Принцип работы процессора компьютера на физическом уровне: Как устроен компьютер? Первый и второй уровни — физический и виртуальный | Техника и Интернет

Как устроен компьютер? Первый и второй уровни — физический и виртуальный | Техника и Интернет

Какую букву и какой звук сгенерируют устройства, будет зависеть от прошивки, которая хранится в ПЗУ — специальной памяти устройства. Здесь мы приходим к пониманию, что в одном корпусе находится сразу несколько устройств. Подобно тому, как человеческое тело состоит из органов, выполняющих обособленные функции.

В принтере, например, есть печатающая головка, выполняющая печать; знакогенератор, сопоставляющий каждому коду символа определенный графический знак; буферная память, хранящая поступившие коды символов… И так далее.

Звуковая карта также состоит из нескольких устройств: микшера каналов, MIDI-синтезатора, цифро-аналогового преобразователя, усилителя выходного сигнала, аналого-цифрового преобразователя микрофонного входа и др.

Каждый такой набор устройств управляется встроенной в ПЗУ программой — прошивкой. Именно она определяет, что принтер будет печатать русские буквы, а не греческие; а MIDI- синтезатор генерирует звуки рояля, а не виолончели. Соответственно, меняя прошивку, можно менять некоторые функции составного устройства или исправлять ошибки в его работе.

Если в готовом сложном устройстве все простые блоки связаны между собой жестко и нет нужды определять его состав каждый раз при включении, то компьютер — дело иное.

Разные устройства могут быть подключены к компьютеру и отключены от него как в моменты его выключения, так и во время работы. Заранее неизвестно, какие устройства и в какой разъем будут подключены. Эту неизвестность разрешают драйверы — они описывают, какое устройство куда подключено и как обрабатывать данные.

Для примера очень упрощенно можно представить воспроизведение музыки с CD на звуковую карту так:

— луч лазера считывает очередной кусок данных с поверхности диска и передает их в порт CD;

— драйвер CD считывает данные из порта, отделяет полезную информацию от служебной, передает «чистые данные» в память и дает указание считать следующий кусок данных;

— драйвер звуковой карты берет данные из памяти, наделяет их управляющими командами, нарезает на куски и передает их в звуковую карту;

— по переданным данным звуковая карта генерирует звук.

Это очень упрощенный вариант с понятными устройствами.

А пока задумаемся вот о чем: к компьютеру, в принципе, может быть подключено несколько CD-приводов. Возникает проблема их идентификации. А если на звуковую карту попытаются выводить звук несколько программ, то как быть в этом случае? Вот тут-то и приходит на помощь виртуальное устройство.

Виртуальное устройство — это программа, типа драйвера. Она занимает некоторое промежуточное место между драйверами и «решает», какое устройство и как задействовать. Например, звук из нескольких источников для одной реальной звуковой карты виртуальная замикширует (смешает). Виртуальный принтер примет данные для печати и будет хранить их, пока реальный принтер занят. Если к компьютеру подключено несколько однотипных принтеров, то пул (pool) принтеров распределит, какой документ на какой принтер отправить так, чтобы они не перемешались. И так далее. То есть в рамках вышеописанной модели определит, какую обработку произвести над данными, передаваемыми из одного драйвера в другой.

Обращаю внимание на то, что, начиная со 2-го уровня, мы уходим из физического уровня в программный. Программа, как информация, более относится к миру идей. И далее все рассматриваемые уровни будут программными.

Теги: компьютеры, информация, обучение, техника

Как работает процессор внутри множества типов устройств?


Основные компоненты внутри процессора, принцип работы, методы управления любым устройством с CPU. Как определить мощность ЦП быстро. Как увеличить эффективность кода, написанного программистом для выполнения CPU даже с невысокой частотой.

Как работает процессор внутри множества типов устройств

Все цифровые электронные устройства имеют в своей основе центральный процессор (CPU), который фактически является мозгом прибора. Процессоры устанавливаются на материнских платах ПК, в роутерах, игровых консолях, телефонах, планшетах, NAS и других устройствах. Изучение того, как работает процессор, важно для всех, кто собирается писать программное обеспечение. Также информация полезна всем, кто просто интересуется работой компьютеров. Основными частями CPU являются:

  1. Арифметико-логическое устройство. Исполняет логические/арифметические действия (вычитание, сложение). Большая часть АЛУ включает в себя один выход или два входа, но есть разновидности с двумя выходами (такие арифметико-логические устройства называются посумматорами).

