Peruskonseptit
Keskusyksikkö (CPU, Central Processing Unit) on erittäin suurikokoinen integroitu piiri, joka on tietokoneen ydin ja ohjausyksikkö. . Sen tehtävänä on pääasiassa tulkita tietokoneen ohjeita ja käsitellä tietoja tietokoneohjelmistoissa. Keskusyksikkö sisältää pääasiassa aritmeettisia yksiköitä (aritmeettinen logiikkayksikkö, ALU, aritmeettinen logiikkayksikkö) ja nopea puskurimuisti (Cache) ja väylä (Bus), joka toteuttaa datan (Data), ohjauksen ja yhteyden tilan niiden välillä. . Sitä yhdessä sisäisen muistin (muisti) ja tulo/lähtö (I/O) -laitteiden kanssa kutsutaan elektronisen tietokoneen kolmeksi ydinkomponentiksi.
CPU voidaan loogisesti jakaa kolmeen moduuliin, jotka ovat ohjausyksikkö, aritmeettinen yksikkö ja tallennusyksikkö. Nämä kolme osaa on yhdistetty CPU:n sisäisellä väylällä.
Moduulijako
CPU:n perustehtävä on suorittaa käskyjä. Tietokoneelle se on lopulta sarja "0" ja "1". CPU voidaan jakaa loogisesti kolmeen moduuliin, jotka ovat ohjausyksikkö, aritmeettinen yksikkö ja tallennusyksikkö. Nämä kolme osaa on yhdistetty CPU:n sisäisellä väylällä. Kuten alla:
Ohjausyksikkö
Ohjausyksikkö on koko CPU:n komento- ja ohjauskeskus, joka koostuu käskyrekisteristä IR (Instruction Register), käskydekooderin ID (Instruction Decoder) ja toiminnasta OC (Operation Controller) jne. ovat erittäin tärkeitä koordinoinnin kannalta. koko tietokoneen säännöllistä toimintaa. Se hakee jokaisen käskyn muistista vuorotellen käyttäjän ohjelmoiman ohjelman mukaisesti, tallentaa sen käskyrekisteriin IR, määrittää käskydekoodauksella (analyysillä) mikä toiminto tulee suorittaa ja käyttää sitten ohjainta OC määrätyn ajoituksen mukaisesti. , Lähetä mikrotoiminnan ohjaussignaalit vastaaville komponenteille. Toimintaohjain OC sisältää pääasiassa ohjauslogiikkaa, kuten lyöntipulssigeneraattorin, ohjausmatriisin, kellopulssigeneraattorin, nollauspiirin ja käynnistys-pysäytyspiirin.
Aritmeettinen yksikkö
on aritmeettisen yksikön ydin. Se voi suorittaa aritmeettisia operaatioita (mukaan lukien perusoperaatioita, kuten kertojien yhteen- ja vähennyslaskuja ja lisätoimintoja) ja loogisia operaatioita (mukaan lukien siirto, looginen testaus tai kahden arvon vertailu). Ohjausyksikköön nähden aritmeettinen yksikkö hyväksyy ohjausyksikön käskyn toimia, eli kaikki aritmeettisen yksikön suorittamat toiminnot ohjataan ohjausyksikön antamalla ohjaussignaalilla, joten se on suorituskomponentti.
Varastointiyksikkö
Mukaan lukien CPU on-chip -välimuisti ja rekisteriryhmä, se on paikka, johon tiedot tallennetaan väliaikaisesti CPU:ssa, joka tallentaa käsittelyä odottavat tiedot tai käsitellyt tiedot. Aika, joka kuluu CPU:lta pääsyyn rekistereihin, on lyhyempi kuin aika, joka kuluu muistiin pääsyyn. Rekistereiden käyttö voi vähentää sitä, kuinka monta kertaa CPU käyttää muistia, mikä lisää CPU:n työnopeutta. Sirualueen ja integroinnin rajoituksista johtuen rekisteripankin kapasiteetti ei kuitenkaan voi olla kovin suuri. Rekisteriryhmä voidaan jakaa erikoisrekisteriin ja yleisrekisteriin. Erikoisrekisterin toiminta on kiinteä, rekisteröi vastaavat tiedot erikseen. Yleiskäyttöiset rekisterit ovat monipuolisia ja ohjelmoijan voi määrittää ne. Yleiskäyttöisten rekisterien määrä vaihtelee mikroprosessorittain.
CPU:n looginen yksikkö
Toteutettujen toimintojen näkökulmasta CPU voidaan jakaa karkeasti seuraaviin kahdeksaan loogiseen yksikköön:
(1) Ohjerekisteri: se on sirulla oleva ohjevarasto. Sen avulla CPU:n ei tarvitse pysähtyä ja etsiä ohjeita tietokoneen muistista, mikä parantaa huomattavasti CPU:n laskentanopeutta.
(2) Käskydekooderi: Se vastaa monimutkaisten konekielisten käskyjen tulkinnasta yksinkertaiseen muotoon, jota aritmeettinen logiikkayksikkö (ALU) ja rekisterit ymmärtävät, aivan kuten diplomaatti.
(3) Ohjausyksikkö: Koska ohjeet voidaan tallentaa prosessoriin, ja siellä on vastaavat ohjeet valmistelevan työn suorittamiseen ennen laskentaa, sen takana on luonnollisesti ohjaava rooli - se vastaa koko käsittelyprosessista. ohjain. Dekoodausyksikön ohjeiden mukaan se generoi ohjaussignaaleja kertomaan aritmeettiselle logiikkayksikölle (ALU) ja rekisteröi, kuinka toimia, mitä toimia ja miten tulos käsitellään.
(4) Rekisteröinti: Se on erittäin tärkeää CPU:lle. Sen lisäksi, että se tallentaa osan ohjelman käskyistä, se vastaa myös osoittimen hyppytietojen ja silmukan toimintakomentojen tallentamisesta. Se on aritmeettinen logiikkayksikkö (ALU) täydennystä varten. Pieni tallennusalue ohjausyksikön pyytämän tehtävän käyttämille tiedoille. Tietolähde voi olla mikä tahansa välimuisti, muisti ja ohjausyksikkö.
(5) Logic Operation Unit (ALU): Se on CPU-sirun älykäs komponentti, joka pystyy suorittamaan erilaisia komentoja, kuten yhteen-, vähennys-, kerto- ja jakolaskuja. Lisäksi se osaa myös lukea loogisia komentoja, kuten OR, AND ja NOT. Ohjausyksikön viesti kertoo aritmeettiselle logiikkayksikölle, mitä tehdä, ja sitten aritmeettinen yksikkö poimii ajoittain tai jatkuvasti tietoja rekisteristä suorittaakseen lopullisen tehtävän.
(6) Esihakuyksikkö: PU-suorituskyky riippuu suuresti siitä. Esihaun osumataajuus on suoraan verrannollinen suorittimen ytimen käyttöasteeseen, mikä puolestaan aiheuttaa eron käskyjen suoritusnopeuteen. Komennon tai suoritettavan tehtävän vaatimusten mukaisesti esihakuyksikkö voi milloin tahansa saada tietoja ja ohjeita käskyvälimuistista tai tietokoneen muistista. Ohjeiden saapuessa esihakuyksikön tärkein tehtävä on varmistaa, että kaikki ohjeet on järjestetty oikein ja lähetetään sitten dekoodausyksikköön.
(7) Väyläyksikkö: Se on kuin valtatie, joka suorittaa nopeasti tiedonsiirron eri yksiköiden välillä, ja se on myös paikka, jossa data virtaa CPU:hun ja sieltä pois muistista.
(8) Data Cache: Tallentaa erityisesti merkityt tiedot dekoodausyksiköstä loogisen käyttöyksikön käytettäväksi. Samalla se myös valmistelee lopputulokset, jotka jaetaan tietokoneen eri osiin.
Yllä olevan johdannon kautta voidaan nähdä, että vaikka prosessori on pieni, se mahtuu ison maailman neliötuumaan. Sisustus on enemmän kuin kehittynyt kokoonpanotehdas, lukittuva ja kerroksellinen. Juuri keskinäisen yhteistyön ansiosta käskyt lopulta toteutuvat, mikä muodostaa maagisen digitaalisen maailman kuvineen, teksteineen ja kuvineen.
Päätoiminnot
Käsittelyohjeet
Englanti käsittelyohjeet; tämä viittaa ohjausohjelman käskyjen suoritusjärjestykseen. Ohjelman käskyjen joukossa on tiukka järjestys, joka on suoritettava tiukasti ohjelman määräämässä järjestyksessä tietokonejärjestelmän oikeellisuuden varmistamiseksi.
Suorita toiminto
englanti Suorita toiminto; käskyn toiminto toteutetaan usein sarjalla tietokoneen komponenttien suorittamia operaatioita. CPU:n tulee generoida vastaavat toiminnan ohjaussignaalit käskyn toiminnan mukaisesti ja lähettää ne vastaaville komponenteille ohjatakseen näitä komponentteja toimimaan käskyn vaatimusten mukaisesti.
Hallitse aikaa
Englanti Hallitse aikaa; ajanhallinta on eri toimintojen ajoitusta. Ohjetta suoritettaessa tulee tarkasti valvoa, mitä toimintoja milloin tahansa suoritetaan. Vain tällä tavalla tietokone voi toimia asianmukaisesti.
Tietojen käsittely
Tämä tarkoittaa aritmeettisten ja loogisten operaatioiden suorittamista tiedoille tai muuta tietojenkäsittelyä.
Sen tehtävänä on pääasiassa tulkita tietokoneen käskyjä ja käsitellä tietoja tietokoneohjelmistoissa sekä suorittaa käskyjä. Mikrotietokoneessa sitä kutsutaan myös mikroprosessoriksi. Prosessori ohjaa kaikkia tietokoneen toimintoja. CPU:n suorituskykyindeksi määrittää suoraan mikrotietokonejärjestelmän suorituskykyindeksin. CPU:lla on seuraavat neljä perustoimintoa: tiedonsiirto, resurssien jakaminen, hajautettu käsittely ja järjestelmän luotettavuus. Toimintaperiaate voidaan periaatteessa jakaa neljään vaiheeseen: Hae, Decode, Execute ja Writeback.