Лекция: Архитектура ядра вычислительной системы

Ядром вычислительной системы является центральный процессор. Центральный процессор — это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

Тип архитектуры процессора, как правило, определяется фирмой производителем оборудования. С типом архитектуры тесно связан набор поддерживаемых команд или инструкций, и их расширений.

В состав центрального процессора входят:

· устройство управления (УУ);

· арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

· генератор тактовой частоты (ГТЧ);

· шины данных и шины адресов;

· регистры – память для хранения промежуточных данных, адресов и результатов промежуточных вычислений;

· счетчики команд, указывающие, какую команду следует выполнять в данный момент;

· кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

· математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство — это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров или процессоры с несколькими ядрами.

Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.

К основным характеристикам процессора относятся:

· Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

· Тактовая частота. Равна количеству тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер.

· Разрядность процессора — это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), полубайт (4 бита), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита), 64 бита. В современных компьютерах используются 32- и 64-битные процессоры.

· Концепция проектирования процессоров – имеются следующие концепции: RISC и CISC. Концепция RISC (вычисления с сокращённым набором команд) во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Характеристики: фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды, большое количество регистров общего назначения (32 и более), отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. Концепция CISC характеризуется нефиксированным значением длины команды, кодированием арифметических действий в одной инструкции и небольшим числом регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Для пользователей процессор интересен прежде всего своей системой команд и скоростью их выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

13. вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;

14. меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду;

15. определяет тип вызванной команды;

16. если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово;

17. переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора;

18. выполняет команду;

19. переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка — декодирование — исполнение) является основой работы всех компьютеров.

Также к ядру вычислительной системы можно отнести оперативную память, устройства внешней памяти, шины и контроллеры, предназначенные для их взаимодействия с центральным процессором. По шинам управления передаются управляющие сигналы. По шинам данных передаётся информация при записи и считывании. Шина адреса предназначена для передачи адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Так, при чтении по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти (ОП), а с шины данных считывается нужная информация.