Какие операции выполняет процессор при обработке машинной инструкции

Обновлено: 21.11.2024

Центральный процессор (ЦП) направляет компьютер на различные этапы решения проблемы.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Адаптация и оценка симплексного алгоритма для архитектуры потока данных

Урош Чибей, Юрий Михелич, Достижения в области компьютеров, 2017

2.2 Вид программиста

Чтобы программист мог разработать законченную программу, необходимо написать три компонента.

обычно написанный на языке программирования C, код ЦП управляет выполнением и использует DFE в качестве блока обработки, вызывая подходящие функции, предоставляемые компилятором Maxeler.

Каждое ядро реализует определенную функциональность и примерно соответствует абстракции функции. Он имеет набор входных потоков и набор выходных потоков.

Менеджер — это компонент, который соединяет потоки данных от ЦП к ядрам-получателям и наоборот. Он устанавливает соединения между ядрами и LMem, а также связывает ядра между собой. Диспетчер также создает интерфейсы, с помощью которых код ЦП взаимодействует с DFE.

Диспетчер и ядра написаны на предметно-ориентированном языке MaxJ. Этот язык представляет собой надмножество языка программирования Java с несколькими расширениями, более подходящими для упрощения создания программ потока данных.

Компилятор преобразует описание ядер в граф потока данных, и этот граф физически размещается на микросхеме FPGA серверной частью. Серверная часть обычно очень требовательна к вычислительным ресурсам, поскольку необходимо учитывать множество структурных ограничений.

Схема этой архитектуры представлена на рис. 1.

Рис. 1 . Схематический обзор компонентов системы потока данных. серая рамка обозначает микросхему FPGA. Взгляд программиста на архитектуру показан в виде файлов, которые необходимо реализовать для каждой программы, файл .maxj написан на языке MaxJ, тогда как поток управления обычно написан на C или C++, но поддерживаются и другие языки. .

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ДИЗАЙН

Доминик Росато, Дональд Росато, Дизайн изделий из пластмассы, 2003 г.

Центральный процессор

Центральный процессор компьютера (ЦП) — это часть компьютера, которая извлекает и выполняет инструкции. Процессор, по сути, является мозгом CAD-системы. Он состоит из арифметико-логического блока (АЛУ), блока управления и различных регистров. Центральный процессор часто называют просто процессором. АЛУ выполняет арифметические операции, логические операции и связанные с ними операции в соответствии с инструкциями программы.

Блок управления управляет всеми операциями ЦП, включая операции АЛУ, перемещение данных внутри ЦП, а также обмен данными и управляющими сигналами через внешние интерфейсы (системную шину). Регистры — это быстродействующие блоки внутренней памяти ЦП. Некоторые регистры видны пользователю; то есть доступный для программиста через набор машинных инструкций. Другие регистры предназначены исключительно для ЦП в целях управления. Внутренние часы синхронизируют все компоненты ЦП. Тактовая частота (количество тактовых импульсов в секунду) измеряется в мегагерцах (МГц) или миллионах тактовых импульсов в секунду. Тактовая частота, по сути, определяет, насколько быстро ЦП обрабатывает инструкции.

Оборудование

Центральный процессор управляет всем. Он извлекает программные инструкции по своей шине «на стороне инструкций» (IS), считывает данные по своей шине «на стороне данных» (DS), выполняет инструкции и записывает результаты на шину DS. ЦП может работать на частоте SYSCLK до 80 МГц, что означает, что он может выполнять одну инструкцию каждые 12,5 нс. ЦП способен умножать 32-битное целое число на 16-битное целое число за один цикл или 32-битное целое число на 32-битное целое число за два цикла. Блока с плавающей запятой (FPU) нет, поэтому вычисления с плавающей запятой выполняются программными алгоритмами, что делает операции с плавающей запятой намного медленнее, чем вычисления с целыми числами.

ЦП представляет собой ядро микропроцессора MIPS32® M4K®, лицензированное компанией Imagination Technologies. ЦП работает при напряжении 1,8 В (обеспечиваемом стабилизатором напряжения, встроенным в PIC32, поскольку он используется на плате NU32). Контроллер прерываний, обсуждаемый ниже, может уведомлять ЦП о внешних событиях.

