واحد پردازش مرکزی (CPU، CPU) چیست؟ واحد پردازش مرکزی چگونه کار می کند؟ معماری پردازنده چیست؟ معماری پردازنده های مدرن

انواع معماری پردازنده

در حین کار، پردازشگر داده هایی را که در رجیسترهای آن وجود دارد، پردازش می کند حافظه دسترسی تصادفیو بافرهای پردازنده خارجی مجموع وجود دارد 3 جریان اطلاعات،پردازش شده توسط پردازنده:

1. تیم ها
2. آدرس ها
3. داده هایی که باید پردازش شوند

مجموعه دستورات مختلفی که یک پردازنده می تواند روی داده ها اجرا کند، مجموعه دستورات پردازنده را تشکیل می دهد. هر چه مجموعه دستورات پردازنده بزرگتر باشد، معماری آن پیچیده تر است، رکورد دستورالعمل بر حسب بایت طولانی تر است، میانگین مدت اجرای دستورات پردازنده بیشتر می شود. پردازنده های اینتلدارای بیش از 1000 دستورالعمل و متعلق به پردازنده هایی با مجموعه دستورالعمل های توسعه یافته (CISC).

ظاهر معماری یک کامپیوتر سازگار با IBM PC توسط تعدادی ویژگی تعیین می شود که توانایی عملکرد را فراهم می کند. نرم افزارکه تجهیزات متصل را کنترل می کند. برنامه ها می توانند با دستگاه ها تعامل داشته باشند راه های مختلف:

• استفاده از تماس با توابع سیستم عامل (وقفه های DOS، Windows APIو غیره.)؛
• استفاده از فراخوانی تابع سیستم پایهورودی-خروجی (BIOS)؛
• تعامل مستقیم با "سخت افزار" شناخته شده برای آنها - پورت ها و حافظه دستگاه ها یا کنترل کننده های رابط.

این تنوع به دلیل باز بودن اولیه معماری اولین رایانه شخصی IBM و حفظ راه حل های موجود (البته گاهی اوقات نه بهترین) در مدل های بعدی و به دست آوردن گره های جدید وجود دارد.

ظاهر یک کامپیوتر سازگار با PC تا حد زیادی توسط توسعه دهندگان مایکروسافت و اینتل تعیین می شود. برای این شرکت ها به یک سنت تبدیل شده است که سندی حجیم را صادر کنند که به توسعه دهندگان سخت افزار الزامات لازم برای به دست آوردن لوگوی مورد نظر "طراحی شده برای مایکروسافت ویندوز" را دیکته می کند.

مشخصات، عملکرد و عملکرد مورد نیاز را برای همه زیرسیستم های رایانه، از جمله تجهیزات جانبی، تعریف می کند.

در حال حاضر تخصیص دهد انواع زیرمعماری پردازنده:

• RISC- امکان اجرای دستورات کمتر، اما با سرعت بالا، دستورات متشکل از دستورات ساده تر، کارآمدتر و با سرعت بالا اجرا می شوند. معایب: الگوریتم های پیچیده همیشه نمی توانند به دنباله ای از دستورات ساده تقسیم شوند.
• CISC- پردازنده ها جهانی هستند و می توانند در هر کدام استفاده شوند سیستم های کامپیوتری.
• MISCیک نوع معماری متوسط ​​است. دارای یک هسته ریزپردازنده داخلی است که بر اساس معماری RISC و یک هسته خارجی ساخته شده بر اساس ساختار CISC ساخته شده است.

لاستیک ماشین.

اسلات های توسعه برای نصب کارت ها طراحی شده اند برای اهداف مختلفدر حال گسترش عملکردکامپیوتر. اسلات ها گذرگاه های توسعه I/O استاندارد و همچنین رابط های میانی مانند AMR و CNR را نمایش می دهند. گذرگاه‌های توسعه استاندارد ورودی/خروجی مبنایی را برای توسعه‌پذیری عملکردی یک رایانه شخصی سازگار با رایانه شخصی فراهم می‌کنند که از بدو تولد به وظایف محاسباتی محض محدود نمی‌شود.

گذرگاه‌های توسعه اتصال در سطح سیستم هستند: به آداپتورها و کنترل‌کننده‌ها اجازه می‌دهند تا مستقیماً از آن استفاده کنند منابع سیستم PC - حافظه و فضاهای ورودی / خروجی، وقفه ها، کانال ها دسترسی مستقیمبه حافظه در نتیجه، سازندگان ماژول های توسعه باید پروتکل های گذرگاه، از جمله پارامترهای فرکانس صلب و بار، و همچنین نمودارهای زمان بندی را به دقت دنبال کنند. انحرافات منجر به ناسازگاری با برخی از مادربردها می شود. اگر هنگام اتصال به رابط های خارجی، این منجر به عدم کارکرد فقط خود دستگاه شود، اتصال نادرست به گذرگاه سیستم می تواند عملکرد کل رایانه را مسدود کند. منابع محدود رایانه شخصی نیز باید در نظر گرفته شود. کمیاب ترین آنها خطوط درخواست وقفه هستند، مشکل وقفه شناخته شده از گذرگاه ISA به طور اساسی با انتقال به PCI حل نشد. نقص دیگر - کانال های دسترسی مستقیم گذرگاه ISA که برای کنترل مستقیم گذرگاه نیز استفاده می شود - در گذرگاه PCI ناپدید شده است. فضای آدرس موجود درگاه های حافظه و ورودی/خروجی که برای مشترکین باس ISA محدود بود، در PCI به طور قابل توجهی گسترش یافته است. مشکلات تخصیص منابع در اتوبوس ها به روش های مختلفی حل می شود، اما فناوری PnP اغلب مورد استفاده قرار می گیرد.

