Основы ЦП
Центральный процессор — это процессор, представляющий собой схему, которая управляет обработкой данных в компьютере. В основном он состоит из трех частей: арифметико-логического блока, блока управления и блока регистров. Их роли заключаются в выполнении вычислений, координации действий машины и их временном хранении соответственно.
ЦП и основная память
Регистры в ЦП делятся на регистры общего назначения и регистры специального назначения.Регистры общего назначения используются для временного хранения данных, которые использует ЦП, а регистры специального назначения используются для конкретных целей ЦП, таких как инструкции регистры и программные счетчики. ЦП связывается с основной памятью через шину, и ЦП может управлять данными в основной памяти через блок управления.
Процесс выполнения сложения двух значений примерно таков: прочитать первое значение из основной памяти и поместить его в регистр 1 -> прочитать второе значение из основной памяти и поместить его в регистр 2 -> значения на вход подаются сохраненные в двух регистрах В схему сложения -> сохранить результат сложения в регистр 3 -> блок управления помещает результат в основную память.
Эквивалентные данные программы
Первоначальный компьютер не хранил программы, как современные компьютеры, люди в прошлом сохраняли только данные, а действия, выполняемые устройством, были встроены в блок управления как часть компьютера. Это очень негибко, и в лучшем случае его можно улучшить, перемонтировав проводку. Представление о программах и данных как об одной и той же природе является большим прорывом, потому что люди всегда думали, что это разные вещи, что данные должны находиться в оперативной памяти, а программы должны быть частью ЦП.
Хранение программ в виде данных в основной памяти имеет то преимущество, что позволяет читать программы из основной памяти, декодировать их и выполнять. Когда мы хотим изменить исполнительную программу, мы можем изменить ее в основной памяти компьютера без необходимости изменять или перемонтировать ЦП.
система команд
Программа содержит большое количество машинных инструкций, которые процессор декодирует и выполняет. ЦП делятся на две категории: компьютеры с сокращенным набором команд (RISC) и компьютеры со сложным набором инструкций (CISC). RISC обеспечивает наименьший набор машинных инструкций, высокую эффективность компьютера, высокую скорость и низкую стоимость производства. CISC предоставляет мощный и богатый набор инструкций, который упрощает реализацию сложного программного обеспечения.
Машинные инструкции делятся на три категории: передача данных, арифметика/логика и управление.
Инструкции класса передачи данных используются для перемещения данных из одного места в другое. Например, инструкция LOAD, загружающая содержимое блока основной памяти в регистр, и наоборот, инструкция STORE, сохраняющая содержимое регистра в основную память. Кроме того, инструкции ЦП для связи с другими устройствами (клавиатурой, мышью, принтером, монитором, диском и т. д.) называются инструкциями ввода-вывода.
Инструкции арифметико-логического класса используются для того, чтобы заставить блок управления запрашивать выполнение операции внутри арифметико-логического блока. Эти операции включают арифметические операции, И, ИЛИ, XOR и сдвиг.
Инструкции класса управления используются для управления выполнением программы. Например, инструкция перехода (JUMP), которая включает в себя безусловный переход и условный переход.
Регистр команд и счетчик команд
ЦП загружает инструкции в основную память, декодирует и выполняет их, что включает в себя два важных регистра: регистр инструкций и счетчик программ. Регистр инструкций используется для хранения выполняемой инструкции, а программный счетчик содержит адрес следующей выполняемой инструкции.
ЦП запрашивает основную память для загрузки инструкции по адресу, указанному программным счетчиком, сохраняет ее в регистре команд и после загрузки увеличивает значение программного счетчика на 2 (если длина инструкции составляет 2 байта).
Как выполняется заказ
Например, если мы хотим вычислить 11+22, предположим, что процесс таков: загрузить содержимое адреса основной памяти 00 в регистр 1 -> загрузить содержимое адреса основной памяти 01 в регистр 2 -> загрузить данные регистра 1 и регистр 2 Добавить и сохранить результат в регистр 3 -> сохранить результат регистра 3 в основную память по адресу 02 -> стоп.
Этот процесс CPU включает в себя четыре операции: load (загрузить), store (сохранить), add (добавить) и stop (остановить). Эти операции могут быть закодированы, например, 1, 2, 3, 0000 соответственно.
1100
1201
3312
2302
0000
контроллер
Связь между ЦП и другими устройствами обычно осуществляется через контроллер, который может быть на основной плате или может быть подключен к основной плате в виде печатной платы. Сам контроллер можно рассматривать как небольшой компьютер с собственным простым процессором. В прошлом для каждого периферийного устройства требовалось приобрести соответствующий контроллер, но теперь, когда универсальная последовательная шина (USB) стала универсальным стандартом, многие периферийные устройства могут напрямую использовать контроллер USB в качестве коммуникационного интерфейса. Каждый контроллер подключен к шине и обменивается данными через нее.
Каждый контроллер может быть спроектирован так, чтобы соответствовать набору ссылок на адреса, которые игнорируются основной памятью. Когда ЦП отправляет сообщение по этим адресам, оно на самом деле идет напрямую через основную память к контроллеру, оперируя контроллером, а не основной памятью. Этот шаблон называется вводом/выводом с отображением памяти. Кроме того, другая реализация этого шаблона может предоставлять определенные коды операций в машинных инструкциях, специально для связи с контроллером, такие коды операций называются инструкциями ввода-вывода.
прямой доступ к памяти
Прямой доступ к памяти (DMA) — это мера повышения производительности периферийной связи.ЦП не всегда должен использовать шину, и контроллер может полностью использовать ее, когда шина простаивает. Поскольку все контроллеры подключены к шине, и контроллеры могут выполнять инструкции, часть работы ЦП может быть возложена на контроллеры для выполнения. Например, при извлечении данных с диска ЦП может сообщить об этом контроллеру, который затем находит данные и помещает их в оперативную память, во время чего ЦП может выполнять другие задачи. Это экономит ресурсы процессора. Однако DMA усложняет обмен данными по шине и может вызвать конфликты на шине. Узкое место шины происходит из-за архитектуры фон Неймана.
Сосредоточьтесь на искусственном интеллекте, чтении и мышлении, расскажите о математике, информатике, распределенных технологиях, машинном обучении, глубоком обучении, обработке естественного языка, алгоритмах и структурах данных, глубине Java, ядре Tomcat и т. д.