  2. Устройство управления, позволяющее ЦП управлять работой устройства и исполнять все заложенные функции. УУ «говорит» периферии, что необходимо делать дальше, координируя работу с остальными частями системы. Предусмотрено два варианта устройства управления;

  • с использованием микропрограммного управления (MCU), где программная часть хранится в памяти УУ;

  • жесткой логикой (HCU), где особенности функционирования определены строением компонента. Внесение изменений в способ работы невозможно без вмешательства в физическую структуру.

Для обработки инструкций процессором ему нужны данные, часть из которых является промежуточной, а другие — входными/выходными. Наиболее простым объяснением функционирования ЦП является принцип, изложенный еще Дж. фон Нейманом 75 лет назад:

  1. Fetch. Из регистра командной строки в ОЗУ проводится считывание команды, которая будет загружена в соответствующий накопитель.

  2. Decode. Расшифровка поступившей команды при помощи декодера с последующей активацией схем для выполнения.

  3. Fetch Operands. После загрузки значений и параметров команд в изменяемые регистры CPU может отыскать необходимые данные в RAM, кэш-памяти или съемном носителе.

  4. Execute. Выполнение команды самим процессором или периферийным устройством. По окончанию данного этапа цикл повторяется.

Для увеличения эффективности кода рекомендуется изучить, как работает процессор. Достичь определенного результата можно с меньшим количеством строк кода. Это называется оптимизацией, которая позволяет сократить затраты ресурсов и времени на исполнение каждой задачи компьютером, микроконтроллером и другим устройством с ЦП в основе.

Инструкции ЦП

Каждая инструкция представляет собой вычисление, которое выполняет процессор. Есть несколько типов команд для выполнения. Все инструкции являются встроенными в CPU, а они генерируются компилятором. Набор инструкций может отличаться от одной линейки процессоров к другой, а стоимость изготовления CPU напрямую зависит от количества команд, которые выполняет ЦП.

Линейка процессоров x86 является обратно совместимой, что говорит о возможности выполнения кода, написанного еще на 8086 или 80486 с использованием современного CPU. В этом случае необходимо использование эмуляции, так как код, написанный для старого процессора с частотой 4,77 МГц на ассемблере, будет выполняться слишком быстро.

Как дать команду CPU

Любой процессор «понимает» команды в виде машинного кода, состоящего из простейших команд (нулей и единиц). Если вы ранее интересовались, как работает процессор, то уже знаете, что самым распространенным вариантом «общения» с процессором является написание программ на одном из языков программирования:

  1. Высокоуровневые. Простые для понимания и портирования кода на другие устройства. Основной недостаток — требуется большая мощность самого CPU для исполнения. При этом код не привязан к тактовой частоте ЦП, как это есть с программами, написанными на asm.

  2. Низкоуровневые. Наиболее популярный пример — ассемблер. Данный вариант является более эффективным и щадящим к ресурсам процессора, но требует и более высокий уровень подготовки программиста. У каждой линейки процессоров существует свой язык ассемблера, который быстро интерпретируется CPU. Наиболее популярным этот вариант программирования был на старых компьютерах (Apple II, C64, первые поколения Mac) и консолях (FamiCom, Mega Drive, Master System).

Тактовая частота

Быстродействие любого устройства с ЦП определяется именно тактовой частотой. Она представляет собой количество тактов за секунду, выполняемые CPU. Чем выше частота, тем быстрее устройство. Один цикл измеряется гигагерцами, а один ГГц равен 10 герцам, которые указывают на 10 циклов за секунду. Для ускорения работы процессора можно поднять тактовую частоту путем разгона, что является рискованным — операция способна повредить CPU и даже разъем с материнской платой.

