system_mikroproc.doc

System mikroprocesorowy

Pojęcie systemu mikroprocesorowego

Przetwarzanie informacji odbywa się przy użyciu        systemu        mikroprocesorowego.

Najważniejszą częścią takiego systemu jest
układ przetwarzający informacje, czyli
procesor. Procesor przetwarza informacje
wykonując na niej elementarne operacje zwane
instrukcjami (rozkazami). Ciąg takich
instrukcji realizujący konkretne zadanie
przetwarzania              informacji              nazywamy

programem. Dlatego też do systemu mikroprocesorowego   oprócz   danych   należy

także dostarczyć także program lub zestaw programów, czyli oprogramowanie (software).

Procesor jest   układem   scalonym,   którego   działanie   polega  na   wykonywaniu   instrukcji

programów,   czyli jego  rolę  można  porównać  do  mózgu  człowieka.  Procesor nadzoruje

i synchronizuj e pracę wszystkich urządzeń w komputerze.

Poszczególne rodzaje procesorów różnią się od siebie poprzez inną architekturę (CISC lub

RISC), liczbę bitów przetwarzanych w jednym cyklu (mówimy np. o procesorze 16-, 32-, 64-

bitowym), czy też poprzez częstotliwość taktowania podawaną w MHz.

Pojęcie procesora jest często utożsamiane z pojęciem CPU (Central Processing Unit - główna

jednostka przetwarzania danych). W przypadku komputera jednoprocesorowego CPU oraz

procesor oznaczają dokładnie to samo i częściej używa się właśnie tego drugiego terminu. Kiedy

jednak na płycie głównej znajduje się więcej procesorów, to słowo CPU nabiera szerszego

znaczenia - jest zbiorczym określeniem wszystkich procesorów (nie należy więc używać

sformułowania typu „ten komputer posiada 2 CPU").

W   celu  stworzenia  efektywnie  pracującego   systemu  mikroprocesorowego   procesor  musi

współpracować z dodatkowymi układami, takimi jak pamięć oraz układy wejścia/wyjścia.

Znaczenie poszczególnych układów:

• CPU - przetwarzanie informacji oraz sterowanie pracą pozostałych układów systemu. W skład CPU wchodzą: mikroprocesor, zegar, koprocesor arytmetyczny oraz opcjonalnie sterownik magistral.

-    mikroprocesor przetwarza informacje i steruje pracą reszty układów,

-           zegar   systemowy   wytwarza  tzw.   przebiegi   czasowe   niezbędne   do   pracy
mikroprocesora i całego systemu,

-           sterownik magistral pośredniczy w sterowaniu magistralami, wytwarzając na
podstawie informacji z mikroprocesora sygnały sterujące pracą pamięci i układów
wejścia/wyjścia,

-           koprocesor   arytmetyczny   służy   do   wykonywania  numerycznych   obliczeń
zmiennoprzecinkowych.

•          Pamięć   -   przechowywanie   programów   (bloków   instrukcji)   w   miejscu,    skąd
mikroprocesor może je szybko,  bez zbędnego oczekiwania,  odczytywać.  W bloku
pamięci systemu stosuje się pamięci RAM (pamięć operacyjna) oraz ROM (np. BIOS).

•          Układy   wejścia/wyjścia   I/O-   pośredniczenie   w   wymianie   informacji   pomiędzy
mikroprocesorem i pamięcią systemu a urządzeniami zewnętrznymi w stosunku do
systemu - drukarka, monitor, stacja dysków.

•          Magistrala danych DB - przesyłanie danych, wyników oraz kodów instrukcji. Jest to
magistrala dwukierunkowa, tzn. informacje zarówno wypływają do mikroprocesora, jak i
są przez niego wysyłane do innych układów.

•          Magistrala  adresowa AB  -  przesyłanie  adresów komórek  pamięci  lub  układów
wejścia/wyjścia, z którymi chce się komunikować mikroprocesor. Jest to magistrala
jednokierunkowa, tzn. adresy są generowane przez mikroprocesor i są kierowane do
pamięci bądź układów wejścia/wyjścia.

•          Magistrala    sterująca    CB     -    sterowanie    pracą    układów    współpracujących
z mikroprocesorem oraz sygnalizowanie pewnych określonych stanów tych układów.

Budowa mikroprocesora

Podstawowa budowa procesora sprowadza się do jednostki wykonawczej EU (Execution Unit), która przetwarza informacje wykonując wszelkie operacje arytmetyczne i logiczne oraz jednostki sterującej CU, która określa rodzaj wykonywanych operacji. W skład jednostki wykonawczej wchodzą: jednostka arytmetyczno-logiczna ALU oraz zestaw

współpracujących z nią rejestrów. Informacją wejściową części wykonawczej są dane, zaś wyjściową wyniki (liczby, tekst, sygnały sterujące pracą urządzeń, itp.). W skład jednostki sterującej CU wchodzą: rejestr rozkazów IR, dekoder rozkazów i układ sterowania. W rejestrze rozkazów przechowywany jest kod aktualnie wykonywanego rozkazu. Kody rozkazów pobierane są do rejestru rozkazów z pamięci. Ciąg rozkazów tworzy program wykonywany przez system. Po pobraniu z pamięci kod rozkazu jest dekodowany w dekoderze rozkazów, czyli jest określane, jakiego rozkazu kod znajduje się w dekoderze rozkazów. Na tej podstawie układ sterowania wytwarza odpowiedni sygnał sterujący

Architektura procesora

CISC (Complex Instruction Set Computing - obliczenia z rozbudowanym zestawem instrukcji)

Według architektury CISC były tworzone już pierwsze procesory, które wyposażano w pełny zestaw instrukcji mający im zapewnić wykonanie każdego polecenia użytkownika (konkretnie programu). Z czasem okazało się jednak, że w 80 procentach wypadków było wykorzystywanych tylko 20 procent dostępnych instrukcji, a pozostałe tylko sporadycznie. Zaowocowało to bardziej zaawansowaną architekturą o nazwie RISC. Procesory montowane w pecetach, np. procesor Pentium, bazują na architekturze typu CISC.

RISC (Reduced Instruction Set Computing - obliczenia ze zredukowanym zestawem instrukcji)

Rodzaj architektury procesora, według której produkowane są najnowocześniejsze i najbardziej wydajne procesory, takie jak Alpha czy PowerPC. Architektura RISC charakteryzuje się przede wszystkim: nieliczną listą rozkazów (zawierającą tylko proste rozkazy wykonywane typowo w czasie jednego cyklu maszynowego), wyłącznie prostymi trybami adresowania (zwykle tylko adresowanie natychmiastowe, adresowanie bezpośrednie, adresowanie za pomocą rejestrów), dużą liczbą rejestrów uniwersalnych, wykonywaniem operacji arytmetycznych i logicznych wyłącznie na argumentach umieszczonych w rejestrach uniwersalnych, wykorzystaniem mechanizmów przyspieszających pracę procesora (praca potokowa, pamięć podręczna).

Słowniczek

MIPS (Million Instructions Per Second - milion instrukcji na sekundę)

Coraz rzadziej używany współczynnik mierzący moc obliczeniową procesorów. Określa on, ile

milionów instrukcji może przetworzyć dany procesor w ciągu sekundy.  Różne instrukcje

wymagają różnego zaangażowania się w nie procesora, a oprócz tego rzeczywista szybkość

komputera zależy j eszcze od innych czynników - takich jak szybkość dysków twardych, pamięci

RAM, magistrali danych, itp.

FLOPS (Floating Point Operations Per Second - operacje zmiennopozycyjne na sekundę)

Jednostka   wydajności    obliczeniowej    procesorów.    Jeden    FLOPS    to   jedna    operacja

zmiennopozycyjna wykonana w ciągu jednej   sekundy.   Moc  obliczeniową współczesnych

procesorów mierzy się w gigaflopsach (GFLOP).

częstotliwość taktowania

Jest to rytm pracy procesora w komputerze. Funkcję wyznaczającego ją metronomu pełni

kryształ krzemowy, który podaje procesorowi tempo działania (liczba cykli obliczeniowych na

sekundę). Pierwsze pecety IBM XT miały procesory działające z częstotliwością taktowania 4,77

MHz.  Obecnie produkuje się procesory w zakresie do 4 GHz. Zwiększanie częstotliwości

taktowania procesorów to nie jedyny sposób na wzrost ich szybkości działania. Ważna jest także

architektura, liczba przetwarzanych bitów w jednym cyklu, itd.

częstotliwość

Parametr określający, jak często w ciągu sekundy powtarza się jakieś cykliczne zjawisko, np.

ruch wahadła. Wartość częstotliwości jest podawana w hercach (oznaczane Hz), gdzie 1 Hz to

jedno drgnienie (wychylenie od stanu początkowego i powrót do niego) na sekundę.

herc

Jednostka miary częstotliwości opisująca liczbę drgań sygnału na sekundę. Sygnał 100 herców

(Hz) drga więc 100 razy na sekundę. W kilohercach (kHz) mierzy się np.  częstotliwość

próbkowania dźwięku, a w megahercach (MHz) częstotliwość taktowania procesora. Jednostka

herc pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Heinricha Hertza, który zajmował się min.

badaniem fal.