Встроенные процессоры

Внутренние шины ЦП

Шины ЦП — это механизмы, соединяющие другие компоненты ЦП: АЛУ, ЦП и регистры (см. рис. 4-22). Шины — это просто провода, которые соединяют между собой различные другие компоненты ЦП.Провод каждой шины обычно делится на логические функции, такие как данные (которые переносят данные в двух направлениях между регистрами и АЛУ), адрес (который переносит расположение регистров, содержащих данные для передачи), управление (переносит управление информацию о сигналах, такую как временные и управляющие сигналы, между регистрами, ALU и CU) и т. д.

Рисунок 4-22. Ядро и шины PowerPC. [15]

В ядре PowerPC есть управляющая шина, по которой управляющие сигналы передаются между АЛУ, CU и регистрами. То, что PowerPC называет «исходными шинами», — это шины данных, передающие данные между регистрами и АЛУ. Существует дополнительная шина, называемая обратной записью, которая предназначена для обратной записи данных, полученных с исходной шины, непосредственно обратно из модуля загрузки/сохранения в фиксированные регистры или регистры с плавающей запятой.

Примечание. Во избежание дублирования автобусы будут более подробно обсуждаться в главе 7 .

Микрокомпьютерная аппаратура и управление

Чтение/запись памяти

ЦП всегда контролирует направление потока данных в БД, поскольку, хотя он и является двунаправленным, данные могут перемещаться только в одном направлении за раз. ЦП выдает специальный сигнал управления чтением/записью (R/W) (рис. 3.2), который активирует схемы в памяти, определяющие направление потока данных. Например, когда на линии чтения/записи (R/W) высокий уровень, ЦП передает информацию из ячейки памяти в ЦП.

Временная диаграмма операции чтения из памяти показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Время чтения/записи.

Предположим, что компьютеру была дана инструкция прочитать данные из ячейки памяти номер 10. Чтобы выполнить операцию чтения, ЦП переводит линию чтения/записи в высокий уровень, чтобы активировать схему памяти при подготовке к операции чтения. Практически одновременно на АБ размещается адрес для местоположения 10 («адрес действителен» на рис. 3.3). В память АБ отправляется число 10 в 16-битном двоичном коде (0000 0000 0000 1010). Двоичные электрические сигналы, соответствующие 10, управляют определенными цепями в памяти, чтобы заставить двоичные данные в этом месте быть помещенными в БД. ЦП имеет внутренний регистр, который активируется во время этой операции чтения для приема и сохранения данных. Затем данные обрабатываются ЦП во время следующего цикла работы в соответствии с соответствующей инструкцией.

Аналогичная операция выполняется всякий раз, когда ЦП должен отправить данные из одного из своих внутренних регистров в память, что является операцией «записи». В этом случае линия R/W будет установлена на логический уровень, противоположный операции чтения (т.е. низкий в данном примере). Во время операции записи отправляемые данные помещаются в БД одновременно с адресом назначения в АВ. Эта операция перенесет данные из источника ЦП в место назначения, которым может быть место в памяти в ОЗУ или внешнее устройство (как будет объяснено позже).

Компьютерные системы

1.3.1 Работа системы

ЦП управляет передачей системных данных по шинам данных и адреса и дополнительным линиям управления. Требуется схема часов, обычно содержащая кварцевый генератор (как в цифровых часах); это создает точный сигнал фиксированной частоты, который управляет микропроцессором. Операции ЦП запускаются по переднему и заднему фронтам тактового сигнала, что позволяет определить их точную синхронизацию. Это позволяет событиям в ЦП выполняться в правильной последовательности с достаточным временем для каждого шага. Центральный процессор генерирует все основные управляющие сигналы на основе часов. Тот или иной ЦП можно использовать в различных системах, в зависимости от типа приложения, необходимого объема памяти, требований к вводу-выводу и т. д.

Декодер адреса управляет доступом к памяти и регистрам ввода-вывода для конкретного проекта. Как правило, программируемое логическое устройство (PLD) используется для выделения каждой микросхеме памяти определенного диапазона адресов. Код входного адреса в определенном диапазоне генерирует выходной сигнал выбора микросхемы, который включает это устройство. Регистры портов ввода-вывода, которые настроены для обработки передачи данных в систему и из нее, также получают определенные адреса с помощью того же механизма, и ЦП обращается к ним так же, как к ячейкам памяти. Назначение адресов конкретным периферийным устройствам называется картой памяти (рис. 1.6 б).

Процессор

ХАРВИ М. ДЕЙТЕЛЬ, БАРБАРА ДЕЙТЕЛЬ, Введение в обработку информации, 1986 г.

Сводка издателя

Центральный процессор (ЦП) направляет компьютер на различные этапы решения проблемы.Данные поступают в компьютер через блок ввода, обрабатываются центральным процессором и затем становятся доступными для пользователя через блок вывода. Логический вид компьютера показывает, какие функции выполняет компьютер. Физический вид компьютера показывает, как на самом деле механизмы компьютера выполняют эти функции. Центральный процессор состоит из трех логических блоков: арифметико-логического блока (ALU), основного хранилища и блока управления. Основная память сохраняет активные программы и данные. Это относительно дорого, поэтому вторичное хранилище используется для хранения программ и данных до тех пор, пока они не потребуются в основном хранилище. Набор встроенных операций компьютера называется его «набором инструкций». Компьютерная программа представляет собой набор инструкций, которые сообщают компьютеру, как решить конкретную задачу. Компьютерная программа должна находиться в оперативной памяти, чтобы компьютер мог выполнять ее инструкции.

Управление энергопотреблением

5.15.2.4.2.1 Блок процессора

Это центральный процессор (ЦП) ПЛК, то есть микропроцессор по конструкции и функциональным возможностям. Основная функция этого блока состоит в том, чтобы воспринимать входные значения через свои модули ввода/вывода, генерировать управляющие сигналы в соответствии с входными сигналами и предопределенной инструкцией (хранящейся в блоке памяти в виде программы). Затем обработанное решение передается на устройства вывода, подключенные к модулям ввода/вывода, для обновления выходных переменных [51]. Типичный цикл процесса ЦП показан на рис. 40, демонстрирующем основную идею функции процесса. Время одного цикла выполнения программы называется «время сканирования». Типичные значения времени сканирования могут составлять всего 1 м/с. Входные и выходные значения обычно хранятся в единице памяти за цикл или несколько его кратных [53] .

Рис. 40 . Рабочий цикл центрального процессора (ЦП) программируемого логического контроллера (ПЛК).

Беспроводная МЭМС для носимых сенсорных сетей

5.2.2.2 Блок обработки

Рабочие процедуры промышленной системы управления

(1) адресные пространства PCI

ЦП и все устройства PCI должны иметь доступ к общей памяти. Драйверы устройств управляют устройствами PCI и передают информацию между ними, используя эту память. Обычно эта разделяемая память содержит регистры управления и состояния устройства, которые используются для управления устройством и чтения его состояния. Например, драйвер устройства PCI SCSI может прочитать свой регистр состояния, чтобы узнать, готово ли устройство к записи блока информации, или он может записать в управляющий регистр, чтобы запустить устройство после его включения.

Системная память ЦП может использоваться для этой общей памяти, но в этом случае каждый раз, когда устройство PCI обращается к памяти, ЦП должен будет останавливаться, ожидая завершения. Доступ к памяти обычно ограничивается одним системным компонентом за раз. Это замедлит работу системы. Это не позволяет периферийным устройствам системы бесконтрольно обращаться к основной памяти. Это было бы очень опасно; неисправное устройство может сделать систему очень нестабильной.

Периферийные устройства имеют собственные области памяти. ЦП может получить доступ к этим пространствам, но доступ устройств к системной памяти очень строго контролируется с помощью каналов DMA (прямой доступ к памяти). Устройства ISA имеют доступ к двум адресным пространствам; ISA I/O (ввод/вывод) и память ISA. В большинстве современных микропроцессоров PCI должен состоять из трех элементов: ввода-вывода PCI, памяти PCI и пространства конфигурации PCI.

Некоторые микропроцессоры, например процессор Alpha AXP, не имеют естественного доступа к адресным пространствам, отличным от системного адресного пространства. Этот процессор использует наборы микросхем поддержки для доступа к другим адресным пространствам, таким как пространство конфигурации PCI, с помощью схемы разреженного отображения адресов, которая крадет часть большого виртуального адресного пространства и сопоставляет его с адресными пространствами PCI.

Для центрального процессора (ЦП) машинным циклом считается список шагов для выполнения машинной инструкции в процессоре компьютера. Машинным циклом считается полученный список шагов, необходимых для выполнения инструкции. Машинный цикл включает в себя четыре рабочих цикла, которые необходимы для выполнения машинной инструкции. Четыре процесса включают в себя чтение инструкции, интерпретацию машинного языка, выполнение кода и сохранение результата. Процессор последовательно выполняет все эти четыре процесса, чтобы инструкция могла быть выполнена.

Что такое машинный цикл?

Машинный цикл также известен как цикл процессора.Центральный процессор (ЦП) является основным компонентом для выполнения машинного цикла, поскольку он является основным компонентом компьютерной системы. Основными компонентами машинного цикла являются центральный процессор и блок памяти. Машинный цикл считается последовательностью четырех различных процессов, которые повторяются для выполнения инструкции. Четыре процесса включают: а) выборку, б) декодирование, в) выполнение, г) сохранение. При первой выборке процесса блок управления запрашивает в оперативной памяти первую команду для выполнения, которая сохраняется в памяти как некоторый конкретный адрес, легко идентифицируемый программным счетчиком (блоком управления). После получения инструкции следующим шагом является декодирование входящей инструкции. ЦП содержит блок управления, который используется для декодирования инструкции в регистре инструкций. Регистр — это небольшой компонент памяти, который выполняет операции и ускоряет обработку операции. В регистрах хранится инструкция, которая извлекается из основной памяти ЦП. Декодирование инструкции включает в себя разбиение поля операнда на мелкие составляющие на основе опкода инструкции. Код операции является частью инструкций машинного языка, которая дает информацию о том, какую операцию необходимо выполнить с инструкцией. После этого инструкция выполняется процессором компьютера. Счетчик программ используется для отслеживания последовательности инструкций и отслеживания адреса инструкции по мере ее выполнения и следующей инструкции в очереди на выполнение. Когда выполнение инструкции завершено, выходные данные сохраняются в памяти для последующего использования, так что при необходимости результат можно легко получить.

Hadoop, наука о данных, статистика и др.

Этапы машинного цикла

Четыре шага кратко описаны в следующем разделе:

1. Процесс извлечения

В этом процессе извлекается значение счетчика программы, которое дает адрес инструкции, которую должен выполнить ЦП. Инструкция извлекается из памяти, которая должна быть выполнена процессором. В основной памяти компьютера хранятся все инструкции, которые должны быть выполнены процессором. Блок управления — это компонент, который отвечает за выборку инструкции из памяти. Все инструкции хранятся по определенному адресу в основной памяти, что можно отследить с помощью компонента, называемого счетчиком инструкций.

2. Процесс декодирования

В этом процессе извлеченная инструкция декодируется для выполнения инструкции. В процессе декодирования содержимое регистра команд используется для декодирования типа операции, которую необходимо применить к инструкции, и информирования АЛУ (арифметико-логического устройства), чтобы ее можно было выполнить для декодированного операнда. В архитектуре ЦП блок управления берет на себя ответственность за декодирование и перевод инструкции. После декодирования и трансляции инструкции сигналы отправляются в АЛУ для выполнения декодированной инструкции.

3. Выполнить процесс

В этом процессе декодированная инструкция наконец выполняется компьютерным процессором. ЦП отвечает за выполнение инструкции на входных данных (операнд). Для компьютерной инструкции в основном есть два компонента: код операции (код OP) и операнд. Арифметико-логическое устройство (ALU) — это компонент, который выполняет инструкцию в соответствии с кодом OP над операндом, который является входными данными. Для разных операций значение кода OP отличается. И в соответствии с кодом OP АЛУ выполняет операцию над инструкцией, а затем инструкция выполняется процессором.

Все в одном наборе Data Science (360+ курсов, 50+ проектов) 360+ онлайн-курсов | 1500+ часов | Поддающиеся проверке сертификаты | Пожизненный доступ
4,7 (3220 оценок)

4. Процесс сохранения

В этом процессе результат выполнения сохраняется в памяти. После того, как Арифметико-логическое устройство оперирует данными, результат операции и обработанные данные отправляются в оперативную память для восстановления результата. Память (ОЗУ) является основным компонентом в этом процессе, так как результат сохраняется для последующего использования. Для отображения вывода на экране результат извлекается из основной памяти или может использоваться для какой-либо другой операции в соответствии с требованиями. И сохраненные данные удаляются после использования, и весь процесс снова повторяется для следующей инструкции. Все эти процессы имеют решающее значение для процессора, поскольку скорость обработки и производительность процессора зависят от этих четырех процессов.

Зачем нам нужен машинный цикл?

Машинный цикл необходим, чтобы сообщить полный поток выполнения инструкции, чтобы можно было лучше понять внутреннюю часть выполнения инструкции и, если есть какие-либо требования, ее можно было дополнительно улучшить.Машинный цикл представляет собой последовательные шаги для выполнения инструкции, и если он не выполняется, инструкции не смогут выполняться должным образом, что может привести к неверным результатам. Машинный цикл необходим для выполнения машинных инструкций процессором.

Важность машинного цикла

Машинный цикл важен для выполнения машинных инструкций процессором компьютера, поскольку производительность устройства основана на машинном цикле. Если инструкция не выполняется должным образом, процессор может снизить производительность. Скорость обработки и производительность устройства рассчитываются по количеству инструкций, которые оно может выполнить за заданный промежуток времени.

Заключение

Машинный цикл состоит из четырех процессов: процесс выборки, процесс декодирования, процесс выполнения и процесс сохранения. Все эти процессы необходимы для выполнения инструкций процессором. По машинному циклу можно рассчитать производительность процессора и выбрать устройство.

Описание

Процессор ЦП – это компьютерная микросхема размером со спичечный коробок. Внутри корпуса находится кремниевый прямоугольник, содержащий миллионы транзисторных схем. Из устройства торчат десятки металлических штифтов, каждый из которых передает электронные сигналы внутрь и наружу чипа. Микросхема подключается к разъему на печатной плате компьютера и обменивается данными с памятью, жесткими дисками, дисплеями и другими устройствами, внешними по отношению к ЦП.

Часы

Схема синхронизации, называемая часами, посылает электрические импульсы в ЦП. В зависимости от процессора часы могут работать со скоростью от сотен тысяч до миллиардов циклов в секунду. Импульсы управляют активностью внутри ЦП; поскольку другие цепи зависят от одних и тех же часов, сложные события в компьютере синхронизируются.

Инструкции

У всех процессоров есть набор инструкций — список действий, которые выполняет процессор, включая сложение чисел, сравнение двух фрагментов данных и перемещение данных в процессор.Программное обеспечение, которое вы запускаете на своем компьютере, состоит из миллионов инструкций ЦП, расположенных в определенной последовательности; инструкции являются очень простыми операциями, поэтому центральный процессор выполняет многие из них для выполнения значимых задач. Некоторые семейства процессоров, например, используемые в настольных ПК, используют один и тот же набор инструкций, что позволяет им запускать одно и то же программное обеспечение. ЦП вне семейства продуктов могут использовать разные инструкции; например, процессор iPad имеет другие инструкции, чем процессор ноутбука на базе Windows.

Процессоры имеют схему, называемую арифметико-логическим устройством, которое выполняет вычисления и сравнения. Арифметика, которую выполняет большинство ЦП, — это базовое умножение, сложение, деление и вычитание; сложные математические операции, такие как статистические функции, представляют собой комбинации множества простых операций, выполняемых с высокой скоростью. АЛУ также выполняет логическое сравнение двух элементов данных, чтобы определить, равны ли они или имеет ли один большее значение, чем другой.

Блок управления

ЦП содержит блок управления, который координирует действия других рабочих частей процессора. Блок управления разбивает каждую инструкцию на набор действий и направляет различные подсистемы ЦП на выполнение действий. Например, блок управления может указать АЛУ перемножить два числа, а затем добавить к результату третье число.

Память

Чип ЦП имеет ограниченный объем очень быстрой памяти. Он имеет набор областей хранения, называемых регистрами, на которые непосредственно воздействует АЛУ. Например, АЛУ может быстро добавить число в регистре 2 к содержимому регистра 1. ЦП также хранит недавно использованные инструкции и данные в области, называемой кешем, что повышает эффективность компьютера. Например, в программе, которая умножает цену на количество, ЦП ищет эти числа в своей кэш-памяти. Если он их находит, это избавляет процессор от дополнительной работы по извлечению чисел из микросхем памяти вне ЦП.

Уроженец Чикаго Джон Папевски имеет степень по физике и пишет с 1991 года. Он участвует в информационном бюллетене Foresight Institute "Foresight Update", посвященном нанотехнологиям. Он также участвовал в написании книги «Нанотехнологии: молекулярные размышления о глобальном изобилии».

Читайте также: