Структура центрального процессора: 19. Общая структура центрального процессора.

Продукты: Центральный процессор системы МПЦ RAIL LOCK 500

СОСТАВ

В состав центрального процессора входят два промышленных компьютера, один из которых постоянно находится в горячем резерве и при сбое в работе основного компьютера может приступить к выполнению его функций без прерывания работы МПЦ. Для обеспечения безопасности функционирования обработка ответственных данных в каждом компьютере центрального процессора системы МПЦ выполняется в двух каналах по схеме «2 из 2». В безопасных вычислительных каналах используются процессоры с разной архитектурой, разные операционные системы и диверсифицированное прикладное программное обеспечение.

За время каждого цикла обработки данных центральный процессор собирает и обрабатывает все данные о состоянии напольных объектов, передает эту информацию в виде индикации на АРМ, обрабатывает все данные о зависимостях, сравнивает на соответствие выходные данные, сопоставляет и передает приказы управления объектами.

В системе МПЦ могут быть использованы центральные процессоры R3 и R4 разных модификаций, что позволяет подобрать оптимальное техническое решение для каждого конкретного проекта. При необходимости в систему МПЦ может быть установлено несколько центральных процессоров.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР R4 НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Высокопроизводительный центральный процессор R4 нового поколения рассчитан на управление крупными станциями и целыми участками. В зону его действия может входить более 2000 логических объектов. Для связи с концентраторами системы передачи данных МПЦ центральный процессор R4 использует дублированную сеть Ethernet и стандартные протоколы TCP/IP. Высокопроизводительная сеть Ethernet и протоколы TCP/IP используются также для связи между платами процессорных устройств основного и резервного компьютера центрального процессора R4 с целью сравнения результатов обработки данных.

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР R4N

Отличительными особенностями устройства R4N являются высокая производительность (2000 логических объектов) и способность выполнять функции не только центрального процессора, но и центра радиоблокировки. Этот центральный процессор имеет модульную структуру и высокую ремонтопригодность, не требует внутренних систем охлаждения.

Система способна взаимодействовать с большинством систем автоматики вышестоящего уровня и адаптироваться для подключения к существующей напольной инфраструктуре рельсовых цепей. Номенклатура приемников и генераторов минимальна — один приемник и один генератор вне зависимости от частоты.

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР В ЗАЩИЩЕННОМ ИСПОЛНЕНИИ R4M

Центральный процессор R4M специально разработан для эксплуатации в самых жестких условиях окружающей среды. Он совершенно неприхотлив к условиям размещения, имеет герметичный корпус, может устанавливаться в помещении любого типа, а также в напольном климатическом шкафу, обеспечивающем диапазон температур от —20 до +70 °C, не требует внутренних и внешних систем охлаждения и вентиляции. Центральный процессор R4M обеспечивает управление и контроль до 1000 логических объектов.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР R3

Каждый комплект центрального процессора R3 может управлять 150 логическими объектами. Это многократно проверенное на практике недорогое устройство для внедрения МПЦ на небольших станциях. На более крупных станциях в систему МПЦ может быть включено несколько центральных процессоров R3.

CPU (ЦПУ) процессор — что такое процессор, центральный процессор и зачем нужен?

В статье расскажем о том, что такое ЦП (центральный процессор), рассмотрим функции процессора и разберем как он работает.

Процессор – это устройство, отвечающее за обработку информации. Его называют по-разному: центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) или central processing unit (CPU), но все эти термины обозначают элемент, который является “мозгом” вычислительного устройства (смартфона, телевизора, компьютера, планшета, фотоаппарата, сервера).

Процессор представляет собой квадратную пластину со стороной около 5 сантиметров, с одной стороны которой находятся, похожие на ножки, коннекторы. С их помощью он прикрепляется к материнской плате – специальному элементу для установки дополнительных расширений.

Мощность процессора отвечает за скорость обработки команд и сказывается на продуктивности работы.

Что делает процессор

Зачем нужен процессор в устройствах? Он осуществляет управление всеми вычислительными операциями и элементами. Функции, которые выполняет ЦП:

• выполняет операции с данными оперативной памяти.
• создает команды и обрабатывает запросы от внутренних компонентов или внешних устройств.
• временное хранит данные о проделанных операциях или отданных командах.
• выполняет логические и арифметические операции с полученной информацией.
• передает итоги обработки информации внешним устройствам.

Из чего состоит процессор

Центральный процессор это не конечная деталь. Он состоит из трех составных частей:

1. Ядро процессора.

Ядро отвечает за большую часть всех функций CPU. Оно выполняет расшифровку, чтение, отправку инструкций другим элементам или принимает инструкции от них. Одномоментно ядро способно выполнять только одну команду, происходит это за сотые доли секунд. Таким образом, наличие одного ядра говорит о том, что ПК или сервер будет выполнять все инструкции поочередно. Современное оборудование редко использует одноядерные процессоры, так как в этом случае оно работает очень медленно.

Ядро в свою очередь состоит еще из двух частей:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно осуществляет выполнение арифметических и логических операций.
• Устройство управления (УУ). Оно координирует работу всех частей процессора, его взаимодействие с внешним оборудованием. Происходит это с помощью электрических сигналов.

2. Запоминающее устройство.

Это небольшая память процессора, в которой хранится информация о текущих командах и промежуточных результатах. Она состоит из кеша и регистров. Регистры отвечают за “запоминание” информации, а кеш хранит часто выполняемые инструкции. Обращение в кеш происходит быстрее, чем к оперативной памяти, поэтому объем кеш-память процессора влияет на скорость работы ЦПУ.

3. Шины

Это каналы для передачи команд внутри процессора.

Основные характеристики процессоров

1. Сокет (Socket)

Это разъем для установки процессора на материнскую плату. Существует множество видов сокетов, поэтому при выборе ЦП нужно обратить внимание, чтобы его сокет подходил к материнской плате. Например, если на материнской плате разъем LGA 1151, то нужно выбирать процессор с таким же сокетом, иначе его нельзя будет установить.

2. Тактовая частота

Этот параметр показывает количество обрабатываемых операций (тактов) в секунду. Измеряется в в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) Чем выше показатель тактовой частоты, тем выше производительность процессора.

Например, процессор с частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион операций в секунду, а процессор с частотой 1 ГГц – 1 миллиард операций.

3. Количество ядер

Как было сказано выше, ядро – самая главная часть процессора и чем больше ядер, тем больше команд одновременно сможет обрабатывать ЦПУ. Чем больше ядер в процессоре, тем выше его производительность и скорость выполнения операций.

4. Число потоков

Показывает сколько потоков информации может обрабатывать одно ядро. Поток это технология, которая позволяет разделить производительность ядра, то есть физически ядро одно, а фактически оно может одновременно обрабатывать два процесса. На текущий момент не все процессоры обладают дополнительными потоками.

5. Кэш

Кэш состоит из трех уровней памяти: L1, L2, L3. Чем больше памяти, тем лучше работает процессор.

Кэш первого уровня L1 — содержит те данные, которые могут потребоваться программе для выполнения инструкции,

Кэш второго уровня L2 — медленнее, в сравнении с кэшем первого уровня, но больше по размеру.

Кэш L2 содержит информацию, которая может потребоваться в будущем.

Кэш третьего уровня L3 — самый большой и при этом самый медленный кэш. Его объем варьируется от 4 до 50 мегабайт.

6. Разрядность процессора

Это количество бит информации, которые процессор может обрабатывать за один такт (операцию). Например, размер данных за такт равен 1 байту, процессор считает восьмиразрядным (8 bit), если размер данных 2 байта, то ЦПУ шестнадцатиразрядный (16 bit), при размере 4 байта – процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), в случае с 8-байтовым размером данных процессор считается шестидесятичетырехразрядный (64 bit).

Чем больше размер обрабатываемых данных, тем выше производительность процессора.

Как работает процессор

ЦУ обрабатывает команды на языке двоичного кода, говоря простым языком: 0 – это “нет”, 1 – это “да”. Каждый запрос, приходящий процессору состоит из комбинаций двух чисел 0 и 1.

Все операции внутри процессора это повторяющийся цикл, который не останавливается, пока работает компьютер или сервер: взять инструкцию из памяти, прочитать и расшифровать команду, осуществить действия.

Рассмотрим как работает процессор компьютера более подробно:

• Блок управления процессора забирает из оперативной памяти, где находится программа, определенные данные и команды, которые требуется выполнить. Вся эта информация загружаются в кэш-память.
• Получив данные из кэша, процессор записывает их в регистры. При этом инструкции отправляются в регистры команд, а значения помещаются в регистры данных.
• После считывания инструкций и данных, арифметико-логическое устройство выполняет эти команды.
• Результаты выполнения команд записываются в регистры. Если вычисления завершены, то они записываются также в буферную память процессора. Так как число регистров небольшое, промежуточные результаты хранятся в кэш-памяти.
• Если цикл вычислений завершен, результат сохраняется в оперативной памяти компьютера, чтобы освободить место в буферной памяти ЦП для новых вычислений. Если кэш-память переполнена, то неиспользуемая информация отправляется в кэш нижнего уровня или в оперативную память.

Виды процессоров

Существуют процессоры для мелкой техники, такой как ноутбуки компьютеры, телефоны,их можно назвать настольные ЦП. Второй вид процессоров – серверные, предназначены для оборудования, работающего с огромными массивами данных.

Основные функции настольных процессоров – это выполнения функций домашних компьютеров: запуск нескольких программ, перемещение информации, работа с браузерами, запись данных на различные накопители, запуск игр, обработка фото- и видеоматериалов. Им не требуется большое число ядер, но необходима высокая тактовая частота.

Серверные процессоры могут работать с несколькими подключенными клиентами, поэтому им требуется большее число ядер, высокий объем кэш-памяти и поддержка больших объемов оперативной памяти.

Также различают типы процессоров по принципу выполнения команд:

• CISC (Complete Instruction Set Computing) – этот тип процессора с полным набором команд. Они характеризуется:

– большим количеством различных машинных команд, каждая команда выполняется за несколько тактов ЦП

– небольшим количеством регистров общего назначения

– различными форматами команд с разными длинами

– преобладанием множественной адресацией

• RICS (Restricted Instruction Set Computer) – процессор, повышение работоспособности которого происходит за счет упрощения инструкций. В ЦП с RISC-архитектурой применяется ограниченный набор быстрых команд.

Каждая команда выполняется за за один такт. В таких процессорах требуется меньшее число транзисторов, что снижает их энергопотребление и стоимость. Архитектура RISC использует наиболее простейшие команды, что упрощает процесс их выполнения. Более сложные команды обрабатываются как составные из “простых” команд.

• VLIW (Very Long Instruction Word) – процессоров, работающие через объединение простых команд в “связку”. Эти команды должны быть независимы друг от друга и осуществляться параллельно.

Архитектура VLIW известна с начала 80-х годов. Она основана на том, что задача эффективного параллельного выполнения команд возлагается на «разумный» компилятор (программу, переводящую команды в машинный код). Компилятор первоначально делает анализ всей инструкции, выбирает команды, которые могут быть выполнены одновременно. Затем объединяет такие команды в связки, которые рассматриваются как сверхдлинные команды. В результате получается несколько сверхдлинных команд, которые исполняются одновременно.

Как выбрать процессор

На рынке процессоров известны две крупные компании-производителя: AMD и Intel. Они находятся в тесной конкуренции друг с другом, хотя AMD стремится создать нишевый продукт с низкой ценой, а Intel нацелена на топовые, производительные процессоры с высокой эффективностью и низкой энергопотребляемостью.

Основные характеристики по которым необходимо выбирать процессор это: скорость работы (ГГЦ), количество ядер, объем кэш-памяти, тактовая частота (МГЦ или ГГЦ).

