В какой памяти компьютера хранятся результаты вычислений

Обновлено: 04.07.2024

Теперь вы увидите, как ЦП может выполнять вычисления, используя процесс, известный как цикл выборки-декодирования-выполнения. Здесь у вас есть представление о процессоре и оперативной памяти. Также показаны регистры, в которых можно временно хранить данные.

Поделиться этой публикацией

Теперь вы увидите, как ЦП может выполнять вычисления, используя процесс, известный как цикл выборки-декодирования-выполнения.

Здесь у вас есть представление ЦП и ОЗУ. Также показаны регистры, в которых можно временно хранить данные.

Получить

Счетчик программ (ПК) начинается с 0000. Это означает, что первый адрес в ОЗУ, по которому компьютер будет искать инструкцию, равен 0000.

Хотите продолжать
учиться?

Как работают компьютеры: Демистификация вычислений

Компьютеру нужно где-то хранить текущий адрес в ОЗУ, который он ищет. Для этого предназначен регистр адреса памяти (MAR). Поэтому адрес 0000 копируется в MAR.

Теперь сигнал отправляется по адресной шине в ОЗУ. Блок управления посылает сигнал чтения памяти, и содержимое адреса 0000 копируется через шину данных в регистр данных памяти (MDR).

Поскольку данные, полученные на этапе выборки, являются инструкцией, они копируются в регистр инструкций (IR).

Поскольку первая инструкция была выбрана, система находится в конце этапа выборки цикла. Счетчик программ можно увеличить на 1, чтобы система была готова прочитать следующую инструкцию, когда начнется следующий цикл выборки.

Расшифровать

Теперь инструкцию нужно расшифровать. Он отправляется по шине данных в блок управления, где разделяется на две части. Первая часть — это код операции или код операции, который в данном примере ЦП представляет собой первые четыре бита. Это команда, которую будет выполнять компьютер. Вторая часть, в данном случае вторые четыре бита, является операндом. Это адрес в ОЗУ, по которому данные будут считываться или записываться в зависимости от операции.

Блок управления может преобразовывать коды операций в инструкции. Итак, здесь блок управления переводит код операции 0101 в инструкцию ЗАГРУЗИТЬ ИЗ ОЗУ.

Выполнить

Теперь команда будет выполнена. Операнд копируется в MAR, так как он содержит адрес загружаемых данных (в данном случае 0100).

Данные по адресу 0100 затем извлекаются из ОЗУ и передаются по шине данных в видеорегистратор. Поскольку это не инструкция, а просто данные, они затем передаются в аккумулятор (Acc).

Это полный цикл извлечения-декодирования-исполнения.

Второй цикл выборки, декодирования и выполнения

Теперь вы выполните оставшиеся два цикла программы. ПК теперь содержит 0001, поэтому вы получаете, декодируете и выполняете инструкцию по этому адресу.

  1. Компьютер находится на 0001, так что это следующая инструкция, которую нужно получить.
  2. Код инструкции и операнд адреса помещаются в IR, а PC снова увеличивается на 1.
  3. Инструкция декодируется, а адрес данных, над которыми нужно действовать, помещается в MAR. Инструкция оказывается ADD, которая складывает две части данных вместе.
  4. Новые данные извлекаются из адреса и в итоге попадают в аккумулятор вместе с результатами предыдущего цикла.
  5. Чтобы завершить этот этап, два значения в накопителе передаются в АЛУ, где их можно сложить вместе, как указано в коде операции.
  6. Затем результат помещается обратно в аккумулятор.

Второй цикл завершен.

Третий цикл выборки, декодирования и выполнения

Последний цикл предназначен для инструкции с номером 0010. Он использует код операции 0011, то есть STORE, и операнд 0110, который является последним показанным адресом в ОЗУ.

Таким образом, этот цикл берет результаты сложения в аккумулятор и сохраняет их обратно в ОЗУ по адресу 0110, как и было запрошено.

Напомним, что наша программа использовала три инструкции для сложения двух чисел и сохранения результата в памяти:

  1. Первая инструкция загрузила часть данных с указанного адреса.
  2. Второй ДОБАВИЛ это к данным, найденным по другому адресу.
  3. Последняя инструкция сохраняет результат сложения обратно по указанному адресу в памяти.

