Процессор виды, способы реализации. Микропроцессор. Микропроцессорная система. Трехшинная архитектура микропроцессорных систем.

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

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

Виды процессоров:

· Буферный процессор [front-end processor] - Процессор или специализированная микроЭВМ, реализующие промежуточную обработку данных, которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами ввода-вывода .

· Препроцессор [preprocessor] - буферный процессор (см. выше).

· CISC (Complex Instruction Set Computing) - “ Вычислитель со сложным набором команд” - Технология и архитектура построения микропроцессоров фирмы Intel (см. ниже также RISC).

· RISC (Redused Instruction-Set Computer) - “ Вычислитель с сокращенным набором команд” - Технология и архитектурапостроения микропроцессоров, альтернативная технологии CISC . Принцип построения RISC- процессоров основан на применении набора простых команд и “на их основе сборки” требуемых более сложных команд. Это позволяет сделать микропроцессоры более компактными и производительными, а также менее энергоемкими и дорогими. Другое преимущество технологии RISC заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости ПЭВМ типа IBM PC и Macintoshфирмы Apple

· Процессор-клон , клон [cloneprocessor, clone] - Процессор, выпускаемый другой фирмой - не его основным разработчиком и производителем, в том числе по лицензии или без нее. Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium,…,P entium III и т.д., выпускаемые другими фирмами - не Intel . Как правило, клоны представляют собой собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью, так и только частично совместимы с оригинальной продукцией фирмы Intel, иметь отличные от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними.

Способы реализации процессора:

1) Фон Неймановская архитектура.

2) Гарвардская архитектура.

3) Супергарвардская архитектура.

Чаще всего для сложных вычислений применяются специализированные цифровые сигнальные процессоры, построенные по супергарвардской архитектуре.
Супергарвардская архитектура является усовершенствованием гарвардской архитектуры, главной особенностью которой является раздельная память для команд и данных, каждая из которых работает со своими шинами адреса и данных. Т.к. шины работают независимо, выборку команды и чтение (запись) данных производятся одновременно, что позволяет значительно увеличить скорость выполнения программы. В ЭВМ, построенной по супергарвардской архитектуре, помимо раздельной памяти команд и данных, используется кэш-память команд и контроллер ввода-вывода. В кэш-памяти команд сохраняется до 32 последних команд, которые были выполнены, что позволяет сэкономить время при выборке команды. Контроллер ввода-вывода обеспечивает высокоскоростной ввод-вывод через совокупность портов параллельной и последовательной передачи данных.

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных вмашинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем^[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Микропроцессорная система (МПС) (МП-система) - специализированная информационная или управляющая система, построенная на основе микропроцессорных средств, т. е. набора микропроцессорных схем.

Трехшинная архитектура микропроцессорной системы:

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 - 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Назначение шин следующее:

· к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

· к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

· к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.

17. Необходимость создания программного цифрового автомата. Архитектура фонНеймана (достоинства недостатки)..

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.

«принципы фон Неймана»