Что такое процессор (CPU)? Определение из WhatIs.

com

По

  • Участник TechTarget

Процессор (ЦП) — это логическая схема, которая отвечает и обрабатывает основные инструкции, управляющие компьютером. ЦП считается основной и наиболее важной микросхемой интегральной схемы (ИС) в компьютере, поскольку он отвечает за интерпретацию большинства компьютерных команд. ЦП будут выполнять большинство основных арифметических, логических операций и операций ввода-вывода, а также распределять команды для других микросхем и компонентов, работающих в компьютере.

Термин процессор используется взаимозаменяемо с термином центральный процессор (ЦП), хотя, строго говоря, ЦП не является единственным процессором в компьютере. Графический процессор (графический процессор) является наиболее ярким примером, но жесткий диск и другие устройства в компьютере также выполняют некоторую обработку независимо. Тем не менее, термин процессор обычно понимается как ЦП.

Процессоры

можно найти в ПК, смартфонах, планшетах и ​​других компьютерах. Двумя основными конкурентами на рынке процессоров являются Intel и AMD.

Основные элементы процессора

К основным элементам процессора относятся:

  • Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над операндами в инструкциях.
  • Блок с плавающей запятой (FPU), также известный как математический сопроцессор или числовой сопроцессор, специализированный сопроцессор, который оперирует числами быстрее, чем базовая схема микропроцессора.
  • Регистры, в которых хранятся инструкции и другие данные. Регистры передают операнды в АЛУ и хранят результаты операций.
  • Кэш-память L1 и L2. Их включение в ЦП экономит время по сравнению с получением данных из оперативной памяти (ОЗУ).

Операции ЦП

Четыре основные функции процессора: выборка, декодирование, выполнение и обратная запись.

  • Выборка — это операция, которая получает инструкции из памяти программ из оперативной памяти системы.
  • Декодирование — это когда инструкция преобразуется, чтобы понять, какие другие части ЦП необходимы для продолжения операции. Это выполняется декодером команд 9.0005
  • Execute — здесь выполняется операция. Каждая часть ЦП, которая необходима, активируется для выполнения инструкций.

Компоненты и принципы работы ЦП

Основными компонентами ЦП являются АЛУ, регистры и блок управления. Основные функции АЛУ и регистра обозначены выше как «базовые элементы секции процессора». Блок управления — это то, что управляет получением и выполнением инструкций.

Процессор персонального компьютера или встроенный в небольшие устройства часто называют микропроцессором. Этот термин означает, что элементы процессора содержатся в одной микросхеме. Некоторые компьютеры будут работать с использованием многоядерного процессора — чипа, содержащего более одного процессора. ЦП обычно представляет собой небольшое устройство с контактами на материнской плате, обращенными вниз. ЦП также можно подключить к материнской плате с радиатором и вентилятором для отвода тепла.

Типы

Большинство современных процессоров являются многоядерными, что означает, что ИС содержит два или более процессора для повышения производительности, снижения энергопотребления и более эффективной одновременной обработки нескольких задач (s ee:  параллельная обработка). Многоядерные конфигурации аналогичны установке нескольких отдельных процессоров на одном компьютере, но поскольку процессоры фактически подключены к одному и тому же разъему, соединение между ними происходит быстрее.

Большинство компьютеров могут иметь до двух-четырех ядер; однако это число может быть увеличено, например, до 12 ядер. Если ЦП может одновременно обрабатывать только один набор инструкций, то он считается одноядерным процессором. Если процессор может обрабатывать два набора инструкций одновременно, он называется двухъядерным процессором; четыре набора будут считаться четырехъядерным процессором. Чем больше ядер, тем больше инструкций за раз может обработать компьютер.

Некоторые процессоры используют многопоточность, в которой используются виртуализированные процессорные ядра. Виртуализированные процессорные ядра называются vCPU. Они не такие мощные, как физические ядра, но их можно использовать для повышения производительности виртуальных машин (ВМ). Однако добавление ненужных виртуальных ЦП может снизить коэффициенты консолидации, поэтому на каждое физическое ядро ​​должно приходиться около четырех-шести виртуальных ЦП.

Последнее обновление: август 2019 г.

Продолжить чтение О процессоре (CPU)
  • Выбор ЦП, процессоров и памяти для виртуализированных сред
  • Реальность повышения производительности процессора с помощью гиперпоточности
  • Проверьте свои знания с помощью нашей викторины о процессорах
  • Ответы на вопросы о 64-разрядных процессорах ARM
  • Функции процессора, необходимые для виртуализации
  • Объяснение технологии процессора
  • История процессора
прием данных

Прием данных — это процесс получения и импорта данных для немедленного использования или хранения в базе данных.

ПоискСеть

  • беспроводная ячеистая сеть (WMN)

    Беспроводная ячеистая сеть (WMN) — это ячеистая сеть, созданная путем соединения узлов беспроводной точки доступа (WAP), установленных в …

  • Wi-Fi 7

    Wi-Fi 7 — это ожидаемый стандарт 802.11be, разрабатываемый IEEE.

  • сетевая безопасность

    Сетевая безопасность включает в себя все шаги, предпринятые для защиты целостности компьютерной сети и данных в ней.

ПоискБезопасность

  • Что такое модель безопасности с нулевым доверием?

    Модель безопасности с нулевым доверием — это подход к кибербезопасности, который по умолчанию запрещает доступ к цифровым ресурсам предприятия и …

  • RAT (троянец удаленного доступа)

    RAT (троян удаленного доступа) — это вредоносное ПО, которое злоумышленник использует для получения полных административных привилегий и удаленного управления целью . ..

  • атака на цепочку поставок

    Атака на цепочку поставок — это тип кибератаки, нацеленной на организации путем сосредоточения внимания на более слабых звеньях в организации …

ПоискCIO

  • Пользовательский опыт

    Дизайн взаимодействия с пользователем (UX) — это процесс и практика, используемые для разработки и внедрения продукта, который будет обеспечивать положительные и …

  • соблюдение конфиденциальности

    Соблюдение конфиденциальности — это соблюдение компанией установленных правил защиты личной информации, спецификаций или …

  • контингент рабочей силы

    Временная рабочая сила — это трудовой резерв, члены которого нанимаются организацией по требованию.

SearchHRSoftware

  • Поиск талантов

    Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса . ..

  • удержание сотрудников

    Удержание сотрудников — организационная цель сохранения продуктивных и талантливых работников и снижения текучести кадров за счет стимулирования …

  • гибридная рабочая модель

    Гибридная рабочая модель — это структура рабочей силы, включающая сотрудников, работающих удаленно, и тех, кто работает на месте, в офисе компании…

SearchCustomerExperience

  • CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) аналитика

    Аналитика CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) включает в себя все программные средства, которые анализируют данные о клиентах и ​​представляют…

  • разговорный маркетинг

    Диалоговый маркетинг — это маркетинг, который вовлекает клиентов посредством диалога.

  • цифровой маркетинг

    Цифровой маркетинг — это общий термин для любых усилий компании по установлению связи с клиентами с помощью электронных технологий.

Что такое ЦП и какова его функция?

Центральный процессор (ЦП) — это основной компонент любой цифровой компьютерной системы, состоящий из основной памяти, блока управления и арифметико-логического блока. Это физическое сердце всей компьютерной системы, к которому подключено различное периферийное оборудование, такое как устройства ввода/вывода и вспомогательные запоминающие устройства. ЦП в современных компьютерах размещается на микросхеме интегральной схемы, известной как микропроцессор.

Микропроцессор  – это небольшое электронное устройство, содержащее арифметические, логические и управляющие схемы, необходимые для выполнения функций центрального процессора цифрового компьютера. На практике этот тип интегральной схемы способен интерпретировать и выполнять программные инструкции в дополнение к выполнению арифметических операций.

Блок управления центрального процессора регулирует и интегрирует операции компьютера. Он выбирает и извлекает инструкции из основной памяти в правильной последовательности и интерпретирует их так, чтобы другие функциональные элементы системы могли выполнять свои соответствующие операции в нужное время. Все входные данные передаются через оперативную память в арифметико-логическое устройство для обработки, которое включает в себя четыре основные арифметические функции (сложение, вычитание, умножение и деление), а также некоторые логические операции, такие как сравнение данных и выбор нужной задачи. — процедура решения или жизнеспособная альтернатива, основанная на заранее определенных критериях принятия решения.

Центральный процессор (ЦП) имеет следующие характеристики:

  • ЦП считается мозгом компьютера.
  • ЦП отвечает за все операции обработки данных.
  • Сохраняет такую ​​информацию, как данные, промежуточные результаты и инструкции (программы).
  • Направляет работу всех компонентов компьютера.

Сам ЦП состоит из трех компонентов, перечисленных ниже.

  1. Блок памяти или хранения
  2. Блок управления
  3. Арифметико-логический блок

 

Блок памяти или хранения

Этот блок может хранить инструкции, данные и промежуточные результаты. При необходимости этот блок отправляет данные на другие компьютерные блоки. Его также называют внутренней памятью, основной памятью, основной памятью или оперативной памятью (ОЗУ). Его размер влияет на его скорость, мощность и возможности. В компьютере есть два типа памяти: первичная память и вторичная память. Функции блока памяти следующие:

  • Сохраняет все данные и инструкции, необходимые для обработки.
  • Сохраняет промежуточные результаты обработки.
  • Сохраняет окончательные результаты обработки перед их отправкой на устройство вывода.
  • В основную память направляются все входы и выходы.

Блок управления

Этот блок управляет работой всех компонентов компьютера, но не выполняет фактическую обработку данных. Для правильной работы все компоненты ЦП должны быть синхронизированы. Блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые проходят через ЦП.

Функции этого блока следующие:

  • Он отвечает за передачу данных и инструкций между различными компонентами компьютера.
  • Управляет и координирует все блоки компьютера.
  • Читает инструкции из памяти, интерпретирует их и управляет работой компьютера.
  • Связь с устройствами ввода/вывода для передачи данных.
  • Не обрабатывает и не хранит данные.

Арифметико-логический блок

Этот блок разделен на две части, а именно:

Разделы арифметики и логики

Арифметический блок
Арифметический блок предназначен для выполнения арифметических операций, таких как сложение, деление и вычитание, . Все сложные операции осуществляются путем многократного выполнения вышеуказанных операций.

Логический блок
Функция логического блока заключается в выполнении логических операций с данными, таких как сравнение, выбор, сопоставление и слияние.

Арифметико-логическое устройство (ALU) отвечает за арифметические и логические функции компьютера. Входные данные хранятся в регистрах А и В, а результат операции поступает в аккумулятор. В регистре инструкций хранится инструкция, которую будет выполнять АЛУ.

Например, при добавлении двух чисел одно помещается в регистр A, а другое — в регистр B. Сложение выполняется АЛУ, а результат сохраняется в аккумуляторе. Сравниваемые данные помещаются во входные регистры, если операция логична. Результат сравнения, 1 или 0, сохраняется в аккумуляторе. Содержимое аккумулятора затем помещается в кэш-память, зарезервированную программой для результата, будь то логическая или арифметическая операция.

ALU также выполняет операции другого типа. Результатом является адрес памяти, который используется для вычисления новой ячейки памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат сохраняется в регистре указателя команд.

Регистр инструкций и указатель

Указатель инструкций определяет ячейку памяти, в которой ЦП будет выполнять следующую команду. Когда текущая инструкция завершена, ЦП загружает следующую инструкцию в регистр инструкций из ячейки памяти, указанной указателем инструкции.

Кэш

ЦП никогда не имеет прямого доступа к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кэша. Скорость вычислений ЦП намного выше, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП.

Кэш-память быстрее, чем системная ОЗУ, и, поскольку она расположена на кристалле процессора, она ближе к ЦП. Кэш хранит данные и инструкции, чтобы ЦП не приходилось ждать, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору требуются данные (а инструкции программы считаются данными), кэш проверяет, не находятся ли данные уже в памяти, и возвращает их центральному процессору.

Если запрошенные данные отсутствуют в кэше, они извлекаются из ОЗУ и используются для перемещения дополнительных данных из ОЗУ в кэш с использованием алгоритмов прогнозирования. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные из оперативной памяти потребуются. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Сохраняя некоторые данные ближе к ЦП в кэш-памяти быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и избегать ненужных циклов ожидания данных.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *