Funciones básicas de un procesador (PU)
1 Funciones y Componentes de una Unidad Central de Procesamiento
1.1 Funciones de una Unidad Central de Procesamiento
Una vez cargado el programa en el almacén de memoria, las instrucciones se obtienen y la computadora puede completar automáticamente las tareas realizadas.
La unidad central de procesamiento es extremadamente importante para el funcionamiento de todo el sistema informático. Tiene las siguientes cuatro funciones básicas:
(1) Control de instrucciones El control de secuencia del programa es. llamado sistema de instrucción. Dado que el programa se compone de una serie de instrucciones, el orden mutuo de estas instrucciones no se puede invertir arbitrariamente y debe realizarse en estricta conformidad con el orden especificado por el control. Por lo tanto, es necesario asegurarse de que la máquina realice lo básico. tareas de la CPU en orden.
(2) La función de control aritmético de una instrucción a menudo se realiza combinando varias señales aritméticas. Por lo tanto, la CPU gestiona y genera las señales aritméticas de cada instrucción extraída de la memoria y envía varias señales. a los componentes correspondientes para controlar estos componentes para realizar las acciones requeridas por las instrucciones.
(3) Control de tiempo El tiempo de varias operaciones se llama control de tiempo. Porque en una computadora, las señales de operación de varias instrucciones están estrictamente sincronizadas. Por otro lado, todo el proceso de ejecución de instrucciones también está sujeto a un estricto control temporal. Sólo así el ordenador podrá funcionar de forma automática y ordenada.
(4) Formato de datos El llamado procesamiento de datos es el proceso de realizar operaciones aritméticas y operaciones lógicas sobre datos. Completar el procesamiento de datos es la tarea básica de la CPU. Porque la información en bruto sólo puede ser útil para las personas después de procesarla.
1.2 Composición básica de la CPU
Una CPU tradicional consta de dos partes: unidad aritmética y controlador. Pero con el avance de la tecnología, las partes básicas de la CPU ahora se han convertido en tres partes principales: unidad aritmética, caché y controlador.
(1) El controlador se compone de contador de programa, registro de instrucciones, decodificador de instrucciones, generador de temporización y controlador de operación. Es el "mecanismo de toma de decisiones" que emite comandos, es decir, completa la operación. de todo el sistema informático. Las funciones principales del controlador son: almacenar una instrucción y señalar la ubicación de la siguiente instrucción en la memoria; decodificar o detectar la instrucción y generar señales de control de operación correspondientes para iniciar acciones específicas y controlar la CPU, la memoria y la dirección; del flujo de datos entre dispositivos de entrada/salida.
(2) Operador Consta de unidad lógica aritmética (ALU), registro de acumulación, controlador de búfer de datos y registro de condición de estado, y es una parte integral del procesamiento de datos. En relación con el controlador, la unidad aritmética acepta instrucciones del controlador y realiza acciones. Es decir, todas las operaciones realizadas por la unidad aritmética son instruidas por el controlador mediante el envío de señales, por lo que es un componente de ejecución. El instrumento operativo tiene dos funciones: realiza todas las operaciones aritméticas, realiza todas las operaciones lógicas y pruebas lógicas, como un valor de prueba cero o una comparación de dos valores. Generalmente, las operaciones aritméticas producen un resultado aritmético, mientras que las operaciones lógicas producen un resultado de juicio.
La tecnología de microprogramación es una tecnología que utiliza métodos de software para diseñar controladores informáticos. Tiene muchas ventajas, como estandarización, flexibilidad y facilidad de mantenimiento. Por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en el diseño de computadoras y ha reemplazado el cableado físico inicial. tecnología. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología VISI y los requisitos de velocidad de la máquina, la idea de la lógica cableada volvió a ganar protagonismo. La idea básica de un controlador cableado: la señal de control de microoperación es una función lógica de la salida de decodificación del código de operación de instrucción, la señal de sincronización y la señal de condición de estado, es decir, usar álgebra booleana para escribir la expresión lógica, y luego usando circuitos de puerta, flip-flops y otros dispositivos para lograrlo.
2. Ciclo de instrucción
Cada vez que la CPU recupera y ejecuta una instrucción, debe completar una serie de operaciones. El tiempo requerido para esta serie de operaciones generalmente se denomina ciclo de instrucción. . En pocas palabras, un ciclo de instrucción es el tiempo que lleva buscar y ejecutar una instrucción. Dado que las funciones operativas de varias instrucciones son diferentes, algunas son simples y otras complejas, los ciclos de instrucción de varias instrucciones también son diferentes. Por ejemplo, el ciclo de instrucción para instrucciones de acceso es diferente del ciclo de instrucción para instrucciones que no son de acceso.
Los ciclos de instrucción generalmente se expresan en términos del número de ciclos de CPU (también llamados ciclos de máquina). Debido a que las operaciones dentro de la CPU son rápidas y a la CPU le toma mucho tiempo acceder a la memoria una vez, un ciclo de la CPU generalmente se especifica en términos del tiempo mínimo requerido para leer una palabra de instrucción de la memoria. Esto significa que la fase de recuperación de una instrucción (a menudo llamada recuperación) toma un ciclo de CPU. El tiempo de ciclo de una CPU incluye varios ciclos de reloj (a menudo llamados pulso de tic o ciclo T, que es la unidad más básica de operaciones de procesamiento).
3. Pipeline CPU
Pipeline CPU es un procesador construido según el principio de concurrencia de tiempo. Es una tecnología paralela muy económica y práctica. Los procesadores de alto rendimiento actuales casi sin excepción utilizan tecnología de canalización. En la tecnología de tuberías, los principales problemas están relacionados con los recursos, los datos y el control, por lo que es necesario adoptar las correspondientes medidas técnicas. Para garantizar un flujo fluido e ininterrumpido de la línea de montaje.
En las computadoras canalizadas modernas, la CPU está organizada en forma de canalización y generalmente consta de tres partes: el componente de instrucción, la cola de instrucciones y el componente de ejecución. Estos tres componentes funcionales pueden formar tres canales.
El componente de instrucción en sí constituye otra canalización, es decir, la canalización de instrucciones, que consta de varios segmentos de proceso, como la búsqueda de instrucciones, la decodificación de instrucciones, la dirección de operación de la computadora y la búsqueda de operandos.
La cola de instrucciones es una pila de registros de primero en entrar, primero en salir (FIFO) que se utiliza para almacenar instrucciones decodificadas y operandos recuperados. También es una tubería compuesta por múltiples procesos.
El componente de ejecución puede tener múltiples componentes de operación lógica y aritmética, y estos componentes en sí están compuestos en forma de canalización.
Para hacer coincidir el tiempo de acceso del dispositivo de almacenamiento con la velocidad de otros segmentos del proceso en la tubería, se utiliza una memoria serial de múltiples cuerpos.
Los sistemas informáticos pueden utilizar canalizaciones en diferentes niveles de paralelismo. Las formas comunes de canalizaciones son:
Paralelización de pasos de instrucción en una canalización de instrucciones. El procesamiento del flujo de instrucciones se divide en múltiples segmentos de procesamiento paralelo, como buscar instrucciones, decodificar, buscar operandos, ejecutar y reescribir. Actualmente, casi todas las computadoras de alto rendimiento utilizan tecnología de canalización de instrucciones.
La canalización aritmética se refiere a pasos de operaciones aritméticas paralelas. Como ejecutar sumadores, ejecutar multiplicadores, ejecutar divisores, etc.
La canalización periférica, también conocida como macrocanalización, se refiere a la paralelización de los pasos del programa.
4. CPU RISC y CPU multimedia
La CPU RISC se desarrolla basándose en heredar la exitosa tecnología de CISC y superar las deficiencias de las máquinas CISC:
Las tres. Los elementos básicos de una máquina RISC son: (1) un conjunto limitado de instrucciones simples (2) una CPU con una gran cantidad de registros funcionales (3) un énfasis en la optimización del proceso de instrucciones; Tenga en cuenta que una máquina RISC debe ser una CPU canalizada, pero una CPU canalizada no tiene por qué ser una máquina RISC.
La CPU multimedia es un procesador que utiliza tecnología MMX, que es una tecnología de arquitectura extendida multimedia que es particularmente adecuada para el procesamiento de datos de imágenes y puede mejorar en gran medida las capacidades de la computadora en aplicaciones multimedia y de comunicación. Las CPU multimedia representadas por la nueva generación de CPU Pentium han comenzado a adoptar una nueva arquitectura de un solo flujo de instrucciones y múltiples datos.