Чтобы понять цикл извлечения-декодирования-выполнения, необходимо изучить много информации. Многих это сбивает с толку, когда они следуют ему в первый раз. Возможно, вам будет полезно выполнить это задание во второй раз.

Мы установили, что ЦП — это сложная аппаратная часть, которая выполняет все виды задач. Он обрабатывает все данные, которые входят и выходят из вашего компьютера. Но где ЦП хранит свои вычисления?

ЦП использует так называемые «регистры» для хранения вычислений. Он служит формой временной памяти для ЦП.Это очень быстро, но также крошечный. Существует множество различных регистров, таких как регистры данных, содержащие числовые данные, регистры состояния, содержащие значения истинности, и адресные регистры, в которых хранятся адреса. Это лишь несколько примеров. У разных регистров разные задачи и разные данные.

Где ЦП сохраняет свои вычисления после регистра? В кэше и системной оперативной памяти. Вы можете быть сбиты с толку тем, в чем разница между кешем ЦП и регистром. Вы можете думать о регистре как о чем-то, что предшествует кешу. Есть несколько отличий. Во-первых, регистры намного быстрее и используются только для хранения и извлечения определенных данных. Во-вторых, регистры можно использовать более одного раза в течение одного тактового цикла.

Если вы хотите узнать больше о регистрах и различиях между ними и кешем, вы найдете всю необходимую информацию ниже.

Где ЦП хранит свои вычисления?

Теперь, когда мы установили, что ЦП сначала хранит свои вычисления в регистрах, а затем кэширует, пришло время более подробно остановиться на этом. ЦП чаще всего имеет 8 регистров общего назначения. Регистр пропорционален архитектуре процессора. Если у вас 64-битный процессор, то ваши регистры тоже 64-битные. Существуют также полурегистры, которые используются для более коротких инструкций.

Итак, как работают все эти регистры процессора? Давайте посмотрим, например, на индексные регистры. Индексные регистры (адресные регистры, регистры модификации) являются наиболее используемым типом. Адрес чего-либо внутри компьютера всегда включает базовый, индексный и другие относительные адреса. все они хранятся в адресном регистре.

  • кэш инструкций
  • кэш данных
  • резервный буфер перевода

Кэш данных — это то, чем хвастаются производители процессоров. Кэш данных можно дополнительно разделить на уровни (L1, L2, L3 на большинстве современных процессоров). Разница между уровнями заключается в скорости и размере. В то время как L1 — самый быстрый и самый маленький, L3 — самый медленный и самый большой. Это временное хранилище, которое ЦП использует для ввода и выборки данных, которые могут понадобиться ему снова. Вы можете думать о кеше как о сверхбыстрой памяти, которая находится рядом с чипом ЦП. С другой стороны, регистр можно рассматривать как уровень кэша «L0».

Регистр значительно меньше и быстрее, даже по сравнению с кешем L1. Регистры данных могут хранить только некоторые вычисления и частичные результаты. Например, при умножении в регистре сохраняются промежуточные результаты и вычисления, в то время как процессор выполняет вычисления до тех пор, пока не будет получен окончательный результат умножения.

И регистры, и кеш — очень важные части, которые нельзя игнорировать. Без одного из них процессоры были бы чрезвычайно медленными и неэффективными. Если бы ЦП не имел кеша, ему пришлось бы извлекать данные из ОЗУ и терять драгоценные наносекунды.

Заключение

Итак, в следующий раз, когда кто-то спросит вас: «Где ЦП хранит свои вычисления?», вы будете знать, что ответ — в регистре ЦП. Вы не ошибетесь, если скажете, что это кеш, так как он тоже играет решающую роль. ЦП нужны регистры для хранения и очень быстрой выборки небольших объемов данных. Кроме того, ему необходимы все уровни кэш-памяти, в которых может храниться значительно больше данных, чем в регистрах.

Разница между ними заключается в том, что регистры быстрее и ближе к реальному чипу. Сходство заключается в том, что они оба значительно быстрее и ближе к ЦП, чем системная память (ОЗУ). Кроме того, оба они находятся во всей микросхеме ЦП.

Пока в памяти хранятся программа и данные, всю работу выполняет центральный процессор, который состоит из двух частей — регистров и арифметико-логического устройства (АЛУ). Регистр подобен временной памяти в компьютере — каждый регистр может хранить значение, которое можно использовать в последующих вычислениях. ">,

ЦП считывает данные или инструкции в хранилище, вычисляет их и записывает результаты в основную память. Основная память называется оперативной памятью.

    ЦП сохраняет данные в регистрах перед выполнением вычислений.
      ЦП — это мозг компьютера, и он содержит все технологии, необходимые для обработки ввода, хранения информации и успешного выполнения.
        ЦП считывает данные или инструкции в хранилище, вычисляет их и записывает результаты в основную память. Первичная память называется оперативной памятью. RAM означает оперативную память.
          Центральный процессор всегда выполняет инструкции компьютерной программы, которые сообщают ему, какие данные обрабатывать и как. ">]" data-testid="answer_box_list">

        Пока в памяти хранятся программа и данные, всю работу выполняет центральный процессор, который состоит из двух частей — регистров и арифметико-логического устройства (АЛУ). Регистр похож на временную память компьютера: в каждом регистре может храниться значение, которое можно использовать в последующих вычислениях.

        ЦП считывает данные или инструкции в хранилище, вычисляет их и записывает результаты в основную память. Основная память называется оперативной памятью.

        ЦП сохраняет свои вычисления:

        • ЦП сохраняет данные в регистрах перед выполнением вычислений.
        • ЦП – это мозг компьютера, в котором реализованы все технологии, необходимые для обработки входных данных, хранения информации и успешного выполнения.
        • ЦП считывает данные или инструкции в хранилище, вычисляет их и записывает результаты в основную память. Первичная память называется RAM.RAM означает оперативную память.
        • ЦП всегда выполняет инструкции компьютерной программы, которые сообщают ему, какие данные обрабатывать и как.

        Новые вопросы информатики

        ____________ сигнала — это его абсолютное значение максимальной интенсивности, пропорциональное энергии, которую он несет: а) частота; б) пропускная способность; в) задержка; г…) пиковая амплитуда.

        С. Напишите (T) для верных утверждений и (F) для ложных утверждений. 1. В строке состояния отображается информация о выполняемой выбранной команде. ​

        а C. Напишите (T) для верных утверждений и (F) для ложных утверждений. 1. В строке состояния отображается информация о выполняемой выбранной команде. 2. … имя рабочей книги по умолчанию — Workbooki/ 3. Рабочий лист — это область, в которой вы можете выполнять всю работу в Excel. T 4. Ячейка представляет собой прямоугольную рамку, образованную на пересечении строки и столбца. T 5. Адрес ячейки нельзя использовать в формуле. рр​

        когда компьютер начинает отображать раздражающие сообщения и автоматически перезагружается без предупреждения, а документы таинственным образом исчезают, что может быть причиной и как решить проблему​

        Создайте внутреннюю базу данных, чтобы облегчить работу официального веб-сайта компании по аренде автомобилей, который позволит путешественникам арендовать автомобиль. 1. Содержание … вашей базы данных [5 баллов] a. Понимание проблемной области путем изучения официального сайта Avis b. Таблицы (данные, поиск, таблицы аудита/журнала) c. Количество столов должно быть от 5 до 10 d. ER-диаграмма 2. Последовательность [3 балла] a. Создайте хотя бы одну последовательность b. Используйте его для вставки демонстрационных данных c. Используйте его для обновления таблиц 3. Индексы [2 балла] a. Поиск является одной из общих функций, индекс играет решающую роль в поиске b. создать несколько индексов для тех таблиц, где поиск выполняется часто 4. Триггеры [6 баллов] a. Создать как минимум 2 триггера для записи/обновления таблицы за кулисами b. Предоставьте скриншоты, демонстрирующие правильную работу триггеров. 5. Пакеты [12 баллов] a. Реализовать как минимум две процедуры b. Реализовать как минимум две функции c. Включить раздел исключений d. Продемонстрируйте свое умение пользоваться курсором e. Используйте атрибут TYPE и/или атрибут ROWTYPE всякий раз, когда это уместно. Примечание. Должно быть минимум десять строк (10 операторов вставки для таблиц данных) и пять строк (для таблиц справочных/справочных типов). Вы должны заполнить свои таблицы значимыми данными.