Прежде чем приступить к выбору CPU, необходимо определить для чего нужен процессор, какие задачи стоят перед оборудованием, на котором будет стоять ЦП.

Если вам требуется выполнения обычных задач (работа в поисковых системах, в Word и Excel, чтение почты) на ноутбуке или ПК, то вам достаточно встроенных процессоров, со стандартными параметрами.

Предположим, что вы хотите купить ноутбук для сетевых игр или для монтирования видеоматериалов. В этом случае вам потребуется более мощные характеристики оборудования. ПК для игр, обработки фото или видео лучше выбирать с процессорами у которых не менее четырех ядер.

Восьмиядерный ЦПУ потребуется для мощного персонального компьютера, например, под использование профессиональных программ (3ds Max, Adobe Lightroom Classic, SiSoftware Sandra 2020, Adobe Premiere Pro, AutoCAD) или для профессиональных геймеров.

Еще один важный показатель при выборе CPU – тактовая частота. У простых двухъядерных процессоров она 3,5 ГГц – это средний класс компьютеров. Чем выше уровень тактовой, тем быстрее работает процессор. Например, для игрового ноутбука желательно выбирать ЦП с частотой не менее 4 ГГц.

Выбор процессора для сервера это отдельная задача, которую лучше всего доверить специалисту. Кратко отметим, что стоит учитывать ряд параметров: характеристики CPU, структура и состав сервера, на какое количество пользователей он будет рассчитан, какой тип задач будет на нем выполняться (объемные вычисления, хранение данных, размещение программ с постоянным доступом к ним и т. д.). Также стоит учитывать бюджет, в рамках которого требуется приобрести оборудование.

Так как нагрузки на вычислительные системы быстро растут (появляются новые приложения и программы, которые обрабатывают больше информации), то при выборе процессора лучше сделать запас производительности примерно на 20-30% с перспективой на будущее.

Заключение

Назначение процессора – это обработка информации и выполнение различных команд. Без ЦПУ компьютер не будет работать, он выполняет абсолютно все задачи, даже самые простые. Процессор в оборудовании – как мозг внутри человека.

Мощность ПК и серверного оборудования зависит от процессора. При выборе устройств всегда отталкивайтесь от задач, которые вы планируете выполнять, также делайте запас производительности на случай увеличения нагрузки на оборудование.

Центральный процессор (ЦП) — GeeksforGeeks

ЦП — это мозг компьютера. Все виды операций по обработке данных и все важные функции компьютера выполняются центральным процессором. Это помогает устройствам ввода и вывода взаимодействовать друг с другом и выполнять соответствующие операции. Он также хранит входные данные, промежуточные результаты между обработками и инструкции.

Теперь ЦП состоит из 3 основных блоков, а именно:

1. Модуль памяти или хранения
2. Блок управления
3. АЛУ (Арифметико-логическое устройство)

Давайте теперь посмотрим на блок-схему компьютера:

Здесь, на этой диаграмме, также показаны три основных компонента. Итак, давайте обсудим эти основные компоненты:

Блок памяти или хранения

Как следует из названия, этот блок может хранить инструкции, данные и промежуточные результаты. Блок памяти отвечает за передачу информации другим блокам компьютера, когда это необходимо. Он также известен как внутреннее запоминающее устройство, или основная память, или первичная память, или оперативная память (ОЗУ), поскольку все это устройства хранения.

Его размер влияет на скорость, мощность и производительность. В компьютере есть два типа памяти: первичная память и вторичная память. Некоторые основные функции блоков памяти перечислены ниже:

• Данные и инструкции хранятся в блоках памяти, которые необходимы для обработки.
• Он также сохраняет промежуточные результаты любых вычислений или задач, когда они находятся в процессе.
• Окончательные результаты обработки сохраняются в блоках памяти до того, как эти результаты будут переданы на устройство вывода для предоставления вывода пользователю.
• Все виды входов и выходов передаются через блок памяти.

Блок управления

Как следует из названия, блок управления управляет работой всех частей компьютера, но не выполняет никаких операций по обработке данных. Для выполнения уже сохраненных инструкций он инструктирует компьютер, используя электрические сигналы для инструктирования компьютерной системы. Он берет инструкции из блока памяти, а затем декодирует инструкции, после чего выполняет эти инструкции. Таким образом, он контролирует работу компьютера. Его основная задача — поддерживать поток информации через процессор. Некоторые основные функции блока управления перечислены ниже:

• Управление данными и передача данных и инструкций осуществляется блоком управления среди других частей компьютера.
• Блок управления отвечает за управление всеми блоками компьютера.
• Основной задачей блока управления является получение инструкций или данных, которые вводятся из блока памяти, интерпретация их, а затем управление работой компьютера в соответствии с ними.
• Блок управления отвечает за связь с устройствами ввода и вывода для передачи данных или результатов из памяти.
• Блок управления не несет ответственности за обработку данных или их хранение.

АЛУ (арифметико-логическое устройство)

АЛУ (арифметико-логическое устройство) отвечает за выполнение арифметических и логических функций или операций. Он состоит из двух подразделов, а именно:

• Арифметический раздел
• Логический раздел

Теперь дайте нам знать об этих подразделах:

Арифметический раздел: Под арифметическими операциями мы подразумеваем такие операции, как сложение, вычитание, умножение и деление, и все эти операции и функции выполняет АЛУ. Кроме того, все сложные операции выполняются путем многократного использования упомянутых операций АЛУ.

Секция логики: Под логическими операциями мы подразумеваем такие операции или функции, как выбор, сравнение, сопоставление и объединение данных, и все они выполняются АЛУ.

Примечание. ЦП может содержать более одного АЛУ, и АЛУ можно использовать для обслуживания таймеров, которые помогают запускать компьютерную систему.

Примеры вопросов

Вопрос 1. Какие из следующих компонентов являются основными компонентами ЦП?

(A) Блок памяти или хранения

(B) Блок управления

(C) ALU (Арифметико-логическое устройство) 

(D) Все вышеперечисленное

Решение: 900 22

Правильный вариант D, т.е. Все вышеперечисленное

ЦП состоит из 3 основных блоков: блока памяти или хранения, блока управления, АЛУ (арифметико-логического блока).

Вопрос 2. Всевозможные входы и выходы передаются через ___________.

(A) Блок памяти

(B) АЛУ

(C) Блок управления

(D) Ничего из перечисленного

9000 2 Решение:

Правильный вариант A , т. е. блок памяти.

Все виды входов и выходов передаются через блок памяти.

Вопрос 3. __________ не несет ответственности за обработку или хранение данных.

(А) Блок памяти

(B) АЛУ

(C) Блок управления

(D) Ничего из вышеперечисленного

Решение: 9 0003

Правильный вариант C, т.е. блок управления

Блок управления не несет ответственности за обработку или хранение данных.

Вопрос 4. Операция сравнения, какой тип операции?

(A) Арифметический

(B) Логический

(C) как a, так и b

(d) Ничего из вышеперечисленного

Решение:

Правильный вариант — B, т. е. логический

900 02 Под логическими операциями мы подразумеваем операции или функции такие как выбор, сравнение, сопоставление и объединение данных, и все это выполняется ALU.

Вопрос 5. ______________  отвечает за связь с устройствами ввода и вывода для передачи данных или результатов из памяти.

(A) Блок памяти

(B) ALU

(C) Блок управления

(D) Ничего из перечисленного 9002 2

Решение:

Правильный вариант это C, т.е. Блок управления

Блок управления отвечает за связь с устройствами ввода и вывода для передачи данных или результатов из памяти.

Архитектура ЦП Arm — Arm®

Архитектура Arm представляет собой семейство архитектур с сокращенным набором команд (RISC) для компьютерных процессоров. Это самая распространенная процессорная архитектура в мире: за последние три десятилетия наши партнеры поставили более 250 миллиардов чипов на базе Arm в различных продуктах, от датчиков, носимых устройств и смартфонов до суперкомпьютеров. Преимущества архитектуры ЦП Arm включают в себя:

• Встроенная защита
• Высокая производительность и энергоэффективность
• Большая экосистема для глобальной поддержки
• Распространено на рынках и в разных местах

Архитектура ЦП Arm реализована с помощью широкого спектра микроархитектур для обеспечения совместимости программного обеспечения в широком диапазоне мощности, производительности и площади.

 

• Архитектура ЦП определяет базовый набор инструкций, а также модели исключений и памяти, на которые опираются операционная система и гипервизор.
• Микроархитектура ЦП определяет, насколько реализация соответствует архитектурному контракту, определяя конструкцию процессора и охватывая такие параметры, как мощность, производительность, площадь, длина конвейера и уровни кэш-памяти.

Последние версии архитектуры Arm

Компания Arm работает со своими партнерами над развитием своей архитектуры и удовлетворением будущих потребностей. Armv9-A — это набор расширений архитектуры Armv8-A, являющийся частью непрерывной программы существенных улучшений архитектуры, которая будет развернута в течение следующих нескольких лет. Цель этих улучшений — помочь увеличить вычислительные возможности в таких областях, как цифровая обработка сигналов (DSP) и машинное обучение (ML), а также постоянно повышать безопасность и надежность наших систем.

 

Последними архитектурами для R-профиля и M-профиля являются Armv8-R и Armv8-M.

Читать справочные руководства

Armv9 — следующее поколение архитектуры Arm

Новая архитектура Armv9 станет передовым направлением для следующих 315 миллиардов чипов на базе Arm. Armv9-A, последняя версия архитектуры A-profile, обеспечивает еще более высокую производительность, чем когда-либо, и повышенную безопасность. Основные характеристики:

 

• Advanced SIMD и расширение Scalable Vector Extension 2 (SVE2)
• AArch42 и AArch 64
• Расширение управления сферой

Узнать больше

Гибкий и масштабируемый подход

Хотя Arm предлагает собственную реализацию архитектуры Arm с линейкой IP-процессоров Cortex и Neoverse, многие компании в ее глобальной экосистеме разрабатывают свои собственные реализации.

 

Существует три профиля архитектуры:

Диапазон IP-адресов процессора Arm Диапазон IP процессора Arm Диапазон IP процессора Arm

Профили архитектуры ЦП	Обеспечивает высочайшую производительность среди всех архитектурных профилей Узнать больше	Оптимизировано для систем с требованиями реального времени Узнать больше	Предназначен для небольших, маломощных, высокоэффективных устройств Узнать больше
Реализации	: Cortex-A, Neoverse и Cortex-X	: Cortex-R	: Cortex-M
Характеристики	Обеспечивает высочайшую производительность среди всех архитектурных профилей Высокая энергоэффективность Оптимизирован для работы с многофункциональными операционными системами	Оптимизировано для систем с требованиями реального времени	Предназначен для небольших, маломощных, высокоэффективных устройств
Последние версии	Армв9-А и Армв8-А	Armv8-R	Армв8-М
Варианты использования	Области сложных вычислительных приложений, такие как ПК, ноутбуки, смарт-телевизоры, серверы, сетевое оборудование, смартфоны и автомобильные головные устройства, облачные хранилища и суперкомпьютеры.	Требования к реагированию в режиме реального времени в критически важных для безопасности приложениях или приложениях, требующих детерминированного реагирования, таких как медицинское оборудование, рулевое управление, торможение и сигнализация транспортных средств, сетевое оборудование и оборудование для хранения данных, а также встроенные системы управления.	Приоритеты энергоэффективности, энергопотребления и размера. Процессоры безопасности, IoT и встроенные устройства, такие как носимые устройства, небольшие датчики, модули связи и продукты для умного дома.

 

Каждый профиль означает, что архитектуру можно оптимизировать для различных сред и вариантов использования. Система на кристалле (SoC) часто предназначена для питания определенного класса продуктов и включает в себя несколько процессоров, которые реализуют различные профили архитектуры для удовлетворения потребностей продукта в энергии, производительности и безопасности.