در مدرن کامپیوترهای رومیزیگذرگاه اصلی توسعه PCI است، پورت AGP تقریبا در همه جا وجود دارد، گذرگاه ISA، علیرغم توصیه هایی که برای دور شدن از آن وجود دارد، به عنوان وسیله ای برای اتصال کارت های توسعه قدیمی باقی می ماند.

3 نوع لاستیک وجود دارد:

1. گذرگاه داده
2. اتوبوس آدرس
3. اتوبوس فرماندهی

گذرگاه داده- داده ها از RAM به ثبت پردازنده و بالعکس کپی می شوند. 64 بیت.

اتوبوس آدرس- داده هایی که منتقل می شوند به عنوان آدرس سلول های RAM در نظر گرفته می شوند. با استفاده از این گذرگاه، پردازنده آدرس دستورالعمل‌هایی را که باید اجرا شوند و همچنین داده‌هایی را که دستورالعمل‌ها روی آن‌ها عمل می‌کنند، می‌خواند. 32 بیتی.

اتوبوس فرماندهی(کنترل) - دستورالعمل هایی را که پردازنده اجرا می کند را ارائه می دهد. دستورات ساده در یک بایت، دستورات پیچیده تر در 2.3 بایت قرار می گیرند. 32 بیتی.

اتوبوس های روی مادربرد نه تنها برای برقراری ارتباط با پردازنده استفاده می شوند، بلکه سایر دستگاه های کامپیوتری نیز با استفاده از اتوبوس ها به هم متصل می شوند.

• هست یک- به شما این امکان را می دهد که همه دستگاه ها را به صورت a متصل کنید واحد سیستم، و همچنین از اتصال دستگاه های جدید از طریق اسلات های استاندارد اطمینان حاصل کنید. پهنای باند 5.5 مگابایت در ثانیه است. اکنون فقط برای اتصال استفاده می شود دستگاه های خارجی، که نیاز به پهنای باند زیاد (صدا، مودم) ندارند.
• EISA- گذرگاه 32 بیتی با عملکرد متوسط ​​که عمدتاً برای اتصال کنترل‌کننده‌ها و آداپتورهای دیسک استفاده می‌شود شبکه های محلیدر سرورها اکنون توسط گذرگاه PCI جایگزین شده است. قبلاً در پلتفرم های سروری که نیاز به نصب زیادی دارید استفاده می شد تخته های اضافیپسوندها کارت های ISA را می توان در اسلات EISA نصب کرد (اما نه برعکس). پهنای باند تا 32 مگابایت در ثانیه
• VLB– گذرگاه محلی که اتصالی بین پردازنده و رم است و گذرگاه اصلی را دور می زند. این لاستیک بیشتر از فرکانس بالاو به شما اجازه می دهد تا سرعت انتقال داده را افزایش دهید. این اتوبوس دارای یک رابط برای اتصال یک آداپتور ویدئویی لازم برای اتصال مانیتور به یک مجموعه کامپیوتری است. پهنای باند تا 130 مگابایت در ثانیه فرکانس ساعت کاری - 50 مگاهرتز. بستگی به نوع دستگاه های متصل به این اتوبوس دارد.
• PCI- استانداردی برای اتصال دستگاه های خارجی که برای پنتیوم معرفی شد. در هسته خود، این یک رابط است - اتوبوس های محلیبا اتصالات برای اتصال اجزای خارجی سیستم های محاسباتی. فرکانس ساعت تا 166 مگاهرتز است و بدون در نظر گرفتن تعداد دستگاه های متصل، اطلاعات را با سرعت 264 مگابایت در ثانیه انتقال می دهد. با معرفی این استاندارد، امکان اتصال فناوری "Plug & Play" فراهم شد: بعد ارتباط فیزیکیدستگاه ها به طور خودکار به عنوان بخشی از پیکربندی می شوند سیستم محاسباتی.
• FSB- اتوبوسی که برای اتصال پردازنده به رم کامپیوتر استفاده می شود، این گذرگاه در فرکانس 133 مگاهرتز و بالاتر کار می کند. پهنای باند تا 800 مگابیت بر ثانیه فرکانس باس FSB پارامتر اصلی است که در مشخصات نشان داده شده است مادربرد.
• AGP- یک رابط اتوبوس ویژه که برای اتصال یک آداپتور ویدئویی طراحی شده است. این رابط در دستگاه های محاسباتی مدرن ضروری است، زیرا پارامترهای گذرگاه PCI الزامات سرعت آداپتور ویدیو را برآورده نمی کند. پهنای باند 1066 مگابیت بر ثانیه برخلاف گذرگاه PCI، برای پورت AGP مشکلات سازگاری کارت های شتاب با نوع مادربرد (چیپست) و پردازنده وجود دارد، حتی اگر پارامترهای آنها به طور رسمی مطابقت داشته باشد.
• یو اس بی- استاندارد گذرگاه سریال جهانی که نحوه تعامل کامپیوتر با تجهیزات جانبی مدرن را تعریف می کند. این پورت امکان اتصال 256 را فراهم می کند دستگاه های مختلفبا رابط سریال، و دستگاه ها را می توان به صورت سری (زنجیری) متصل کرد. مزیت این استاندارد این است که دستگاه ثانویمی تواند متصل شود. در طول جلسه جاری بدون راه اندازی مجدد. این پورت به شما این امکان را می دهد که بدون استفاده از سخت افزار و نرم افزار خاصی کامپیوترها را به شبکه متصل کنید.

پیکربندی اتوبوس های توسعه عمدتاً شامل تنظیم پارامترهای زمان بندی آنها می شود:

• برای گذرگاه PCI، فرکانس همگام سازی تنظیم شده است، علاوه بر این، با تنظیم CMOS، برخی از حالت های ممکن آن را می توان برای این اتوبوس تعیین کرد - دسترسی های رقابتی، پالت های ردیابی.
• برای درگاه AGP، فرکانس، حالت های پشتیبانی شده و دیافراگم AGP تنظیم شده است.
• برای گذرگاه های ISA و PCI، گاهی اوقات تنظیمات CMOS Setup باید منابع سیستم را تخصیص دهد (عمدتاً خطوط درخواست وقفه).
• برای گذرگاه ISA، علاوه بر فرکانس (که باید حدود 8 مگاهرتز باشد)، زمان بازیابی را برای حافظه های 8 و 16 بیتی و دسترسی های ورودی/خروجی تنظیم کنید. عملکرد ناپایدار آداپتورها ممکن است نیاز به کاهش سرعت گذرگاه ISA داشته باشد، اما در حال حاضر، کاهش عملکرد آن تأثیر زیادی بر عملکرد رایانه به عنوان یک کل ندارد.

پردازنده چیست؟ در اینجا می توانید کمی اصطلاحات را بخوانید این مفهوم. ما به این خواهیم پرداخت که از چه چیزی تشکیل شده است، هسته پردازنده، گذرگاه سیستم، حافظه نهان پردازنده، چه سوکت هایی پردازنده دارد، و همچنین تولید کنندگان محبوب. و حالا بیایید به کار بپردازیم.

پردازنده (CPU یاCPU) دستگاه یا مداری است که دستورات (دستورالعمل) ماشین را اجرا می کند. است مهمترین جزءهر کامپیوتر و لپ تاپ هر کدام را انجام می دهد، هم منطقی و هم عملیات حسابی. همچنین تمام دستگاه های متصل به رایانه شخصی را مدیریت می کند.

بر این لحظهپردازنده ها یک مدار (ریزپردازنده) هستند و یک صفحه نازک کوچک مربعی شکل هستند. چنین طرحی حاوی عناصری است که عملکرد خود پردازنده و رایانه شخصی را به طور کلی فراهم می کند. چنین صفحه ای توسط یک مورد پلاستیکی یا سرامیکی محافظت می شود که توسط سیم های طلایی با نوک های فلزی متصل می شود. این طراحی به شما اجازه می دهد تا پردازنده را به مادربرد متصل کنید.

پردازنده از چه چیزی ساخته شده است؟

• ثبت می کند
• واحد منطق حسابی
• گذرگاه های داده و آدرس
• حافظه کش
• پردازنده کمکی ریاضی

کارشناسان حرفه های مختلف مفهوم کمی متفاوت از معماری پردازنده دارند. به عنوان مثال، برنامه نویسان فکر می کنند که معماری پردازنده زمانی است که یک پردازنده قادر به اجرای مجموعه ای از کدهای ماشین باشد. توسعه دهندگان اجزای کامپیوتر متفاوت فکر می کنند، یعنی معمار پردازنده برخی از ویژگی ها و کیفیت هایی را که در یک خانواده کامل از پردازنده ها ذاتی هستند (به عبارت دیگر، سازماندهی پردازنده ها یا طراحی داخلی آنها) منعکس می کند. به عنوان مثال، معماری مانند Intel Pentium وجود دارد که به عنوان P5 تعیین شده است. به عنوان مثال، Pentium IV به عنوان NetBurst شناخته می شود.

مدل معماری پردازنده پنتیوم 4

حتی اگر پردازنده ها معماری یکسانی داشته باشند، ممکن است تفاوت هایی با هم داشته باشند. اول از همه، این، البته، تفاوت در پردازنده ها است، که خود پردازنده را دارای برخی ویژگی ها می کند. البته، آنها می توانند هم از نظر اندازه کش و هم در فرکانس گذرگاه سیستم متفاوت باشند. در واقع، اصطلاح هسته پردازنده تعریف روشنی ندارد، اما می تواند به شما اجازه دهد تا ویژگی های هر مدلی را برجسته کنید.

اگر هسته را جایگزین کنید، به احتمال زیاد باید سوکت پردازنده را تغییر دهید، که مستلزم مشکلات خاصی است که با سازگاری مادربردها مرتبط است. البته، توسعه دهندگان به طور مداوم در حال کار بر روی بهبود هسته ها هستند. چنین نوآوری هایی را تجدید نظر در هسته ها می نامند، آنها به نوبه خود با مقادیر حروف و عدد نشان داده می شوند.

گذرگاه سیستم چیست؟

گذرگاه سیستم یا گذرگاه پردازنده (FSB) - مجموعه ای از خطوط سیگنال است که با هدف ترکیب شده اند. به زبان ساده، گذرگاه سیستم تمام اجزای کامپیوتر را به پردازنده متصل می‌کند، خواه این باشد. پردازنده فقط به گذرگاه سیستم متصل است، سایر دستگاه ها از طریق کنترلرهای ویژه متصل می شوند.

سوکت پردازنده چیست؟

دو نوع کانکتور (سوکت) وجود دارد - لانه سازیو شکاف دار. اگرچه این را می توان به عنوان یک سوکت در نظر گرفت، زیرا فقط برای نصب یک پردازنده ایجاد شده است. وجود سوکت تعویض پردازنده را بسیار تسهیل می کند. همچنین می تواند در حین تعمیر رایانه حذف شود. به هر حال، در صورت هر چیزی، این کانکتور روی آن قرار دارد. شرکت های اینتل و AMD انواع کانکتورهای مخصوص به خود را دارند که می توانید مشاهده کنید.

رجیستر پردازنده چیست؟

رجیستر در یک پردازنده بلوکی از سلول ها است که RAM فوق سریع را تشکیل می دهد. چنین حافظه ای فقط توسط پردازنده استفاده می شود.

حافظه نهان پردازنده چیست؟

پول نقد- این یک فناوری است که در تمام پردازنده های مدرن اجباری است، همچنین نامیده می شود حافظه سریع. فناوری کش یک بافر بین پردازنده و کنترلر است که حافظه کند است. بافر ذخیره ای از بلوک های داده است که در حال حاضر پردازش می شوند، بنابراین پردازنده نیازی به دسترسی به کنترلر ندارد. این ویژگی به خوبی عملکرد پردازنده را افزایش می دهد.

در حال حاضر، چندین سطح حافظه پنهان وجود دارد. L1 - حافظه نهان سطح اول، سریعترین است و مستقیماً با هسته کار می کند. بعدی می آید حافظه نهان سطح دوم - L2، که با L1 تعامل دارد. این کش بسیار بزرگتر از L1 است. گاهی اوقات نیز ممکن است رخ دهد حافظه نهان سطح سوم - L3. بسیار کند و حتی بزرگتر از L2 است، اما باز هم سریعتر از حافظه سیستم است.

همچنین حافظه نهان به دو دسته تقسیم می شود انحصاریو انحصاری نیست.

نوع اول شامل یک کش است که در آن داده ها به ترتیب دقیق به داده های اصلی تقسیم می شوند. کش غیر انحصاری، کشی است که داده های آن در تمام سطوح کش قابل تکرار است. مثلا، اینتل، از نوع غیر انحصاری و AMD - به ترتیب انحصاری استفاده می کند. سخت است بگوییم کدام یک بهتر است، هر دو مزایا و معایب خود را دارند.

معماری پردازنده- مجموعه ای از سخت افزارهای آن و ابزارهای نرم افزاریبه کاربر ارائه می شود. در آن مفهوم کلیشامل مجموعه ای از رجیسترهای قابل دسترسی نرم افزار و دستگاه های اجرایی (عملیاتی)، سیستم می باشد دستورات اساسیو روش های آدرس دهی، میزان و ساختار حافظه آدرس پذیر، انواع و روش های مدیریت وقفه. به عنوان مثال، تمام تغییرات پردازنده های پنتیوم, Celeron, i486 دارای معماری IA-32 (Intel Architecture - 32 bit) هستند که با مجموعه استانداردی از ثبات های ارائه شده به کاربر مشخص می شود. سیستم مشترکدستورات اولیه و راه های سازماندهی و آدرس دهی حافظه، همان اجرای حفاظت از حافظه و سرویس وقفه.

هنگام توصیف معماری و عملکرد پردازنده، نمایش آن معمولاً به عنوان مجموعه ای از ثبات های قابل دسترسی نرم افزار استفاده می شود که یک ثبات یا ثبات را تشکیل می دهند. مدل برنامه نویسی. این رجیسترها حاوی داده هایی هستند که باید پردازش شوند (عملگرها) و اطلاعات کنترلی. بر این اساس، مدل ثبات شامل گروهی از ثبات ها می شود همه منظوره، که برای ذخیره عملوندها، و گروهی از رجیسترهای سرویس که اجرای برنامه و حالت عملکرد پردازنده، سازماندهی دسترسی به حافظه (حفاظت از حافظه، سازماندهی بخش و صفحه و غیره) را کنترل می کنند.

رجیسترهای همه منظوره یک دستگاه ذخیره سازی ثبت (RZU) را تشکیل می دهند - حافظه ثبت داخلی پردازنده. ترکیب و تعداد رجیسترهای سرویس توسط معماری ریزپردازنده تعیین می شود. آنها معمولاً عبارتند از:

شمارنده برنامه کامپیوتر (CS + IP در معماری ریزپردازنده اینتل)؛

ثبت وضعیت SR (EFLAGS)؛

کنترل حالت پردازنده CR را ثبت می کند.

رجیسترهایی که بخش و سازمان صفحه حافظه را پیاده سازی می کنند.

ثبت هایی که برنامه های اشکال زدایی و آزمایش پردازنده را ارائه می دهند.

عملیات پردازنده به عنوان اجرای انتقال ثبت - رویه هایی برای تغییر وضعیت این ثبات ها با خواندن و نوشتن محتویات آنها نشان داده می شود. در نتیجه چنین انتقالاتی، آدرس دهی و انتخاب دستورات و عملوندها، ذخیره و انتقال نتایج، تغییر توالی دستورات و حالت های عملکرد پردازنده مطابق با ورود محتوای جدید به رجیسترهای سرویس، و همچنین کلیه رویه های دیگری که فرآیند پردازش اطلاعات را با توجه به شرایط مشخص اجرا می کنند، تضمین می شوند.

در تعدادی از پردازنده ها، رجیسترهایی تخصیص داده می شوند که در هنگام اجرا استفاده می شوند برنامه های کاربردیو در دسترس هر کاربر است، و رجیسترهایی که حالت عملکرد کل سیستم را کنترل می کنند و فقط برای برنامه های ممتازی که بخشی از سیستم عامل (ناظر) هستند در دسترس هستند. بر این اساس، چنین پردازنده‌هایی به‌عنوان یک مدل ثبت کاربر نشان داده می‌شوند، که شامل ثبات‌هایی است که هنگام اجرای برنامه‌های کاربردی استفاده می‌شوند، یا یک مدل ثبت سرپرست، که شامل کل مجموعه‌ای از ثبات‌های پردازشگر قابل دسترسی نرم‌افزار است که توسط سیستم عامل.

علاوه بر مجموعه دستورات اجرایی و روش‌های آدرس‌دهی، یکی از ویژگی‌های مهم معماری ریزپردازنده‌ها، پیاده‌سازی حافظه مورد استفاده و سازماندهی فرمان و واکشی داده‌ها است. با توجه به این ویژگی ها، پردازنده هایی با معماری پرینستون و هاروارد متمایز می شوند.

معماری پرینستون، که اغلب به عنوان معماری فون نویمان شناخته می شود، با استفاده از RAM مشترک برای ذخیره سازی برنامه، ذخیره سازی داده ها و سازماندهی پشته مشخص می شود. برای دسترسی به این حافظه از یک گذرگاه سیستمی مشترک استفاده می شود که هم دستورات و هم داده ها از طریق آن وارد پردازنده می شوند. این معماری دارای چندین مزیت مهم است. دسترسی حافظه مشترکبه شما این امکان را می دهد تا به سرعت حجم آن را برای ذخیره آرایه های مجزا از دستورات، داده ها و اجرای پشته، بسته به وظایفی که حل می شود، توزیع کنید. بنابراین، استفاده کارآمدتر از مقدار RAM موجود در هر مورد خاص از ریزپردازنده امکان پذیر است. استفاده از یک گذرگاه مشترک برای انتقال دستورات و داده ها، اشکال زدایی، تست و نظارت بر عملکرد سیستم را بسیار ساده می کند و قابلیت اطمینان آن را افزایش می دهد. بنابراین، معماری پرینستون برای مدت طولانی بر جهان تسلط داشت. علوم کامپیوتر.

نقطه ضعف اصلی معماری پرینستون نیاز به واکشی متوالی دستورالعمل ها و داده های پردازش شده روی یک گذرگاه سیستم مشترک است. در این حالت، اتوبوس مشترک به گلوگاهی تبدیل می شود که عملکرد را محدود می کند سیستم دیجیتال. تقاضاهای روزافزون در مورد عملکرد سیستم های ریزپردازنده در سال های اخیر باعث استفاده گسترده تر از معماری هاروارد در ایجاد بسیاری از انواع ریزپردازنده های مدرن شده است.

معماری هاروارد با جداسازی فیزیکی حافظه دستورالعمل (برنامه ها) و حافظه داده مشخص می شود. نسخه اصلی آن همچنین از یک پشته جداگانه برای ذخیره محتویات شمارنده برنامه استفاده می کرد که امکان اجرای زیر روال های تو در تو را فراهم می کرد. هر حافظه توسط یک گذرگاه جداگانه به پردازنده متصل می شود که امکان واکشی و رمزگشایی دستور بعدی را به طور همزمان با خواندن و نوشتن داده ها در طول اجرای دستور فعلی امکان پذیر می کند. به لطف این جداسازی جریان های فرمان و داده و ترکیبی از عملیات واکشی آنها، بیشتر عملکرد بالانسبت به زمانی که از معماری پرینستون استفاده می کنید.

کاستی های معماری هاروارد مربوط به نیاز است بیشتراتوبوس ها، و همچنین با مقدار ثابتی از حافظه اختصاص داده شده برای دستورات و داده ها، که هدف آنها را نمی توان به سرعت مطابق با الزامات کار در حال حل، توزیع کرد. بنابراین، لازم است از یک حافظه بزرگتر استفاده شود که ضریب استفاده از آن در حل مسائل مختلف کمتر از سیستم هایی با معماری پرینستون است. با این حال، توسعه فناوری میکروالکترونیک امکان غلبه بر این کاستی ها را تا حد زیادی فراهم کرده است، بنابراین معماری هاروارد به طور گسترده در ساختار داخلی ریزپردازنده های مدرن با کارایی بالا استفاده می شود که از یک حافظه پنهان جداگانه برای ذخیره دستورالعمل ها و داده ها استفاده می کنند. همزمان در ساختار خارجیاکثر سیستم های ریزپردازنده اصول معماری پرینستون را اجرا می کنند.

معماری هاروارد همچنین به طور گسترده در میکروکنترلرها - ریزپردازنده های تخصصی برای کنترل اشیاء مختلف استفاده شده است. برنامه کاریکه معمولا در یک رام جداگانه ذخیره می شود.

دانشگاه فنی مولداوی

چکیده در مورد برنامه ریزی

موضوع: معماری حافظه و پردازنده

دانشکده CIM

گروه C - 092

آماده شده خواهش می کنم ولادیمیر.

کیشیناو 1999

طرح:

معرفی.

1) گذشته نگر تاریخی

2) توسعه معماری

3) فرایند تولید.

4) سازگاری نرم افزار.

5) مروری بر پردازنده ها

تحولات آینده اینتل.

پردازنده، یا به طور کامل تر، ریزپردازنده، همچنین اغلب به عنوان واحد پردازش مرکزی (CPU) شناخته می شود، جزء مرکزی یک کامپیوتر است. این ذهن است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم هر چیزی را که در داخل کامپیوتر اتفاق می افتد کنترل می کند.

هنگامی که فون نویمان برای اولین بار پیشنهاد ذخیره سازی یک سری دستورالعمل ها، به اصطلاح برنامه ها، در حافظه مشابه داده ها را داد، این یک ایده واقعاً نوآورانه بود. در سال 1945 در اولین پیش نویس گزارش در مورد EDVAC منتشر شد. این گزارش یک کامپیوتر را دارای چهار بخش اصلی توصیف می‌کند: واحد حساب مرکزی، واحد کنترل مرکزی، حافظه و امکانات ورودی/خروجی.

امروزه با گذشت بیش از نیم قرن، تقریباً تمامی پردازنده ها دارای معماری فون نویمان هستند.

گذشته نگر تاریخی

همانطور که می دانید همه پردازنده ها کامپیوترهای شخصیبر اساس طرح اصلیاینتل. اولین پردازنده ای که در رایانه شخصی استفاده شد تراشه 8088 اینتل بود. زمان اینتلقبلا بیش از پردازنده قدرتمند 8086. 8088 به دلایل اقتصادی انتخاب شد: گذرگاه داده 8 بیتی آن اجازه می داد مادربردهای ارزان تری نسبت به 16 بیتی 8086 داشته باشند. همچنین در طول طراحی رایانه های شخصی اولیه، اکثر تراشه های رابط موجود از طراحی 8 بیتی استفاده می کردند. آن پردازنده های اولیه حتی به اندازه کافی برای اجرای برنامه های امروزی قدرتمند نیستند.

جدول زیر گروه های اصلی پردازنده های اینتل را از نسل اول 8088/86 تا نسل ششم پنتیوم پرو و ​​پنتیوم II نشان می دهد:

نسل سوم پردازنده های مبتنی بر Intel 80386SX و 80386DX اولین پردازنده های 32 بیتی مورد استفاده در رایانه های شخصی بودند. تفاوت اصلی بین این دو این بود که 386SX تنها 32 بیتی داخلی بود، زیرا از طریق یک گذرگاه 16 بیتی با دنیای خارج ارتباط برقرار می کرد. این بدان معناست که داده‌های بین پردازنده و بقیه رایانه با نصف سرعت 486DX حرکت می‌کنند.

نسل چهارم پردازنده ها نیز 32 بیتی بود. با این حال، همه آنها تعدادی پیشرفت را ارائه کردند. ابتدا کل طراحی نسل 486 به طور کامل بازنگری شد که خود سرعت را دو برابر کرد. ثانیا، همه آنها 8 کیلوبایت کش داخلی داشتند، درست در کنار منطق پردازنده. این ذخیره سازی انتقال داده ها از حافظه اصلی به این معنی است که متوسط ​​تأخیر پردازشگر درخواست حافظه در مادربرد به 4٪ کاهش می یابد، زیرا، به عنوان یک قاعده، اطلاعات لازمدر حال حاضر در حافظه پنهان

تفاوت مدل 486DX با 486SX فقط در پردازشگر ریاضی عرضه شده داخلی بود. این پردازنده مجزا برای انجام عملیات بر روی اعداد ممیز شناور طراحی شده است. در کاربردهای روزمره کم استفاده می شود، اما عملکرد جداول عددی را به شدت تغییر می دهد. تحلیل آماری، سیستم های طراحی و غیره.

