46. Охарактеризуйте функції пристрою управління

47. Поясніть фрагмент схеми арифметико-логічного пристрою для складання цілих чисел

­

48. Поясніть фрагмент схеми арифметико-логічного пристрою для віднімання цілих чисел

49. Охарактеризуйте архітектуру процесора

Термін "архітектура процесора" в даний час не має однозначного тлумачення. З погляду програмістів, під архітектурою процесора мається на увазі його здатність виконувати певний набір машинних кодів. Більшість сучасних десктопних процесорів відносяться до сімейства x86, або Intel-сумісних процесорів архітектури IA32 (архітектура 32-бітових процесорів Intel). Її основа була закладена компанією Intel в процесорі i80386, проте в подальших поколіннях процесорів вона була доповнена і розширена як самою Intel (введені нові набори команд MMX, SSE, SSE2 і SSE3), так і сторонніми виробниками (набори команд EMMX, 3DNow! і Extended 3DNow!, розроблені компанією AMD).

Проте розробники комп'ютерного устаткування вкладають в поняття "Архітектура процесора" (іноді, щоб остаточно не заплутатися, використовується термін "мікроархітектура") дещо інший зміст. З їхнього погляду, архітектура процесора відображає основні принципи внутрішньої організації конкретних сімейств процесорів. Наприклад, архітектура процесорів Intel Pentium позначалася як Р5, процесорів Pentium II і Pentium III - Р6, а популярні в недавньому минулому Pentium 4 відносилися до архітектури NetBurst. Після того, як компанія Intel закрила архітектуру Р5 для сторонніх виробників, її основний конкурент - компанія AMD була вимушена розробити власну архітектуру - К7 для процесорів Athlon і Athlon XP, і К8 для Athlon 64.

Архітектури процесорів

Процесор, або більш повно — мікропроцесор, який також часто називають ЦПП (CPU — central processing unit) є центральним компонентом комп'ютера. Це розум, який прямо або опосередковано керує усім, що відбувається усередині комп'ютера.

Коли фон Нейман уперше запропонував зберігати послідовність інструкцій, так звані програми, у тій самій пам'яті, що й дані, це була дійсно новаторська ідея. Опублікована вона в «First Draft of a Report on the EDVAC» у 1945 p. Цей звіт описував комп'ютер, що складається з чотирьох основних частин: центрального арифметичного пристрою, центрального керуючого пристрою, пам'яті й засобів введення-виведення.

Сьогодні майже всі процесори мають фон-нейманівську архітектуру.

Кожен мікропроцесор має певну кількість елементів пам'яті, що називаються регістрами, арифметично-логічний пристрій (АЛП) і пристрій керування.

Регістри використовуються для тимчасового зберігання виконуваної команди, адрес пам'яті, оброблюваних даних й іншої внутрішньої інформації мікропроцесора.

В АЛП здійснюється арифметична й логічна обробка даних.

Пристрій керування реалізує тимчасову діаграму і виробляє необхідні керуючі сигнали для внутрішньої роботи мікропроцесора й зв'язку його з іншою апаратурою через зовнішні шини мікропроцесора.

Сьогодні існує кілька напрямків у виробництві мікропроцесорів. Вони розрізняються за принципами побудови архітектури процесора. Найбільш розповсюдженими є архітектури RISC і CISC.

RISC

Мікропроцесори з архітектурою RISC (Reduced Instruction Set Computers) використовують порівняно невеликий (скорочений) набір найбільш вживаних команд, визначений у результаті статистичного аналізу великого числа програм для основних областей застосування CISC - процесорів вихідної архітектури. Усі команди працюють з операндами і мають однаковий формат. Звертання до пам'яті виконується за допомогою спеціальних команд завантаження регістра й запису. Простота структури і невеликий набір команд дозволяють повністю реалізувати їхнє апаратне виконання й ефективний конвеєр при невеликому обсязі устаткування.

Арифметику RISC - процесорів вирізняє високий ступінь дроблення конвеєра. Цей прийом дозволяє збільшити тактову частоту (отже, і продуктивність) комп'ютера; чим елементарніші дії виконуються в кожній фазі роботи конвеєра, - тим вищою є частота його роботи. RISC - процесори із самого початку були орієнтовані на реалізацію всіх можливостей прискорення арифметичних операцій, тому їхні конвеєри мають значно вищу швидкодію, ніж CISC-процесори. Тому RISC - процесори в 2—4 рази швидші, ніж CISC- процесори зі звичайною системою команд, що мають таку ж саму тактову частоту, і більш високопродуктивні, незважаючи на більший розмір програм. RISC- архітектура побудована на 4 основних принципах:

1. Будь-яка операція повинна виконуватися за один такт, незалежно від її типу.

2. Система команд повинна містити мінімальну кількість найчастіше використовуваних найпростіших інструкцій однакової довжини.

• 3. Операції обробки даних реалізуються тільки у форматі «регістр — регістр» (операнди вибираються з оперативних регістрів процесора, і результат операції записується також у регістр; а обмін між оперативними регістрами й пам'яттю виконується тільки за допомогою команд завантаження/запису).

4. Склад системи команд повинен бути «зручним» для компіляції операторів мов високого рівня.

Ускладнення RISC- процесорів фактично наближає їхню архітектуру до CISC-архітектури.

Сьогодні кількість процесорів із RISC- архітектурою істотно зросла і їх виробляють усі провідні фірми США, у тому числі фірми Intel, Motorola — виробники основних сімейств процесорів із CISC-архітектурою.

CISC

Мікропроцесори з архітектурою CISC (Complex Instruction Set Computers, архітектура обчислень із повною системою команд) реалізують на рівні машинної мови комплексні набори команд різної складності, від простих, характерних для мікропроцесора першого покоління, до дуже складних. Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів побудована за архітектурою CISC.

Останнім часом з'явилися гібридні процесори, що мають систему команд CISC, однак усередині перетворюють їх на ланцюжки RISC-команд, які й виконуються ядром процесора.

Поступове ускладнення CISC- процесорів відбувається в напрямку більш досконалого управління машинними ресурсами, а також у напрямку зближення машинних мов із мовами високого рівня.

Одночасно складна система команд і змінний формат команди процесором із CISC- архітектурою призвели до швидкого зростання складності схем Так, процесор 8086 містив 29 тис. транзисторів, 80 386 — 275 000, Pentium — 3 100 000, Pentium 4 — 42 млн транзисторів. Для того щоб такі процесори взагалі могли працювати з прийнятним енергоспоживанням і розміщатися на обмеженій площі, виробники працюють над мініатюризацією транзисторів. Уже досягнутий рівень 0,09 мкм.