Последовательность выполнения инструкций процессором не может быть нарушена

Как работает процессор?

5 мин на чтение

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. — Чарльз Бэббидж

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).

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.

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:

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.
LOAD_B 2. Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 (0010) в регистр B.
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.
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.

Иллюстрация потока инструкций в статье «Как работает процессор?»

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.

Источник

Министерство Образования Российской Федерации

Государственный
Университет Управления

Институт
Национальной и Мировой экономики

Реферат
по теме

«Микропроцессоры»

Выполнил
студент I
курса

(предпринимательство)

Проверила
преподаватель

Малышева
Л.Н.

Москва,2002
г.

План

Введение.

Процессор
как он есть.

Краткая
характеристика микропроцессоров.

Сравнение
процессоров.

Что
день грядущий нам готовит?

На
грани фантастики.

Введение.

Компьютер
представляет собой устройство, способное
исполнять четко определённую
последовательность операций, предписанную
программой. Понятие «компьютер»
является более широким, чем
«электронно-вычислительная машина»
(ЭВМ) поскольку в последнем явный акцент
делается на вычисления. Персональный
компьютер (ПК) характерен тем, что им
может пользоваться один человек, не
прибегая к бригаде обслуживающего
персонала и не отводя под него специального
зала с особым климатом, мощной системой
электропитания и прочими атрибутами
больших вычислительных машин. Персональный
компьютер обычно ориентирован на
взаимодействие с одним пользователем
(возможно и больше), причем взаимодействие
происходит через множество сред общения
— от алфавитно-цифрового и графического
диалога посредством дисплея, клавиатуры
и мыши до устройств виртуальной
реальности, в которых пока не задействованы,
наверное, только запахи. Когда используется
аббревиатура PC
(Personal
Computer),
подразумевается ПК, совместимый с самым
массовым семейством ПК фирмы IBM
и их клонов.

Любой
компьютер представляет собой реализацию
так называемой фон-неймановской
архитектуры вычислительных машин. эта
архитектура была представлена Джорджем
фон Нейманом ещё в 1945 году и имеет
следующие основные признаки. Машина
состоит из блока
управления, арифметико-логического
устройства (АЛУ),
памяти
и устройств
ввода – вывода.
В ней (машине) реализуется концепция
хранимой программы:
программа
и данные хранятся в одной и той же памяти.
Выполняемые действия определяются
блоком управления и АЛУ, которые вмести
являются основой центрального
процессора.

Процессор как он есть.

В
настоящее время под словом «процессор»
подразумевают микропроцессор — микросхему,
которая, помимо собственно процессора,
может содержать и другие узлы — например,
кэш –память. Сейчас набор арифметических,
логических и прочих инструкций, которых
выполняет процессор насчитывает
несколько сотен, а для потоковой обработки
придуман принцип SIDM
– множество комплектов данных,
обрабатываемых одной инструкцией (MMX,
3DNow!,
SSE,SSE2).
В IBM-совместимых
ПК применяются процессоры, совместимые
с семейством 80х86 фирмы Intel.

В
оригинальной машине IBM
PC
использовался процессор 8088 с 16 –
разрядными регистрами. Все следующие
модели процессоров, в том числе 32- и 64-
разрядные, включает в себя подмножество
системы команд и архитектуры предыдущих
моделей, обеспечивая совместимость с
ранее написанными ПО (программным
обеспечением).

Под
архитектурой
процессора
понимается его программная модель , то
есть программно – видимые свойства.
Далее мы будем рассматривать процессоры
с архитектурой IA-32
(Intel
Architecture
32 bit
– архитектура Pentium
– совместимых 32-х битных процессоров),
так как процессоры данной архитектуры
самые распространённые. Под микроархитектурой
понимается
внутренняя реализация этой программной
модели. Для одной и той же архитектуры
IA-32
разными фирмами и в разных поколениях
применяются существенно различающиеся
микроархитектурные реализации, при
этом, естественно, стремятся к максимальному
повышению производительности (скорости
исполнения программ). Поясним некоторые
понятия:

Конвейеризация
(pipelining)
предполагает разбивку выполнения каждой
инструкции в несколько этапов, причем
каждый этап выполняется на своей ступени
конвейера процессора. При выполнении
инструкция продвигается по конвейеру
по мере освобождения последующих
ступеней. Таким образом, на конвейере
одновременно может обрабатываться
несколько последовательных инструкций,
производительность можно оценивать
темпом выхода выполненных инструкций
со всех конвейеров. Для достижения
максимальной производительности
процессора – обеспечение полной загрузки
конвейеров с минимальным числом лишних
штрафных циклов (penalty
cycles)
– программа должна составляться с
учётом архитектурных особенностей
процессора. Конвейер «классического»
процессора Pentium
имеет пять ступеней. Конвейеры процессоров
с суперконвейерной архитектурой имеют
большее число ступеней, что позволяет
упростить каждую из них и, следовательно,
сократить время пребывания в них
инструкций. Конвейер
Pentium
4 имеет уже 20 ступеней.

Скалярным
называют процессор с единственным
конвейером, к этому типу относятся все
процессоры Intel
до 486 включительно. Суперскалярный
процессор имеет более одного конвейера,
способных обрабатывать инструкции
параллельно. Pentium
является двухпотоковым процессором
(имеет два конвейера), Р6–трехпотоковым.

Начиная
с Pentium
и некоторых моделей 486 поддерживают так
же особый режим системного управления
System
Management
Mode
(SMM),
при котором процессор выходит в иное,
изолированное от остальных режимов
пространство памяти. Этот режим
используется в служебных и отладочных
целях.

Процессоры
могут оперировать с 8 — , 16 — ,32 – и даже
64 — битными операндами, строками байт,
слов и двойных слов,
а
так
же с битами, битовыми полями и строками
бит. Все процессоры имеют целочисленное
АЛУ (арифметико-логическое устройство).
Блоки FPU,
MMX
и XMM
в архитектуре процессоров IA-32
x86
держится особняком. Они присутствуют
не во всех процессорах и даже по
схематической реализации являются
пристройками к центральному процессору
с его набором обычных целочисленных
регистров. Данные блоки предназначены
для ускорения вычислений.

Математический
сопроцессор
предназначен
для расширения вычислительных возможностей
центрального процессора – выполнения
арифметических операций, вычисления
основных математических функций
(тригонометрических, экспоненты,
логарифма) и т.д. В разных поколениях
процессоров он назывался по-разному —
FPU
(Floating
Point
Unit
— блок чисел с плавающей точкой) или NPX
(Numeric
Processor
eXtention
– числовое расширение процессора).
Сопроцессор поддерживает семь типов
данных: 16-, 32-и 64 – битные целые числа;
32 -, 64 -, 80- битные числа с плавающей точкой
(FP
– форматы) и 18 – разрядные числа в
двоично-десятичном (BCD)
формате. Применение сопроцессора
повышает производительность вычислений
в сотни раз. FPU
присутствует во всех современных
процессорах; его не было в 486SX,
а в предыдущих процессорах он устанавливался
дополнительно.

Технология
MMX ориентирована
на приложения мультимедиа, 2D/3D– графику и коммуникации. Это расширение
базовой архитектуры появилось только
после выхода второго поколения процессоровPentium. Основная идея ММХ
заключается в одновременной обработки
нескольких элементов данных за одну
инструкцию – так называемая технологияSIMD(SingleInstruction–MultipleData). Ещё одна особенность
технологии ММХ – поддержкаарифметики
с насыщением(Saturatingarithmetic). Её отличие от
обычной арифметики с циклическим
переполнением заключается в том, что
при возникновении переполнения в
результате фиксируется максимально-возможное
значение для данного типа данных, а
перенос игнорируется. В случае переполнения
снизу в результате фиксируется
минимально-возможное значение. Граничные
значения определяются типом (знаковой
или беззнаковой) и разрядностью
переменных. Такой режим вычисления
удобен, например, для определения цветов.
Совпадения регистров ММХ иFPUнакладывает ограничения на чередование
кодовFPUи ММХ – забота
об этом лежит на программисте приложений
с ММХ. Блок ММХ присутствует практически
на всех современных процессорах.

Процессоры
PentiumIII-IVимеют так называемоепотоковое
расширение SSE
(в Р4-SSE2) (StreamingSIMDExtensions).
Блок позволяет выполнять векторные
(они же пакетные) и скалярные инструкции.
При выполнении инструкции с ХММ
традиционное оборудованиеFPU/MMX не используется,
что позволяет эффективно смешивать
инструкции ММХ с инструкциями над
операндами с плавающей точкой. Здесь
блоки процессора меняются ролями –
регистры ММХ, наложенные на регистры
традиционного сопроцессора, используются
для целочисленных потоковых вычислений,
а вычисления с плавающей точкой
возлагаются на новый блок ХММ. Кроме
инструкций с новым блоком ХММ в расширенииSSEвходят и дополнительные
целочисленные инструкции с регистрами
ММХ, а так же инструкции управления
кэшированием.

Расширение
3DNow!,
введенная фирмойAMDв
процессорах К6-2 и выше, расширяет
возможности блока ММХ. Технология 3DNow!
даёт заметный результат при обработки
графики, хотя не претендует на вытеснение
графических ускорителей, а призвано
служить их мощным дополнением. При этом
сохраняется программная совместимость
с прежними процессорами и операционными
системами (ОС). В процессорахAthlonнабор инструкций 3DNow! был
дополнен. Появились новые инструкции
для процессоров (к 21 добавились ещё 24),
расширен набор инструкций ММХ, расширенно
управление кэшированием. Часть инструкций
совпадают с одноимёнными инструкциямиSSE.

При
отсутствие математического сопроцессора
прикладная программа все-таки может
использовать инструкции FPU,
но для этого операционная система должна
поддерживатьэмуляцию сопроцессора.Эмулятор сопроцессора – это программа
— обработчик прерывания или исключения
от сопроцессора, которая должна «выловить»
код операции сопроцессора, определить
место нахождения данных и выполнить
требуемые вычисления, используя
целочисленную арифметику центрального
процессора. Понятно, что эмуляция будет
выполняться во много раз медленнее, чем
те же действия, выполняемые настоящим
сопроцессором. Эмуляция для блоков ММХ
и ХММ не предусматривается, эти блоки
предназначены для ускорения вычислений
в приложениях реального времени, и
выполнять их с крайне низкой скоростью
эмуляции было бы просто бессмысленно.

Программный
код – это последовательность команд
илиинструкций, каждая из которых
определённым образом закодирована и
расположена в целом числе смежных байт
памяти. Каждая инструкция обязательно
имеетоперационную часть, несущую
процессору информацию о требуемых
действиях.Операндная часть,
указывающая процессору, где находится
его «предмет труда» — операнды, может
присутствовать в явном или неявном виде
и даже отсутствовать. Операндная часть
может описывать от нуля до двух операндов,
участвующих в данной инструкции (есть
инструкции, в которые кроме двух операндов
задаётся ещё и параметр инструкции).
Здесь могут быть сами значения операндов
(непосредственные операнды); явные или
неявные указания на регистры процессора,
в которых находится операнды; адрес
(или его составная часть) Ячейки памяти
или порта ввода – вывода; Регистры
процессора, участвующие в формировании
адреса и разные комбинации этих
компонентов. Длинна инструкции в
семействе х86 может быть от одного до 12
байт и определяется типом инструкции.
Исторически сложившийся формат инструкций
х86 довольно сложен, и «понять», сколько
байт занимает конкретная инструкция,
процессор может, лишь декодировав её
1-3 байт. Инструкции могут предшествовать
префиксы (всегда однобайтные), указывающие
на изменение способа адресации, размера
операнда или (и) необходимость
многократного повторения для данной
инструкции. Адрес (логический) текущий
исполняемой инструкции хранится в
специальном регистре– указателе
инструкций IP(InstructionPointer),
который соответствует счетчику команд
фон-неймановской машины. После исполнения
так называемойлинейной инструкцииэтот указатель увеличивает своё значение
на её длину, то есть он укажет на начало
следующей инструкции. Линейная инструкция
не нарушает порядок выполнения,
определяемый последовательностью
расположения инструкций в памяти (по
нарастанию адреса). Кроме линейных
инструкций существуютинструкции
передачи управления, среди которых
различают инструкциипереходовивызововпроцедур. Эти инструкции в
явном или неявном виде содержат информацию
об адресе следующей выполняемой
инструкции. Инструкции переходов и
вызовов могут бытьбезусловными(ни от чего не зависящими) и условными.
Произойдет ли условный переход (вызов)
или нет, зависит от состояния флагов
(признаков) на момент исполнения данной
инструкции. Если переход (вызов) не
состоится, то исполняется инструкция,
расположенная в памяти вслед за текущей.Вызов процедуры характерен тем, что
перед ним процессор сохраняет в стеке
(стек – область ОЗУ) адрес следующей
инструкции, и на этот адрес предаётся
управление после завершения исполнения
процедуры (этот адрес извлекается из
стека при выполнении инструкции
возврата). Переход выполняется
безвозвратно.

Последовательность
исполнения инструкций, предписанная
програмным кодом, может быть нарушена
под воздействием внутренних или внешних
(относительно процессора) причин. К
внутренним причинам относятся исключения
(exceptions) – особые ситуации,
возникающие при выполнении инструкций.
Наглядным примером исключения является
попытка деления на ноль. При возникновении
условия исключения процессор автоматически
выполняет вызов процедуры обработки
исключения, после которой он может
вернуться к повторному исполнению
инструкции , породившей исключение, или
следующей за ней. Вариант поведения
зависит от типа произошедшего исключения.
Исключения широко используются
современными операционными системами.
На основе обработки исключений строится
система виртуальной памяти и реализуются
многие функции многозадачных ОС. Внешними
причинами изменения нормальной
последовательности инструкций являютсяаппаратные прерывания– вызовы
процедур под воздействием электрических
сигналов на специальные выводы процессора.
Эти сигналы могут подаваться неожиданно
для исполняемой программы, правда, у
программиста есть возможность заставить
процессор (компьютер) игнорировать все
прерывания или их часть. Злоупотреблять
этой возможностью нельзя (да и не всегда
она есть), поскольку на аппаратных
прерываниях строится, например, отсчет
времени и другие системные и прикладные
свойства компьютера. Источниками
аппаратных прерываний являются
контроллеры и адаптеры периферийных
устройств, генераторы меток времени,
системы управления питанием и другие
подсистемы. Есть ещё так называемыепрограммные прерывания, но они
отнюдь не нарушают последовательность
инструкций, предписанную программистом.
Поэтому прерываниями они по сути, не
являются – это всего лишь особый способ
вызова системных сервисовBIOS(Базовая система ввода – вывода) и
операционной системы. И, наконец,
последовательность инструкций может
изменятся по сигналу аппаратного сброса
или инициализации процессора. С этого,
собственно, и начинается функционирование
компьютера: процессор приводится в
исходное положение и «выпускается» в
работу. При этом указатель инструкции
совместно с другими регистрами,
участвующими в формирование адреса
инструкции, генерирует адрес, на 15 байт
меньший максимального физического
адреса. По этому адресу должна располагаться
инструкция, с которой начинается
инициализация компьютера.

Для
того чтобы процессы не мешали друг другу
(по недосмотру или умышленно), требуются
меры принудительной защиты принудительных
ресурсов. Современные ОС используют
защищённый режимпроцессора, котором
эти меры реализуются на аппаратном
уровне. Поскольку программа может
взаимодействовать с подсистемами
компьютера только через пространство
памяти и портов ввода-вывода, а также
аппаратные прерывания, то защищать
нужно эти три типа ресурсов. Самую
сложную защиту имеет память. Операционная
система выделяет каждому процессу
области памяти –сегменты–
различного назначения и разными правами
доступа. Из одних сегментов можно только
читать данные, в другие возможна и
запись. Для программного кода выделяются
специальные сегменты, инструкции могу
выбираться и исполнятся только из них.
По отношению к принципу хранимости
программы это является искусственным
ограничением для фон-неймановской
машины, но его целесообразность очевидна.
Процессору «безразлично» содержимое
ячейки памяти, на которую передавалось
управление, — он всегда пытается трактовать
её как код инструкции (или префикс). Если
ошибочно управление передавалось на
область данных, на область данных, то
дальнейшее поведение процессора
непредсказуемо – это так называемый
«вылет». Защита не позволяет передать
управление на сегмент данных – сработает
исключение защиты, которое обрабатывается
операционной системой, и ошибочный
процесс будет принудительно завершён.
Таким образом вероятность вылета
уменьшается. Чтобы выдержать принцип
хранимости программы, на время её
загрузки в память или программной
модификации ту же область объявляют
сегментом данных, в которых разрешена
запись. Система защиты может полностью
контролировать распределение памяти,
генерируя исключения в случае различных
нарушений. Конечно же, эффективность
защиты (устойчивость компьютера к
ошибкам) в значительной мере определяется
предусмотрительностью разработчиков
операционной системы.

Архитектура
современных 32-разрядных процессоров
включает ряд средств кэширования памяти:
два уровня кэша инструкций и данных (L1CacheиL2Cache), буферы ассоциативной
трансляции (TLB) блока
страничной переадресации и буферы
записи.

Кэш
– память процессоров строится с учетом
возможности обращений к памяти со
стороны внешних абонентов – других
процессоров или других контроллеров
шины. Процессоры имеют механизмы внешнего
слежения за состоянием собственного
кэша с соответствующими аппаратными
интерфейсами. Для поддержания
согласованности данных кэша и основной
памяти процессор обрабатывает циклы
слежения(SnoopCycleилиInquireCycle),
инициированные внешней (для него)
системой. В этих циклах, происходящих
при обращении к памяти со стороны
внешнего абонента, процессор определяет
присутствие затребованной области в
своём собственном кэше. Если область
отображается в кэше, то действия
процессора зависят от состояния
соответствующей строки кэша и типа
внешнего обращения. Обращение по записи
вызовет онулирование данной строки.
Обращение по чтению к области,
соответствующей модифицированной
(“грязной”) строке, вызовет выгрузку
её содержимого в основную память, прежде
чем внешний абонент произведёт реальное
считывание.

Процессор
контролирует операции записи в память
на попадание в область, представленную
в кэше инструкций. Контроль выполняется
на уровне физических адресов, в случае
попадания строка аннулируется.

В
пространстве памяти компьютера имеются
области, для которых кэшировавние
принципиально не допустимо (например,
разделяемая память адаптеров) или для
которых не пригодна политика обратной
записи. Кроме того. Кэширование иногда
полезно отключить при выполнении
однократно исполняемых участков
программы (например, инициализации) с
тем, чтобы из кэша не вытеснялись более
полезные фрагменты.

Соседние файлы в предмете Компьютерная подготовка

#
#
#
16.12.20131.34 Mб41Готовый курсач и пояснительная записка access.mdb
#
#
#

Источник

На большинство современных материнских плат устанавливаются слоты …

SIMM

RIMM

DIMM

Компьютеры подключаются к локальной сети через … цифровой модем аналоговый модем COM-порт

сетевой адаптер

Вычислительные системы (ВС), допускающие режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой, называются … распределенными ВС

ВС с централизованным управлением ВС с децентрализованным управлением неоперативными ВС

Частота … является опорной для генератора тактовых импульсов шины PCI системной шины

процессора

шины USB

Сеть, в которую входят пользователи одного предприятия, находящиеся в разных помещениях, – это … вычислительная сеть всемирная региональная глобальная

локальная

Объем памяти, который занимает один символ ASCII, – … один бит один байт

одно слово

Полнота функций, выполняемых информационно-вычислительной сетью, означает …

обеспечение выполнения всех предусмотренных функций и по доступу ко всем ресурсам, и
по совместной работе

узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы количество данных, передаваемых через сеть за единицу времени

среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени

Устройства, подключаемые к системному блоку, называются … интерфейсными устройствами периферийными устройствами устройствами сопряжения

внешними устройствами

Последовательность выполнения инструкций процессором … может быть нарушена вследствие воздействия внутренних причин не может быть нарушена

может быть нарушена вследствие воздействия внешних причин может быть нарушена вследствие воздействия как внутренних, так и внешних причин

Неверно, что … является устройством ввода информации

джойстик клавиатура сканер монитор

Количество приводов CD-R и накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) при установке в системный блок …

ограничено количеством разъемов блока питания для подключения этих устройств ограничено количеством соответствующих отсеков системного блока неограниченно

ограничено количеством соответствующих отсеков системного блока и количеством
соответствующих разъемов блока питания

При прокладке внутри одного здания наибольшее распространение получили локальные сети, использующие … коаксиальный кабель телефонный кабель витую пару

оптоволоконный кабель

Неверно, что … находиться внутри системного блока контроллеры могут накопители на дисках могут микропроцессор может

блок питания может

Программно-видимые свойства процессора называются … производительностью процессора микроархитектурой процессора

архитектурой процессора

Организация структуры ЭВМ в виде функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске) называется … модульностью построения магистральностью

иерархией управления

Универсальность информационно-вычислительной сети означает …

обеспечение выполнения всех предусмотренных функций и по доступу ко всем ресурсам, и по совместной работе узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы количество данных, передаваемых через сеть за единицу времени

возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и
программного обеспечения от разных производителей

среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени

Батарея питания на материнской плате необходима … для генерации тактовых импульсов

для поддержки работы CMOS и RTC при отключении питания системного блока для стабилизации напряжения

для «прошивки» BIOSа

Вычислительные машины непрерывного действия, работающие с информацией, представленной в непрерывной форме, – это … вычислительные машины аналоговые гибридные цифровые

Для подключения устройств к интерфейсу RS-232C используется …

COM-порт

USB-порт

Game-порт

LPT-порт

Средства мультимедиа … относятся к диалоговым средствам не относятся к диалоговым средствам

(некоторые, но не все) относятся к диалоговым средствам

и диалоговые средства – это разные, совершенно несопоставимые группы технических средств

Понятия «адаптер» и «контроллер» …

имеют соподчиненное значение: контроллер – это адаптер, способный к самостоятельным
действиям после получения команд от обслуживающей его программы

являются синонимами

имеют соподчиненное значение: адаптер – это контроллер, способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы

Понятия «многомашинные вычислительные системы» и «информационно-вычислительные сети» … являются синонимами

имеют совершенно различное значение

являются соподчиненными: информационно-вычислительная сеть – это многомашинная
вычислительная система, в которой компьютеры связанны между собой через устройства
обмена информацией по каналам связи

Вычислительные машины дискретного действия, работающие с информацией, представленной в дискретной, цифровой форме, – это … вычислительные машины цифровые гибридные

аналоговые

Перезагрузка системного блока, в котором кнопки RESET и POWER совмещены, … происходит, если быстро нажать кнопку POWER два раза подряд не предусмотрена, возможно лишь полное выключение питания происходит, если слегка нажать кнопку POWER один раз происходит, если нажать кнопку POWER и удерживать ее в течение 30 сек.

Тактовая частота модулей памяти DDR DRAM приблизительно находится в диапазоне …

50–75 МГц

25–50 МГц 100 и более МГц

Асимметричная пропускная способность цифровых модемов означает, что … объем потока данных зависит от направления потоки данных в обоих направлениях одинаковы данные могут передаваться только в одном направлении

Регуляторы напряжения на материнской плате используются … для преобразования входного напряжения для обеспечения ровного потока напряжения в схеме для обеспечения сглаживания скачков напряжения

Основное назначение информационно-вычислительных сетей состоит …

в организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети в обеспечении сохранности и безопасности данных

в повышении производительности обработки данных

Система компьютеров, объединенных каналами передачи данных, – это … информационно-вычислительная система система распределенной обработки данных

информационно-вычислительная сеть

Вычислительные машины комбинированного действия, работающие с информацией, представленной и в дискретной, и в непрерывной форме, – это … вычислительные машины аналоговые гибридные

цифровые

Устройства сопряжения предназначены для подключения …

стандартных периферийных устройств системных устройств периферийных устройств узкой специализации

нестандартных периферийных устройств

Мощность блока питания измеряется в …

килограммах ваттах амперах

омах

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено …

только для считывания информации и ее сохранения после выключения питания машины

для считывания., записи и сохранения информации после выключения питания машины

для считывания и записи информации, и после выключения питания машины эта
информация пропадает

только для считывания информации, после выключения питания машины эта информация пропадает

Суперскалярный процессор имеет…

только три конвейер только два конвейера два и более конвейеров

только один конвейер

Основным назначением интерфейса Centronics является подключение … игровых устройств манипуляторов клавиатуры

принтеров

Объем одного современного модуля оперативной памяти для IBM-совместимых персональных компьютеров составляет… от 64 МБ до 128 МБ от 128 МБ до 256 МБ от 512 МБ до 4 ГБ

Вычислительные системы (ВС), в которых компоненты (компьютеры/процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя, называются … распределенными ВС

ВС с децентрализованным управлением ВС с централизованным управлением неоперативными ВС

16-разрядный процессор может одновременно обрабатывать … информации

4 бита

16 бит

8 бит 32 бита

В ячейке оперативной памяти содержится … информации байт бит слово двойное слово

Скорость считывания данных из ячейки оперативной памяти измеряется …

в герцах в ваттах в байтах

в секундах

Основным принципом построения ЭВМ является … программное управление открытость архитектуры иерархия управления

кодирование информации двоичными числами

Сеть, в которую входят пользователи одного района, города или региона, — это … вычислительная сеть всемирная глобальная локальная

региональная

В процессоре Pentium обработка инструкций осуществляется параллельно на двух пятиступенчатых конвейерах, а выполнение одной инструкции занимает …

4 такта

2 такта

1 такт 1/2 такта

Адресное пространство ЭВМ с 32-разрядной шиной адреса составляют … адресов

2,24

2,32

32,2

32,32

При прокладке кабеля внутри одного здания наиболее дешевыми являются локальные сети, использующие … коаксиальный кабель оптоволоконный кабель витую пару

При прокладке кабеля внутри одного здания наиболее высокую скорость передачи данных обеспечивают локальные сети, использующие… оптоволоконный кабель телефонный кабель коаксиальный кабель витую пару

Для подключения устройств к интерфейсу Centronics используется …

COM-порт

USB-порт

Game-порт

LPT-порт

Вычислительные системы (ВС), в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор, называются… ВС с децентрализованным управлением неоперативными ВС распределенными ВС

ВС с централизованным управлением

Вычислительные системы (ВС), компоненты которых могут располагаться на значительном расстоянии, называются

неоперативными ВС распределенными ВС

ВС с децентрализованным управлением

ВС с централизованным управлением

Цифровые модемы используют… пропускания телефонной линии низкочастотную часть полосы всю полосу

высокочастоную часть полосы

Источник

Может ли процессор изменять порядок инструкций в программе?

Читаю статью на хабре и тут напоролся на странные строки,
автор инженер из Mozilla(автор оригинала), проверял пишет то же самое на английском. О том что ->

Для того, чтобы использовать ресурсы системы эффективно, множество компиляторов и процессоры меняют порядок выполнения операций.

Насчет компиляторов поверю, но вот процессора ??? как ??? максимум «процессор» виртуальной машины, так как она может спарсить байт код перед выполнением и трансляцией его частей в инструкции процессора не лету. Но вот возможно ли такое, чтоб железо анализировало программу и решало: «ой давай-ка я за следующий такт исполню ту и вон ту инструкцию, так как часть схемы будет простаивать, если буду делать всё по порядку». (Для анализа надо сделать миллион инструкций!!!!) Или это реализовано как-то по другому ?

Вопрос задан

более трёх лет назад
354 просмотра

А там нет такого уж сложного анализа. Процессор преобразует каждую команду x86 в команду VLIW (Very Long Instruction Word — что делать каждому из блоков процессора), а затем пробует спрессовывать эти команды вместе. Насколько мне известно, первым на x86 такой механизм был предложен в процессоре Transmeta Crusoe, за пару лет до Intel.

А ещё подобное налаживание зависимостей позволяет процессору делать что-то сразу же, а не ждать данных из медленной памяти. А ещё — патчить ошибки процессора :). Не помню, запатчили так Meltdown или нет.

Подсистема памяти тоже может так работать — на x86 я не могу привести примеры, но представьте себе: одну строку кэша сбросило в память, а вторую держит.

Насчет компиляторов поверю, но вот процессора ??? как ???

Читать тут, лучше сразу английскую версию.

Может, если это заложено на уровне архитектуры.
В современных процессорах есть даже возможность парралельно выполнять условие и цепочки при да/нет, а потом когда условие выполнилось, взять готовый результат нужной цепочки.

В общем, современные процессоры имеют довольно сложную внутреннюю логику. И это одна из причин, почему компилятор может сгенерировать код лучше человека — те, кто пишут современные компиляторы, не только вычитывают последние спецификации процессоров, но зачастую общаются с инженерами в двухстороннем порядке.

Пригласить эксперта

Показать ещё
Загружается…

29 нояб. 2023, в 19:48

800 руб./в час

29 нояб. 2023, в 19:46

3000 руб./за проект

29 нояб. 2023, в 19:45

1500 руб./в час

Минуточку внимания

Источник

Скачать ZIP архив | Скачать RAR архив

Процессор, или более точно микропроцессор (микросхема, + кеш-память), таакже часто называемый CPU, является центральным компонентом компьютера. Это мозг который управляет всем происходящим внутри ПК. Управление осуществляется посредством выполнения находящегося в памяти программного кода. Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору.

Последовательность выполнения инструкций может быть нарушена под воздействием внутренних или внешних причин. К внутренним причинам относятся исключения, т.е. особые ситуации возникающие при выполнении инструкций. Внешними причинами являются аппаратные прерывания. Источниками аппаратных прерываний являются контроллеры и адаптеры периферийных устройств, системы управления питанием и другие подсистемы. Аппаратное прерывание представляет собой электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответтствующего устройства.

Прерывания используют и для переключения задач в многозадачных системах. По аппаратному прерыванию выполнение одного процесса приостанавливается, а его текущее состояние сохраняется в памяти. После этого запускается другой процесс. Через некоторое время по следующему прерыванию выполняется обратное переключение. При этом переключения задач выполняются с такой частотой, что у пользователя создается впечатление одновременности и непрерывности выполнения процессов.

Современные процессоры имеют встроенные средства многозадачности. В распоряжение каждой программы предоставляется виртуальная машина, в которой управление передается согласно программному коду, как будто она — единственный процесс.

—> Поддержка виртуальных машин, распределение ресурсов реального компьютера, повышение производительности определелии основные направления совершенствования процессоров.

В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор, последний превращается в микрокомпьютер. Микроконтроллер является специальным микрокомпьютером, для управления различными устройствами.

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний создает проводники.

Логическое устройство и организация системы команд процессора

В состав микропроцессора входят:
— устройство управления (УУ) — формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передет эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов;
— арифметико-логическое устройство (АЛУ) — предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
— микропроцессорная память (МПП) — служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины.
— регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины

АЛУ классифицируются следующим образом:
1 По способу действий над операндами
— АЛУ последовательного действия
— параллельного действия

2 По виду обрабатываемых чисел АЛУ могут производить операции над двоичными числами с фиксированной или плавающей запятой и над двоично-десятичными числами. В последнем случае каждая десятичная цифра записывается четырьмя разрядами двоичного кода:
например 1998 записывается так: 0001 1001 1001 1000
3 По организации действий над операндами
— блочные
— многофункциональные АЛУ

4 По структуре
— АЛУ с непосредственными связями
— многосвязные

Технические характеристики процессоров

Под архитектурой процессора понимается его программная модель, т.е. программно-видимые свойства. Все современные процессоры соответствуют архитектуре IA-64 (Intel Architecture 64bit) или немного архитектуры прошлого поколения IA-32 (Intel Architecture 32bit).

Под микроархитектурой процессора понимается внутренняя реализация этой программной модели. Именно микроархитектура определяет тип процессора. Также процессоры отличаются размерами слотов (socket), т.е. разъемами для креления процессора на материнской плате.

Тип процессора характеризуется следующими параметрами:
— производитель (Intel, AMD, IBM, VIA)
— технология производства (определяет размер наименьших деталей — транзисторов, например 40 нм)
— тактовая частота ядра (частота часов, определяющая скорость выполнения операций — количество тактов в секунду)
— тактовая частота системной шины (определяет максимально возможную скорость обмена данными между процессором и другими устройствами, главный образом оперативной памятью)
— разрядность (определяет максимальную длину одной единицы обрабатываемой информации в битах. первые процессоры были 8 разрядными, т.е. могли параллельно обрабатывать 8 битов информации. например 32 битные числа обрабатывались за несколько инструкций. современные 64 разрядные процессоры позволяют решить эту задачу в одну инструкцию. увеличивается адресуемая память и размер файлов)
— объем кеш-памяти первого и второго уровней (кеш-память обеспечивает промежуточное хранение данных между различными типами памяти. при обращении о оперативной памяти в кеш-память копируются запрошенные данные. при следующем запросе к памяти процессор сначала просматривает кеш-память и если нужных данных там не находит, обращается к оперативной памяти. кеш-память второго уровня является промежуточным хранилищем между оперативной памятью и кеш-памятью первого уровня, из которой данные поступают непосредственно в процессор. в современных моделях процессоров кеш-память первого и второго уровней работают с тактовой частотой ядра процессора)
— длина и количество конвейеров (механизм конвейеризации представляет собой способ распараллеливания выполнения последовательно расположенных инструкций. у устаревших процессоров выполнение одной инструкции занимало пять тактов: один для загрузки инструкции, один для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. раньше процессор мог обрабатывать только одну инструкцию одновременно. при конвейерной обработке каждый этап выполняется на своей ступени конвейера процессора. при выполнении инструкции продвигается по конвейеру по мере освобождения следующих ступеней. это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется и записывается результат для пятой. Таким образом, выполнение одной инструкции занимает один такт вместо пяти, что существенно влияет на производительность процессора). у современных проессоров конвейеры (гиперконвейерная архитектура) имеют бОльшее число ступеней (20 ступеней) у Pentium IV. Скалярным называют процессор с единственным конвейером. Суперскалярный процессор способен обрабатывать инструкции параллельно.
— слот (определяет тип корпуса микросхемы, в котором размещен процессор. важно чтобы тип слота процессора соответствовал слоту на материнке, иначе процессор просто не удастся установить из-за несовпадения разъемов)

Intel, Celeron 2600, Socket 478, 400 Мгц, 128 Кбайт (BOX)
Производитель: Intel
Торговое название процессора: Celeron
тактовая частота ядра: 2600 Мгц
тип слота микропроцессора: Socket 478
тактовая частота системной шины: 400 Мгц
объем кеш-памяти второго уровня: 128 Кбайт
вид упаковки: box (в коробке, вентилятор входит в комплект)

Источник

Батарея питания на материнской плате необходима …

для «прошивки» BIOSa
для генерации тактовых импульсов
для поддержки работы CMOS и RTC при отключении питания системного блока
для стабилизации напряжения

В процессоре Pentium обработка инструкций осуществляется параллельно на двух пятиступенчатых конвейерах а выполнение одной инструкции занимает …

4 такта
1/2 такта
2 такта
1 такт

В ячейке оперативной памяти содержится … информации

слово
двойное слово
бит
байт

Вычислительные машины дискретного действия, работающие с информацией, представленной в дискретной,цифровой форме, – это … вычислительные машины

цифровые
аналоговые
гибридные

Вычислительные машины комбинированного действия, работающие с информацией, представленной и в дискретной, и в непрерывной форме.. – это … вычислительные машины

цифровые
аналоговые
гибридные

Вычислительные машины непрерывного действия, работающие с информацией, представленной в непрерывной форме, – это … вычислительные машины

гибридные
цифровые
аналоговые

Вычислительные системы (ВС), в которых компоненты (компьютеры/процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя, называются …

неоперативными ВС
ВС с централизованным управлением
распределенными ВС
ВС с децентрализованным управлением

Вычислительные системы (ВС), допускающие режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой, называются …

неоперативными ВС
ВС с децентрализованным управлением
распределенными ВС
ВС с централизованным управлением

Вычислительные системы (ВС), компоненты которых могут распологаться на значительном расстоянии, называются

распределенными ВС
ВС с централизованным управлением
ВС с децентрализованным управлением
неоперативными ВС

Для подключения устройств к интерфейсу RS-232C используется …

LPT-порт
USB-порт
COM-порт
Game-порт

Количество приводов CD-R и накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) при установке в системный блок …

ограничено количеством соответствующих отсеков системного блока
ограничено количеством разъемов блока питания для подключения этих устройств
ограничено количеством соответствующих отсеков системного блока и количеством соответствующих разъемов блока питания
неограниченно

Компьютеры подключаются к локальной сети через …

цифровой модем
аналоговый модем
COM-порт
сетевой адаптер

Мощность блока питания измеряется …

в амперах
в ваттах
в килограммах
в омах

На большинство современных материнских плат устанавливаются слоты …

SIMM
RIMM
DIMM

Неверно, что … находиться внутри системного блока

накопители на дисках могут
микропроцессор может
блок питания может
контроллеры могут

Неверно, что … является устройством ввода информации

джойстик
клавиатура
сканер
монитор

Объем памяти, который занимает один символ ASCII, – …

один бит
один байт
одно слово

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено …

для считывания, записи и сохранения информации после выключения питания машины
только для считывания информации и ее сохранения после выключения питания машины
для считывания и записи информации, и после выключения питания машины эта информация пропадает
только для считывания информации, после выключения питания машины эта информация пропадает

Организация структуры ЭВМ в виде функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске) называется …

иерархией управления
магистральностью
модульностью построения

Основное назначение информационно-вычислительных сетей состоит …

организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным В этой сети
повышении производительности обработки данных
обеспечении сохранности и безопасности данных

Основным назначением интерфейса Centronics является подключение …

манипуляторов
игровых устройств
принтеров
клавиатуры

Основным принципом построения ЭВМ является …

кодирование информации двоичными числами
программное управление
открытость архитектуры
иерархия управления

Перезагрузка системного блока, в котором кнопки RESET и POWER совмещены,…

происходит, если слегка нажать кнопку POWER один раз
происходит, если быстро нажать кнопку POWER два раза подряд
не предусмотрена, возможно лишь полное выключение питания
происходит, если нажать кнопку POWER и удерживать ее в течение 30 сек.

Полнота функций, выполняемых информационно-вычислительной сетью, означает …

обеспечение выполнения всех предусмотренных функций и по доступу ко всем ресурсам, и по совместной работе
узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы
среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени
количество данных, передаваемых через сеть за единицу времени

Понятия «адаптер» и «контроллер» …

являются синонимами
имеют соподчиненное значение: адаптер – это контроллер., способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы
имеют соподчиненное значение: контроллер – это адаптер., способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы

Понятия «многомашинные вычислительные системы» и «информационно-вычислительные сети» …

имеют совершенно различное значение
являются соподчиненными: информационно-вычислительная сеть – это многомашинная вычислительная система, в которой компьютеры связанны между собой через устройства обмена информацией по каналам связи
являются синонимами