таблице представлена программа на ассемблере,
которая решает задачу нахождения наибольшего числа и размещения его в памяти по
адресу 2040.

Таким образом, рассмотренный на структурной схеме
способ ветвления осуществляется командами перехода, согласно которым
принимаются решения, основанные на состоянии индикаторов в регистре состояния.

ЦИКЛЫ

Вычислительные
машины (системы) особенно эффективны в случае выполнения повторяющихся задач.

Пример.

Структурная
схема размещения ряда чисел (от 0 до последовательно в память с адресами от
2040 до 2048. Два первых кадра соответствуют начальной загрузке пары регистров HL и
аккумулятора значениями 2040 и ØØ соответственно. Третий кадр
соответствует процессу размещения данных в памяти, он будет повторяться 9 раз,
в ходе выполнения этой программы. МП, повторяя свои действия, размещает содержимое
аккумулятора в памяти по адресу, указанному в паре регистров HL.
Четвертый и пятый кадры представляют операции, которые изменяют адрес в паре
регистров HL и числа в аккумуляторе. Кадр сравнение и знак принятия
решения составляют операцию тестирования. Команда сравнение вычитает число
Ø9 из содержимого аккумулятора для установки или сброса индикатора нуля
в регистре состояния.

Если
содержимое аккумулятора  меньше 9 индикатор нуля сброшен. Команда сравнения и
условного перехода используются для проверки изменяющегося счета и определения
момента выхода из цикла.

Метка	Мнемоника	Операнд	Комментарий
	LXI	H, 2040	Загрузить число 2040 в пару регистров HL.
	XRA	A	Сброс А в ØØ.
LOOP	MOV	M, A	Поместить А в М.
	INX	H	Инкремент HL.
	INR	A	Инкремент А.
	CPI	Ø9	Сравнить А= Ø9. Если да, то индикатор нуля Z установится в единицу.
	JZ	LOOP	Перейти к LOOP, если Z=0, т.е. если содержимое А ≠ Ø9, если да, то продолжить последовательно.
	HLT		Остановить МП.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ПОДПРОГРАММ

Существуют
подпрограммы, очень часто используемые одной и той же типовой программой или одним
и тем же программистом в различных программах. Передача управления программой в
подпрограмме выполняется одной командой вызова (CALL). Возврат
или восстановление управления основной программой осуществляется командой
возврата (RET). Кроме того, используются команды размещения в стек
и извлечения из стека – используются как текущие вместе с подпрограммой.

Пример: В задачу МП
входит ввести 2 отобранных числа, образовать их сумму и сохранить ее, затем,
эта сумма должна быть умножена на масштабирующий коэффициент и размещена так же
в памяти. Это связано с тем, что предыдущая сумма должна быть восстановлена в
аккумулятор, затем эта сумма проверяется знаком принятия решения и в этом
случае, если она больше 10Н, программа переводится на сигнализацию.

Нарисуем
блок-схему.

           

Три первые команды восстанавливают указатель стека
пару регистров HL и аккумулятор соответственно до 20СØ, 2040 и
ØØ.

Четвертая команда складывает содержимое аккумулятора с
содержимым ячейки памяти, на которую указывает пара регистров HL.
Например, содержимое памяти по адресу 2040 – Ø5. После выполнения четвертой
команды, содержимое аккумулятора будет  Ø5 (ØØ + Ø5
= Ø5).

Пятая
команда основной программы инкрементирует содержимое пары регистров HL.

Шестая
команда складывает содержимое памяти по адресу 2041 (Ø9) с содержимым аккумулятора.
В результате Ø5 + Ø9= ØЕ.

Следующая
команда PUSH PSW сохраняет содержимое
аккумулятора и индикаторы регистра состояния. Это должно быть выполнено потому,
что следующая команда вызова подпрограммы разрушит содержимое этих регистров,
при выполнении программы умножения.

Операция
вызова помещает адрес команды в последовательность основной программы в стек и
затем переходит к адресу первой команды подпрограммы умножения.

Например,
адрес 2050 (adr. 2050). В примере подпрограммы осуществляется
умножение суммы  ØЕ * 2 = 1С и произведение помещается в аккумулятор.
После возврата в основную программу адрес следующей последовательной команды
извлекается из стека и например, равен 200Е.

Т.к.
команды размещения в стек и извлечение из него парные, то содержимое аккумулятора
и регистра состояния восстанавливается командой POP PSW.

Теперь
содержимое аккумулятора является не произведением, а сумма ØЕ. Эта сумма
будет тестируема следующей командой CPI. Две следующие команды
основной программы для тестирования суммы в аккумулятор. Команда сравнить
непосредственно (CPI) выполняет операцию вычитание (ØЕ – 10 = FE).
Результат вычитания будет FE, который представлен в дополнительном коде. Т.е. содержимое
аккумулятора меньше, чем 10. Индикатор CY равен 1 и МП
переходит к символическому адресу START.

Метка	Мнемоника	Операнд	Комментарий
	LXI	SP, 20CØ	Поместить число 20CØ в указатель стека.
	LXI	Н, 2040	Поместить адрес 2040 в пару регистров HL (указать область ОЗУ, в которой будут находиться данные).
	XRA	A	Сброс аккумулятора в ØØ.
	ADD	М	Сложить содержимое аккумулятора с М (2040).
	INX	H	Инкрементировать пару регистров HL.
	ADD	M	Сложить содержимое аккумулятора с содержимым ячейки памяти 2041.
	PUSH	PSW	Поместить в стек содержимое аккумулятора и индикатора регистра состояния.
	CALL	MULTIPLAY	Вызов подпрограммы MULTIPLAY, начинающейся с адреса 2042.
	INX	H, 2042	Инкремент HL до 2042.
	MOV	M, A	Разместить произведение в ячейку памяти 2042.

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные: move, input, outptut, load и store.
• Команды перехода: goto, if ... goto, call и return.
• Команда останова: halt.

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8. Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000>. Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A.
2. LOAD_B 2. Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 (0010) в регистр B.
3. ADD B A. Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A.
4. STORE_A 23. Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23.

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Шина

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Кэш

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Если хотите узнать о процессорах больше, посмотрите, какие бывают популярные архитектуры: CISC, RISC, MISC и другие и виды.

Перевод статьи «How does a CPU work?»