¿Recomienda un libro detallado sobre los principios de las microcomputadoras?
Antes de comprender el principio de funcionamiento de la CPU, hablemos brevemente sobre cómo se produce la CPU. Los chips de CPU contienen millones de delicados transistores. Los transistores se graban químicamente o se fotolitografian en obleas de silicio del tamaño de una uña. Entonces, en este sentido, una CPU está formada por una combinación de transistores. En pocas palabras, los transistores son pequeños interruptores electrónicos que forman parte de la CPU. Puedes considerarlos como interruptores de luz. Tienen un bit de funcionamiento que representa dos estados: ENCENDIDO y APAGADO. Este encendido y apagado es equivalente al encendido y apagado del transistor, ¡y estos dos estados corresponden a los estados binarios básicos "0" y "1"! De esta forma, la computadora tiene la capacidad de procesar información.
Pero no creas que el principio del transistor y sus simples estados "0" y "1" es simple, de hecho, el desarrollo del transistor es el resultado de muchos años de arduo trabajo. científicos. Antes de la llegada de los transistores, las computadoras dependían de interruptores mecánicos y tubos de vacío lentos e ineficientes para procesar la información. Posteriormente, los investigadores colocaron dos transistores en un cristal de silicio, creando el primer circuito integrado y más tarde el microprocesador.
Viendo esto, debes estar preguntándote cómo los transistores utilizan las dos señales electrónicas "0" y "1" para ejecutar instrucciones y procesar datos, ¿verdad? De hecho, todos los dispositivos electrónicos tienen sus propios circuitos e interruptores. El flujo o la desconexión del flujo de electrones en el circuito está completamente controlado por el interruptor. Si el interruptor está en APAGADO, el flujo de electrones se detendrá si está en ENCENDIDO. De nuevo, el flujo de electrones continuará. Este interruptor de encendido y apagado del transistor está controlado únicamente por señales electrónicas. Podemos llamar al transistor un dispositivo binario. De esta manera, el estado encendido del transistor se representa mediante "1" y el estado apagado se representa mediante "0", formando el número binario más simple. Secuencias y patrones específicos de múltiples "1" y "0" producidos por muchos transistores pueden representar diferentes situaciones, como letras, números, colores y formas. Por ejemplo, 1 en decimal también es "1" en modo binario, 2 es "10" en modo binario, 3 es "11", 4 es "100" y 4 es "0". "100", 5 es "101", 6 es "110", y así sucesivamente, formando el lenguaje binario y los datos utilizados en el trabajo informático. Se combinan grupos de transistores para almacenar valores numéricos y realizar operaciones lógicas y numéricas. Bajo el control de un reloj de cuarzo, grupos de transistores realizan sus funciones de forma sincrónica, como una máquina compleja.
Estructura interna de la CPU
Ahora que conocemos el papel de la CPU, ¿cuáles son las partes que procesan datos y ejecutan programas?
1. Unidad Aritmético Lógica (ALU)
ALU es el núcleo de la unidad aritmética. Se basa en un sumador completo, complementado por un registro de desplazamiento y los circuitos lógicos de control correspondientes. Bajo la acción de señales de control, puede completar las cuatro operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, división y varias operaciones lógicas. Como se mencionó anteriormente, esto es el equivalente a una línea de producción en una fábrica, responsable de calcular los datos.
2. Conjunto de Registros RS (Conjunto de Registros o Registros)
RS es esencialmente un espacio de almacenamiento temporal de datos en la CPU. Almacena datos en espera de ser procesados o datos que han sido procesados. procesado Para los datos, el tiempo utilizado por la CPU para acceder a los registros es más corto que el de acceder a la memoria. El uso de registros reduce la cantidad de veces que la CPU accede a la memoria, aumentando así la velocidad de la CPU. Sin embargo, debido a las limitaciones en el área del chip y la integración, la capacidad del conjunto de registros no puede ser grande. El grupo de registros se puede dividir en registros de propósito especial y registros de propósito general. Los registros especiales tienen funciones fijas y guardan los datos correspondientes. Los registros de propósito general tienen una amplia gama de usos y pueden ser especificados por el programador. El número de registros de propósito general varía de un microprocesador a otro.
3. Unidad de control
Al igual que el departamento de logística y distribución de una fábrica, la unidad de control es el centro de mando y control de toda la CPU. Está formada por el registro de instrucciones IR. (Registro de instrucciones) y el decodificador de instrucciones. Consta de tres partes: ID (Decodificador de instrucciones) y controlador de operación 0C (Controlador de operación). El controlador de operación) consta de tres partes y es extremadamente importante para coordinar el trabajo ordenado de toda la computadora. De acuerdo con el programa preprogramado por el usuario, recupera secuencialmente instrucciones de la memoria, las coloca en el registro de instrucciones IR, determina qué operaciones deben realizarse mediante la decodificación (análisis) de instrucciones y luego opera el controlador OC de acuerdo con el programa determinado. secuencia de tiempo al correspondiente El componente emite señales de control de microoperación. El controlador de operación OC incluye principalmente lógica de control como generador de impulsos, matriz de control, generador de impulsos de reloj, circuito de reinicio y circuito de arranque y parada.
4. Autobús
Al igual que el canal de comunicación entre varios componentes en una fábrica, el autobús es en realidad un conjunto de cables y varias líneas de señal pública. Un conjunto de computadoras utilizadas como " autopista" para que todos los componentes de la computadora transmitan información. Un bus conectado directamente a la CPU puede denominarse bus local. Estos incluyen: bus de datos DB (bus de datos), bus de direcciones AB (bus de direcciones), bus de control CB (bus de control). Entre ellos, el bus de datos se utiliza para transmitir información de datos; el bus de direcciones se utiliza para transmitir información de dirección enviada por la CPU; el bus de control se utiliza para transmitir señales de control, señales de sincronización e información de estado.
Flujo de trabajo de la CPU
La CPU está compuesta por transistores y es el núcleo para procesar datos y ejecutar programas. El nombre completo en inglés es Central Processing Unit, es decir, unidad central de procesamiento: Central Processing. Unidad, es decir, dispositivo de unidad central de procesamiento. En primer lugar, la estructura interna de la CPU se puede dividir en tres partes: la unidad de control, la unidad de operación lógica y la unidad de almacenamiento (incluidos los buses internos y los buffers). El principio de funcionamiento de la CPU es como el procesamiento de productos en. una fábrica: después de que las materias primas ingresan a la fábrica (instrucciones del programa), a través de la programación y distribución del departamento de distribución de materiales (unidad de control), se envían a la línea de producción (unidad de operación lógica) para producir productos terminados (datos procesados), luego se almacena en la línea de producción (datos de la unidad de operación lógica), luego se almacena en el almacén (unidad de almacenamiento) y finalmente espera ser enviado al mercado para la venta (entregado a la aplicación). En este proceso, notamos que el trabajo formal comienza desde la unidad de control y la CPU, el proceso intermedio es el procesamiento aritmético a través de la unidad de operación lógica y la entrega a la unidad de almacenamiento representa el final del trabajo.
Datos e instrucciones en la CPU
Acabamos de presentar la composición y los principios básicos de la CPU. Ahora, echemos un vistazo a cómo se ejecutan los datos en la CPU. Sabemos que los datos del dispositivo de entrada fluyen a través de la memoria y esperan el procesamiento por parte de la CPU. La información a procesar se almacena en bytes, es decir, se utilizan números binarios de 8 bits o 8 bits como unidad de almacenamiento. pueden ser datos o instrucciones. La información puede ser datos o instrucciones. Los datos pueden ser representaciones binarias de caracteres, números, colores, etc. Las instrucciones le dicen a la CPU qué hacer con los datos, como sumar, restar o desplazar.
Supongamos que los datos en la memoria son los datos primitivos más simples. Primero, el puntero de instrucción le dice a la CPU en qué memoria debe colocar la instrucción que se ejecutará. Dado que cada unidad de almacenamiento en la memoria tiene un número (llamado dirección), los datos se pueden recuperar en función de estas direcciones y enviarse a la unidad de control a través del bus de direcciones. El decodificador de instrucciones obtiene la instrucción del registro de instrucciones IR, la convierte en un formato que la CPU pueda ejecutar y luego determina las operaciones necesarias para completar la instrucción. Le dirá a la unidad lógica aritmética (ALU) cuándo realizar cálculos, le dirá al decodificador de instrucciones cuándo traducir instrucciones, etc.
Si se envían datos a la ALU, los datos realizan operaciones aritméticas y varias otras operaciones especificadas en la instrucción. Una vez que se procesan los datos, se devuelven al registro, donde se pueden ejecutar mediante diferentes instrucciones o enviarse al búfer de datos a través del bus DB.
Básicamente, así es como la CPU completa las tres tareas básicas de leer datos, procesar datos y escribir datos en la memoria.
Pero en términos generales, una instrucción puede contener muchas operaciones realizadas en un orden determinado, y es trabajo de la CPU ejecutar estas instrucciones. Después de completar una instrucción, la unidad de control de la CPU le dice al lector de instrucciones que lea la siguiente instrucción de la memoria y la ejecute. Este proceso se repite, ejecutando rápidamente instrucción tras instrucción, y finalmente produce los resultados que ve en su monitor. Es fácil imaginar que al procesar tantas instrucciones y datos, definitivamente habrá caos debido al retraso en la transferencia de datos y el retraso en el procesamiento de la CPU. Para garantizar que cada operación se realice a tiempo, la CPU necesita un reloj para controlar cada operación que realiza la CPU. El reloj es como un metrónomo, enviando constantemente pulsos que determinan la velocidad de funcionamiento y el tiempo de procesamiento de la CPU, que es la familiar velocidad nominal de la CPU, también conocida como frecuencia principal. Cuanto mayor sea el valor de la frecuencia del reloj, más rápido funcionará la CPU.
Cómo mejorar la eficiencia de la CPU
Dado que el trabajo principal de la CPU es ejecutar instrucciones y procesar datos, la eficiencia será el foco de la CPU, por lo que los proveedores de CPU son haciendo todo lo posible para que la CPU procese los datos más rápido.
Dependiendo de la estructura informática interna de la CPU, algunos fabricantes añaden otra unidad lógica aritmética (ALU) o una unidad de punto flotante (FPU) adicional a la CPU para manejar datos muy grandes y muy pequeños, lo que supone una gran ventaja. acelerar el procesamiento de datos.
En términos de eficiencia de ejecución, algunos proveedores mejoran la velocidad de ejecución de las instrucciones mediante canalización o ejecución casi paralela. Como mencionamos anteriormente, la ejecución de instrucciones requiere muchas operaciones independientes, como buscar y decodificar. Originalmente, la CPU tenía que ejecutar una instrucción en su totalidad antes de ejecutar la siguiente, ahora estas operaciones se realizan de forma individual mediante circuitos distribuidos; Es decir, siempre que un circuito en esta parte del circuito complete un trabajo, el segundo trabajo ocupará inmediatamente el circuito, mejorando así en gran medida la eficiencia en la ejecución.
Además, para que la conexión entre instrucciones sea más precisa, las CPU actuales suelen utilizar múltiples predicciones para controlar de forma más eficaz la ejecución de las instrucciones.