Лекции по Вычислительным машинам   

6. Процессоры

6.1. Типы процессоров. Арифметические процессоры

Арифметическими называются процессоры, предназначенные в первую очередь для автоматизации вычислительных операций той или иной степени сложности. Для сложных научных, проектно–конструкторских и планово–экономических расчетов наиболее употребительны процессоры, выполняющие полный набор арифметических операций над многозначными числами в двоичной системе счисления параллельным способом. Выбор двоичной системы и параллельного способа выполнения операций (над всеми разрядами одновременно) обусловлен тем, что при этом достигаются наибольшая скорость вычислений и наилучшее использование оборудования (прежде всего — памяти).

Магистральные процессоры. При выполнении последовательности поступающих команд процессор реализует ряд повторяющихся операций: он должен воспринять код очередной операции, адреса, по которым хранятся операнды, и адрес, по которому должен быть размещен результат операции, принять и разместить на регистрах операнды, выполнить операцию, разместить ее результат и подготовиться к восприятию следующей команды (выработать адрес, по которому за ней надо обратиться).

Поскольку все эти составные части процесса выполнения любой команды выстроены в цепочку, закономерна мысль об их выполнении на конвейере, представляющем собой ряд соединенных друг с другом специализированных процессоров, каждый из которых выполняет лишь свою часть работы, после чего передает обрабатываемую команду следующему процессору по цепочке. Сам же он получает от предыдущего процессора следующую команду для исполнения соответствующей ее части. Темп выполнения команд при этом существенно ускоряется. Рассмотренный конвейерный метод выполнения команд представляет собой частный случай магистрального метода. В отличие от рассмотренного простого конвейера, в магистрали на отдельные составные части раскладывается также выполнение основной операции. Поскольку такие разложения для разных операций, вообще говоря, различны, в магистральном методе используется обычно несколько конвейерных линий с гибко перестраиваемыми связями между ними.

Особенно большой эффект подобное распараллеливание основной операции дает в случае сложных операций, характерных для интеллектуальных процессоров, при этом, чем сложнее операции, тем больший эффект может быть получен.

В идеале на магистральном процессоре последовательность команд может обрабатываться в темпе следования отдельных микроопераций или в темпе — один рабочий такт процессора (микротакт) на одну команду (при достаточной скорости внешних обменов).

Специализированные процессоры. Если ЭВМ предназначается для работы, в которой часто приходится использовать определенные виды сложных операций, в ее состав включают специализированные процессоры, предназначенные для быстрого выполнения этих операций. Наибольшее распространение получили векторные и матричные процессоры, в состав которых включается обычно несколько десятков элементарных процессоров для одновременного выполнения тех или иных операций над отдельными компонентами вектора или матрицы.

Наряду с векторно–матричными процессорами достаточно широкое распространение получили процессоры, ориентированные на задачи спектрального анализа сигналов (быстрое преобразование Фурье), задачи интерполяции и на ряд других применений.

Микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволили создать процессоры, полностью размещаемые на одном кристалле. Вначале разрядность таких процессоров была очень низкой (4 двоичных разряда), что фактически не позволяло использовать их как отдельные устройства. По мере увеличения уровня интеграции оказалось возможным повысить разрядность однокристальных микропроцессоров до 8, а потом и до 32 двоичных разрядов.

Важнейшим качеством микропроцессоров, помимо миниатюрных размеров и малого энергопотребления, является их относительно низкая стоимость. Благодаря этому качеству микропроцессоры и строящиеся на их основе микро–ЭВМ и ПЭВМ находят широкий класс применений, для которых применение ЭВМ прежних поколений было экономически невыгодно.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.