یک نوآوری مهم، دو برابر شدن فرکانس معرفی شده در 486DX2 بود. این به این معنی است که در داخل پردازنده با سرعت دو برابر نسبت به الکترونیک خارجی کار می کند. داده ها بین پردازنده، حافظه نهان داخلی و پردازنده مشترک با سرعت دو برابر منتقل می شوند و در نتیجه افزایش عملکرد قابل مقایسه ای ایجاد می شود. 486DX4 این فناوری را فراتر برد و فرکانس را سه برابر کرد و به 75 یا 100 مگاهرتز داخلی رساند و همچنین کش اولیه را دو برابر کرد و به 16 کیلوبایت رساند.

پنتیوم که نسل پنجم پردازنده‌ها را تعریف می‌کند، از طریق چندین تغییر معماری، از جمله دوبرابر کردن عرض گذرگاه به 64 بیت، بسیار بهتر از تراشه‌های 486 قبلی خود عمل کرد. P55C MMX بهبودهای قابل توجه دیگری را انجام داد، اندازه حافظه پنهان اولیه را دو برابر کرد و مجموعه دستورالعمل را با عملیات بهینه سازی شده برای برنامه های چند رسانه ای گسترش داد.

پنتیوم پرو که در سال 1995 به عنوان جانشین پنتیوم معرفی شد، اولین پردازنده در نسل ششم بود و چندین ویژگی معماری را معرفی کرد که قبلاً در دنیای رایانه های شخصی دیده نشده بود. پنتیوم پرو اولین پردازنده اصلی بود که روش اجرای دستورالعمل‌ها را با ترجمه آن‌ها به ریزدستورالعمل‌های RISC مانند و اجرای آن‌ها در یک هسته داخلی بسیار پیشرفته، به شدت تغییر داد. همچنین به دلیل داشتن حافظه نهان ثانویه بسیار سریعتر از تمام پردازنده های قبلی قابل توجه است. به جای استفاده از حافظه نهان مبتنی بر مادربرد که با سرعت گذرگاه حافظه اجرا می شود، از یک کش L2 یکپارچه در گذرگاه خود که در حال اجرا در فرکانس کاملپردازنده، معمولاً سه برابر سریعتر از حافظه نهان در سیستم های پنتیوم است.

تراشه جدید بعدی بعد از Pentium Pro Intel تقریبا یک سال و نیم بعد معرفی شد - Pentium II ظاهر شد که یک گام تکاملی بسیار بزرگ را از Pentium Pro ارائه کرد. این گمانه زنی را برانگیخت که یکی از اهداف اصلی اینتل با پنتیوم II جلوگیری از دشواری ساخت کش گران قیمت یکپارچه L2 در پنتیوم پرو است. از نظر معماری، پنتیوم II تفاوت چندانی با پنتیوم پرو ندارد، با هسته شبیه سازی x86 و اکثر ویژگی های مشابه.

Pentium II معماری Pentium Pro را با دو برابر کردن اندازه حافظه پنهان اولیه به 32 کیلوبایت، با استفاده از یک کش مخصوص برای افزایش کارایی پردازش 16 بیتی بهبود بخشید (Pentium Pro برای برنامه های کاربردی 32 بیتی بهینه شده است و کدهای 16 بیتی را به عنوان مدیریت نمی کند. خوب) و افزایش رکوردهای اندازه بافر. با این حال، موضوع اصلی گفتگو در مورد Pentium II جدید، چیدمان آن بود. کش ثانویه ادغام شده در پنتیوم پرو که با فرکانس کامل پردازنده اجرا می شود، در پنتیوم II با یک مدار کوچک حاوی پردازنده و 512 کیلوبایت کش ثانویه جایگزین شد که با نصف فرکانس پردازنده اجرا می شود. آنها در کنار هم در یک کارتریج یک طرفه ویژه (کارتریج تک لبه - SEC) محصور شده اند که برای قرار دادن در یک اتصال دهنده 242 پین (سوکت 8) در سبک جدید طراحی شده است. مادربردهاپنتیوم II.

ساختار اصلی

اجزای عملکردی اصلی پردازنده

• هسته: قلب پردازنده مدرن ماژول اجرایی است. پنتیوم دارای دو جریان عدد صحیح موازی است که به شما امکان می دهد همزمان دو دستورالعمل را بخوانید، تفسیر کنید، اجرا کنید و ارسال کنید.
• پیش‌بینی‌کننده شاخه: پیش‌بینی‌کننده شاخه سعی می‌کند هر بار که برنامه حاوی یک شاخه شرطی باشد، حدس بزند که کدام دنباله اجرا می‌شود تا دستگاه‌های پیش واکشی و رمزگشایی دستورالعمل‌ها را از قبل آماده کنند.
• بلوک ممیز شناور سومین ماژول اجرایی در پنتیوم که محاسبات غیر صحیح را انجام می دهد
• حافظه پنهان اولیه: پنتیوم دارای دو کش 8 کیلوبایتی روی تراشه است که هر کدام یکی برای داده ها و دستورالعمل ها است که بسیار سریعتر از کش ثانویه خارجی بزرگتر هستند.
• رابط اتوبوس: ترکیبی از کد و داده را به CPU می‌برد، آن‌ها را تا زمانی که آماده استفاده می‌شوند جدا می‌کند، و دوباره به هم متصل می‌کند و به بیرون ارسال می‌کند.

تمام عناصر پردازنده با استفاده از فرکانس ساعت، که سرعت عملیات را تعیین می کند، هماهنگ می شوند. اولین پردازنده ها در فرکانس 100 کیلوهرتز کار می کردند، امروزه فرکانس معمولی پردازنده 200 مگاهرتز است، به عبارت دیگر ساعت 200 میلیون بار در ثانیه تیک می زند و هر تیک انجام اعمال بسیاری را به دنبال دارد. شمارنده برنامه (PC) یک اشاره گر داخلی است که حاوی آدرس دستور بعدی است که باید اجرا شود. هنگامی که زمان اجرای آن فرا می رسد، واحد کنترل دستورالعمل را از حافظه در ثبت دستورالعمل (IR) قرار می دهد. در همان زمان، برنامه شمارش برای اشاره به دستور بعدی افزایش می یابد و پردازنده در حال اجرای دستورالعمل در IR است. برخی از دستورالعمل‌ها خود واحد کنترل را کنترل می‌کنند، بنابراین اگر دستورالعملی می‌گوید "پرش به آدرس 2749"، مقدار 2749 در شمارنده برنامه نوشته می‌شود تا پردازنده در مرحله بعد آن دستورالعمل را اجرا کند.

مقالات و لایف هک ها

برای بسیاری از کاربران، دانستن تعداد هسته های یک چیپ ست بیش از حد کافی است.

و برای کسانی که به جزئیات علاقه مند هستند، به شما خواهیم گفت که مفهوم "معماری پردازنده" چیست و در یک گوشی هوشمند یا تبلت چگونه است.

هنگام انتخاب یک ابزار، چنین اطلاعاتی به سختی مفید است، اما به ارزیابی حداقل به عنوان اولین تقریب، SoC استفاده شده در آن کمک می کند.

تعریف رسمی

به عنوان یک قاعده، با مجموعه دستورات، به طور دقیق تر، تعداد و پیچیدگی آنها، طبقه بندی معماری ها انجام می شود.

تا به امروز، در دستگاه های تلفن همراهپردازنده ها استفاده می شود دو معماری اصلی:

اولین مورد از اینها، ARM، متعلق به نوع به اصطلاح RISC (رایانه مجموعه دستورالعمل کاهش یافته) است که با افزایش عملکرد به دلیل ساده شدن دستورالعمل ها مشخص می شود.

علاوه بر این، تأثیر بسیار مفیدی در بهره وری انرژی دارد.

به همین دلیل است که اکثریت قریب به اتفاق دستگاه های تلفن همراه از چیپست های مبتنی بر معماری ARM استفاده می کنند.

این معماری بیشتر برای پردازنده‌های رایانه‌های شخصی و لپ‌تاپ‌ها شناخته شده بود، اما موارد بیشتری نیز وجود دارد مدل های مدرن CISC با هسته RISC سازگار است. x86 در شکل خالص خود در SoC های موبایل اتم اینتل حفظ شده است.

چه کسی پردازنده هایی را بر اساس معماری ARM ایجاد می کند

این شرکت امکانات تولید میکروالکترونیک خود را ندارد، اما هسته‌های پردازنده Cortex که توسعه داده است توسط دیگران استفاده می‌شود.

در اینجا تنها تعدادی از شرکت هایی که از مجوزها برای توسعه آن استفاده کنید:

• کوالکام؛
• مدیاتک؛
• انویدیا؛
• اینتل؛
• نینتندو؛

چیپست های موبایل از انواع مختلفی از هسته های Cortex-Ax استفاده می کنند، در جایی که عملکرد هسته بالاتر است، مقدار x بزرگتر است.

با این حال، ARM Limited به پردازنده های گوشی های هوشمند محدود نمی شود، بنابراین هسته های توسعه آن بر اساس معماری ARM را می توان به عنوان مثال در روترها یا چاپگرها یافت. در آنجا علامت گذاری متفاوتی دارند - Mx یا Rx.

هسته ها به طور مداوم به روز می شوند، هسته های جدید ظاهر می شوند و استفاده از هسته های قدیمی در مدل های جدید چیپست متوقف می شود. در زمان نوشتن مربوط بودند:

• Cortex-A15.
• Cortex-A17.
• Cortex-A53.
• Cortex-A57.
• Cortex-A72.

و بنابراین، به منظور کاهش "پرخوری" چیپست به عنوان یک کل، ARM Limited پیشنهاد کرد تکنولوژی جدید big.LITTLE که ذاتش در نامش کدگذاری شده است.

SoC از دو هسته استفاده می کند انواع متفاوت: بالا و مقرون به صرفه در حالت آماده به کار، زمانی که به کارایی بالا نیاز نیست، هسته های صرفه جویی در انرژی خوب هستند، و اگر یک برنامه کاربردی با منابع فشرده شروع به کار کرد، آنگاه هسته های سازنده تری متصل می شوند.

اما x86 چطور؟

مشکل اصلی هنگام استفاده از این معماری در دستگاه های تلفن همراه سازگاری نرم افزار است.

با این حال، تلفن های هوشمند مبتنی بر این خانواده SoC به طور دوره ای ظاهر می شوند و حتی از اندروید، به عنوان مثال، تعدادی از مدل ها استفاده می کنند ASUS ZenFone 5، در سال 2014 معرفی شد.