        Как называется создание блога, ведение блога или добавление статьи в существующий блог? а) ведение блога б) блогер в) блог г) публикация

        Блок управления (CU) обрабатывает все сигналы управления процессором. Он направляет все потоки ввода и вывода, извлекает код для инструкций и контролирует, как данные перемещаются по системе.

        Арифметико-логическое устройство — это часть ЦП, которая выполняет все вычисления, которые могут потребоваться ЦП, например, вычисления. Сложение, вычитание, сравнение. Он выполняет логические операции, операции сдвига битов и арифметические операции.



        Рисунок – Базовая структура ЦП, иллюстрирующая АЛУ

        1. Накопитель: сохраняет результаты вычислений, выполненных АЛУ.
        2. Счетчик программ (ПК): отслеживает расположение в памяти следующих инструкций, с которыми нужно работать. Затем ПК передает этот следующий адрес в регистр адреса памяти (MAR).
        3. Регистр адреса памяти (MAR): в нем хранятся ячейки памяти инструкций, которые необходимо извлечь из памяти или сохранить в памяти.
        4. Регистр данных памяти (MDR): в нем хранятся инструкции, извлеченные из памяти, или любые данные, которые должны быть переданы в память и сохранены в ней.
        5. Регистр текущих инструкций (CIR): в нем хранятся последние извлеченные инструкции, пока он ожидает кодирования и выполнения.
        6. Регистр буфера инструкций (IBR): инструкция, которая не должна выполняться немедленно, помещается в регистр буфера инструкций IBR.

        1. Шина данных. Она передает данные между блоком памяти, устройствами ввода-вывода и процессором.
        2. Адресная шина: по ней передается адрес данных (а не фактических данных) между памятью и процессором.
        3. Шина управления: по ней передаются управляющие команды от ЦП (и сигналы состояния от других устройств) для контроля и координации всех действий внутри компьютера.

      Форматы инструкций (нулевая, одно-, двух- и трехадресная инструкция)

      Инструкция имеет разную длину в зависимости от количества содержащихся в ней адресов. Обычно организация ЦП бывает трех типов в зависимости от количества адресных полей:

      1. Единая организация-аккумулятор
      2. Организация общего реестра
      3. Организация стека
        1. Инструкции с нулевым адресом.
          Адрес хранится в коде операции, в инструкции с нулевым адресом. В организации, основанной на стеке, используется инструкция с нулевым адресом.
        2. Инструкции с одним адресом.
          При этом используется подразумеваемый регистр ACCUMULATOR для манипулирования данными. Один операнд находится в аккумуляторе, а другой в регистре или ячейке памяти. Подразумеваемый означает, что ЦП уже знает, что один операнд находится в аккумуляторе, поэтому нет необходимости указывать его. то есть будет одно поле кода операции и одно поле адреса.
        3. Инструкции по двум адресам.
          Здесь в инструкции могут быть указаны два адреса. В отличие от ранее в одной адресной инструкции, результат был сохранен в аккумуляторе, здесь результат может быть сохранен в другом месте, а не только в аккумуляторе, но для представления адреса требуется большее число битов.
        4. Три адресных инструкции.
          Три адресных поля для указания регистра или ячейки памяти. Созданная программа намного меньше по размеру, но количество битов на команду увеличивается.

        Режимы адресации

        Термин режимы адресации относится к способу указания операнда инструкции. Режим адресации задает правило для интерпретации или изменения адресного поля инструкции перед фактическим выполнением операнда.

