Центральный процессор ЭВМ: устройство управления и арифметико-логическое устройство

ФГБОУ ВПО «МОРДОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н.П. ОГАРЕВА»

 

Экономический факультет

Кафедра статистики, эконометрики и  информационных систем в управлении

 

Реферат

 

Центральный процессор  ЭВМ: устройство управления и арифметико-логическое устройство.

 

 

 

                                                    Выполнил: студент 209 группы, 
                                                      направление «Бизнес-информатика»

                         Казаков Роман

                                                           Проверил: доцент кафедры статистики,

                                                   эконометрики и информационных

                                                  систем в экономике и управлении

                    Кузнецов А.Ф.

 

 

 

 

 

Саранск 2013

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

1. Центральный процессор………………………………………………..4

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) …………………………8

3. Устройство Управления (УУ)……………………………………….. 11

Заключение……………………………………………………………… 13

Список использованной литературы………………………………….. 14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящем времени  трудно назвать те области человеческой деятельности, успехи в которых не были бы связаны с использованием компьютера. Сфера применения компьютера постоянно расширяется, существенно влияя на развитие производительных сил нашего общества. Непрерывно изменяются технико-экономические характеристики компьютера, например, такие, как быстрота действия, ёмкость памяти, надёжность в работе, стоимость, удобства в эксплуатации, габаритные размеры, потребляемая мощность и др. В широком понимании всякий компьютер рассматривается как преобразователь информации. При этом под информацией понимается различные сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни или процессах, протекающих в технических устройствах. Все персональные компьютеры и растущее число наиболее современного оборудования работают на специальной электронной схеме, названной микропроцессором. Часто его называют компьютер в чипе. Современный микропроцессор- это кусочек кремния, который был выращен в стерильных условиях по специальной технологии.

В данной работе мною изложены основные теоретические сведения о  логическом устройстве микропроцессора, его предназначении и принципах  работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Центральный процессор 

Архитектура фон  Неймана – широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

        Машина Фон Неймана состоит из памяти, устройств ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Центральный процессор, в свою очередь, состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).

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.

Процессор: 1)дешифрирует и выполняет команды программы. 
                           2)организует обращение к ОП. 
                          3)в нужных случаях инициирует работу периферийных             устройств. 
                        4)воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и внешней среды («запросы прерывания»). 
Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, т.к. он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в ЭВМ.

 

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). 
   
  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.

Упрощенная структурная  схема микропроцессора приведена на рисунке.

К основным характеристикам  процессора относятся:

• Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.
• Тактовая частота в МГц. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 и т. д. До 3ГГц 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. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, входящих в их состав.
• Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

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.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) 

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции.

АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.

Структура АЛУ

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими  схемами и элемента управления выполняемым  процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке  данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить  на две части :

1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);
2. операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

 

Рисунок  - Структурная схема арифметико-логического устройства

Структурная схема АЛУ и  его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 1. В состав АЛУ входят регистры Рг1 - Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Классификация АЛУ

• По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.
• По способу представления чисел различают АЛУ:
1. для чисел с фиксированной точкой;
2. для чисел с плавающей точкой;
3. для десятичных чисел.
• По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.
• По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметическо-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

 

Операции в  АЛУ 

Выполняемые в АЛУ  операции можно разделить на следующие  группы:

• операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
• операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
• операции десятичной арифметики;
• операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
• операции специальной арифметики;
• операции над логическими кодами (логические операции);
• операции над алфавитно-цифровыми полями.

 

3. Устройство Управления (УУ)

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

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

 

Устройство  управления (УУ) - вырабатывает необходимые управляющие сигналы для: 
1) выбора очередной команды из ОП; 
2) дешифрирования кода команды; 
3) формирования адресов операндов; 
4) выборки операндов из памяти и передачи их в АЛУ; 
5) выполнения в АЛУ операции, заданной КОП команды; 
6) передачи полученного в АЛУ результата операции в память; 
7) инициирования операций ввода вывода; 
8) организации реакции процессора на прерывания.

 

Революционность идей Джона  Фон Неймана заключалась в  строгой специализации: каждое устройство компьютера отвечает за выполнение только своих функций. Например, раньше память ЭВМ часто не только хранила данные, но и могла производить операции над ними. Теперь же было предложено, чтобы память только хранила данные, АЛУ производило арифметико-логические операции над данными в своих регистрах, устройство ввода вводило данные из "внешнего мира" в память и т.д.

Таким образом, Джон Фон  Нейман предложил жёстко распределить выполняемые ЭВМ функции между различными устройствами, что существенно упростило схему машины, и сделало более понятным её работу.

Устройство управления тоже имеет свои регистры, оно может считывать команды из памяти на специальный регистр команд РK (IR – instruction register), на котором всегда хранится текущая выполняемая команда.