        Инструкция программы на языке ассемблера состоит из двух частей



        • Начальный адрес сегмента памяти.
        • Действующий адрес или смещение. Смещение определяется путем добавления любой комбинации трех элементов адреса: смещения, базы и индекса.
          • Смещение: это 8-битное или 16-битное непосредственное значение, указанное в инструкции.
          • Базовый: содержимое базового регистра, BX или BP.
          • Индекс: содержимое индексного регистра SI или DI.

          • Режим относительной адресации ПК: режим относительной адресации ПК используется для реализации внутрисегментной передачи управления. В этом режиме эффективный адрес получается путем добавления смещения к ПК.
          • Режим адресации базового регистра. Режим адресации базового регистра используется для реализации межсегментной передачи управления. В этом режиме эффективный адрес получается путем добавления значения базового регистра к значению поля адреса.

          1. Относительный ПК и основанный на регистре оба режима адресации подходят для перемещения программы во время выполнения.
          2. Режим адресации на основе регистров лучше всего подходит для записи независимых от позиции кодов.

          RISC и CISC

          Проводной блок управления против микропрограммного блока управления

          • Фиксированные логические схемы, которые непосредственно соответствуют логическим выражениям, используются для генерации управляющих сигналов.
          • Проводное управление быстрее микропрограммного управления.
          • Контроллер, использующий этот подход, может работать на высокой скорости.
          • Архитектура RISC основана на проводном блоке управления.

            Существует два типа микропрограммируемых блоков управления:

          Цикл инструкций

          • Регистры адреса памяти (MAR): подключаются к адресным линиям системной шины. Он указывает адрес в памяти для операции чтения или записи.
          • Регистр буфера памяти (MBR): он подключен к линиям данных системной шины. Он содержит значение, которое должно быть сохранено в памяти, или последнее значение, считанное из памяти.
          • Счетчик программ (ПК): содержит адрес следующей инструкции, которую нужно извлечь.
          • Регистр инструкций (IR): содержит последнюю выбранную команду.

          1. Цикл выборки.
            В начале цикла выборки адрес следующей выполняемой инструкции находится в счетчике программ(ПК).
          2. Косвенные циклы.
            После выборки инструкции следующим шагом является выборка исходных операндов. Исходный операнд извлекается с помощью косвенной адресации, его можно получить с помощью любого режима адресации, здесь это делается с помощью косвенной адресации). Операнды на основе регистров не нужно извлекать. После выполнения кода операции может потребоваться аналогичный процесс для сохранения результата в основной памяти.

          Микропрограмма: хранящаяся в памяти программа, которая генерирует все управляющие сигналы, необходимые для правильного выполнения набора инструкций, состоит из микроинструкций.
          Микроинструкция: содержит слово последовательности и управляющее слово. Управляющее слово — это вся управляющая информация, необходимая для одного тактового цикла.
          Микрооперации: Микрооперации — это атомарные операции, которые выполняют определенную микроинструкцию.
          Пример микрооперации во время цикла выборки:

          Организация памяти:

          Организация памяти с одновременным и иерархическим доступом

          Организация памяти с одновременным доступом: если H1 и H2 — это коэффициенты попаданий, а T1 и T2 — время доступа к уровням памяти L1 и L2 соответственно, то
          Среднее время доступа к памяти может быть рассчитывается как:
          Иерархическая организация памяти доступа: если H1 и H2 – это коэффициенты попаданий, а T1 и T2 – время доступа к уровням памяти L1 и L2 соответственно, то
          Среднее время доступа к памяти можно рассчитать как:

          Кэш-память

          Кэш-память — это специальная память с очень высокой скоростью. Он используется для ускорения и синхронизации с высокоскоростным ЦП.
          Уровни памяти: Уровень 1 или Регистр, Уровень 2 или Кэш-память, Уровень 3 или Основная память, Уровень 4 или Вторичная память.

            Существует три различных типа сопоставления, используемых для кэш-памяти, а именно: прямое сопоставление, ассоциативное сопоставление и сопоставление множества-ассоциативное.

          Примечание: резервный буфер трансляции (т. е. TLB) требуется только в том случае, если виртуальная память используется процессором. Короче говоря, TLB ускоряет преобразование виртуального адреса в физический адрес, сохраняя таблицу страниц в более быстрой памяти. На самом деле TLB также находится между ЦП и основной памятью.

          Локальность ссылки –
          Поскольку размер кэш-памяти меньше по сравнению с основной памятью. Таким образом, проверка того, какой части основной памяти следует отдать приоритет и загрузить в кеш, решается на основе локальности ссылки.

          1. Пространственная локализация ссылки
            Пространственная локализация означает, что инструкции или данные, расположенные рядом с текущим местоположением памяти, которые извлекаются, могут понадобиться в ближайшее время в ближайшем будущем.
          2. Временная локализация ссылки
            Временная локализация означает, что в ближайшее время могут потребоваться текущие данные или инструкции, которые извлекаются. Поэтому мы должны хранить эти данные или инструкции в кэш-памяти, чтобы избежать повторного поиска в основной памяти тех же данных.

          Конвейерная обработка

          • Этап 1 (выборка инструкций)
            На этом этапе ЦП считывает инструкции по адресу в памяти, значение которого присутствует в счетчике команд.
          • Этап 2 (декодирование инструкции)
            На этом этапе инструкция декодируется и осуществляется доступ к файлу регистров для получения значений из регистров, используемых в инструкции.
          • Этап 3 (выполнение инструкции)
            На этом этапе выполняются операции АЛУ.
          • Этап 4 (доступ к памяти)
            На этом этапе операнды памяти считываются и записываются из/в память, которая присутствует в инструкции.
          • Этап 5 (обратная запись)
            На этом этапе вычисленное/выбранное значение записывается обратно в регистр, присутствующий в инструкциях.

          Производительность конвейерного процессора
          Рассмотрим конвейер сегментов/стадий k с временем такта как Tp. Пусть в конвейерном процессоре нужно выполнить n задач. Итак, время, необходимое для выполнения n инструкций в конвейерном процессоре:

          В том же случае для неконвейерного процессора время выполнения n инструкций будет:

          Итак, ускорение (S) конвейерного процессора по сравнению с неконвейерным процессором, когда n задач выполняются на одном процессоре, составляет:

          Поскольку производительность процессора обратно пропорциональна времени выполнения, мы имеем

          Когда количество задач n значительно превышает k, то есть n >> k

          где «k» — количество этапов конвейера.

          Кроме того, эффективность = заданное ускорение / максимальное ускорение = S / Smax
          Мы знаем, что Smax = k

          Итак, эффективность = S / k

          Пропускная способность = количество инструкций / общее время выполнения инструкций

          Итак, пропускная способность = n / (k + n – 1) * Tp

          Примечание. Число циклов на инструкцию (CPI) идеального конвейерного процессора равно 1

          Производительность конвейера с остановками
          Ускорение (S) = CPIне конвейер / (1 + количество остановок на инструкцию)

            В конвейерном процессоре возможны в основном три типа зависимостей. Это:

            Структурная зависимость: эта зависимость возникает из-за конфликта ресурсов в конвейере. Конфликт ресурсов — это ситуация, когда несколько инструкций пытаются получить доступ к одному и тому же ресурсу в одном и том же цикле. Ресурсом может быть регистр, память или АЛУ.

          Организация ввода/вывода

            Существует три основных формы систем ввода и вывода —

          Числа с плавающей запятой стандарта IEEE 754:

          1. Знак Мантиссы.
            Это так же просто, как и название. 0 – положительное число, 1 – отрицательное.
          2. Смещенная экспонента.
            Поле экспоненты должно представлять как положительные, так и отрицательные показатели. Смещение добавляется к фактическому показателю, чтобы получить сохраненный показатель.
          3. Нормализованная мантисса.
            Мантисса – это часть числа в экспоненциальном представлении или числа с плавающей запятой, состоящая из значащих цифр. Здесь у нас есть только 2 цифры, то есть O и 1. Таким образом, нормализованная мантисса — это та, в которой только одна 1 слева от десятичной дроби.

          Формула для нахождения десятичного значения:
          Десятичное значение = (-1) s * 1.F * 2 (E-Bias), где E — десятичное значение поля экспоненты, F — мантисса, а s — бит знака .

          Читайте также: