計算機(jī)系統(tǒng)的處理器包括一組寄存器,其個數(shù)根據(jù)機(jī)型的不同而不同,它們構(gòu)成了一級存儲,比主存容量小,但訪問速度快。這組寄存器所存儲的信息與程序的執(zhí)行有很大關(guān)系,構(gòu)成了處理器現(xiàn)場。
·每一個進(jìn)程被暫時中止執(zhí)行時,操作系統(tǒng)就要保存相關(guān)的信息(包括處理器現(xiàn)場)以保證未來某個時刻,該進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行。
這些寄存器可分成以下幾類:
·通用寄存器:可由程序設(shè)計者指定許多功能,如存放操作數(shù)或用作尋址寄存器。
·數(shù)據(jù)寄存器:存放操作數(shù),作為內(nèi)存數(shù)據(jù)的高速緩存。
·地址寄存器:指明內(nèi)存地址,如索引寄存器、段寄存器、堆棧指針寄存器等。
·I/O地址寄存器:指定I/O設(shè)備。
·I/O緩沖寄存器:用于處理器和I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。
·控制寄存器:存放處理器的控制和狀態(tài)信息,至少包括程序計數(shù)器PC和指令寄存器IR,中斷寄存器以及用于存儲器和I/O模塊控制的寄存器。還有存放將被訪問的存儲單元地址的存儲器地址寄存器,以及存放從存儲器讀出或欲寫入的數(shù)據(jù)的存儲器數(shù)據(jù)寄存器。
·其他寄存器
計算機(jī)系統(tǒng)的核心是中央處理器。
1.單處理器系統(tǒng):一個計算機(jī)系統(tǒng)只包括一個運算處理器。
2.多處理器系統(tǒng):一個計算機(jī)系統(tǒng)有多個運算處理器。
3.串行和并行
·早期計算機(jī)系統(tǒng)是基于單個處理器的順序處理機(jī)器,程序員編寫串行執(zhí)行的代碼,讓其在處理器上串行執(zhí)行,每條指令的執(zhí)行也是串行的(取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行操作、存儲結(jié)果)。
4.計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類
目前計算機(jī)系統(tǒng)可以分作以下四類:
·單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD):一個處理器在一個存儲器中的數(shù)據(jù)上執(zhí)行單條指令流。
單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD):單條指令流控制多個處理單元同時執(zhí)行,每個處理單元包括處理器和相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲,一條指令控制了不同的處理器對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。向量機(jī)和陣列機(jī)是這類計算機(jī)系統(tǒng)的代表 。
SIMD
在一臺SIMD計算機(jī)中,有一個控制部件(又稱為控制單元,control unit)和許多處理單元(processing unit)。大量的處理單元通常構(gòu)成陣列,因此SIMD計算機(jī)有時也稱為陣列處理機(jī)。所有的處理單元在控制部件的統(tǒng)一控制下工作。控制部件向所有的處理單元廣播同一條指令,所有的處理單元同時執(zhí)行這條指令,但是每個處理單元操作的數(shù)據(jù)不同。控制部件可以有選擇地屏蔽掉一些處理單元,被屏蔽掉的處理單元不執(zhí)行控制部件廣播的指令。
·多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD):一個數(shù)據(jù)流被傳送給一組處理器,通過這一組處理器上的不同指令操作最終得到處理結(jié)果。
不同的處理器按照不同的模式來協(xié)同處理同一組數(shù)據(jù),期望以最快最好的方式得到結(jié)果。
目前正在研究中…
·多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD):多個處理器對各自不同的數(shù)據(jù)集同時執(zhí)行不同的指令流??梢园袽IMD系統(tǒng)劃分為共享內(nèi)存緊密耦合MIMD系統(tǒng)和內(nèi)存分布松散耦合MIMD系統(tǒng)兩大類。
根據(jù)處理器分配策略,緊密耦合MIMD系統(tǒng)可以分為主從式系統(tǒng)MSP(Main/Slave Multiprocessor)和對稱式系統(tǒng)SMP(Symmetric Multi-Processor)兩類。
主從式系統(tǒng)基本思想是:在一個特別的處理器上運行操作系統(tǒng)內(nèi)核,其他處理器上則運行用戶程序和操作系統(tǒng)例行程序,內(nèi)核負(fù)責(zé)分配和調(diào)度各個處理器,并向其他程序提供各種服務(wù)。
在對稱式多處理器系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的處理器,操作系統(tǒng)內(nèi)核可以運行在任意一個處理器上。每個處理器都可以自我調(diào)度運行的進(jìn)程和線程,單個進(jìn)程的多個線程可在不同處理器上同時運行。操作系統(tǒng)內(nèi)核也被設(shè)計成多進(jìn)程或多線程,內(nèi)核的各個部分可以并行執(zhí)行。
在松散耦合MIMD系統(tǒng)中,每個處理單元都有一個獨立的內(nèi)存儲器,各個處理單元之間通過設(shè)定的線路或網(wǎng)絡(luò)通信,多計算機(jī)系統(tǒng)和集群(Cluster)系統(tǒng)都是松散耦合MIMD系統(tǒng)的例子。
寄存器是cpu的一部分,是計算機(jī)中速度最快的存儲器,分為 通用寄存器、專用寄存器、段寄存器、其他寄存器,每個寄存器存儲一種類型的變量,各司其職,這樣說來,又分為累加器、源變址寄...
指令寄存器的作用: 通常都用來意指由一個指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。 寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件,它們可用來暫存指令、...
移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移,數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出,也可以串行輸入、串行輸出,還可以并行輸入、串行輸出,串行輸入、并行輸出,十分靈活,用途也很廣。
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通過寄存器控制 led燈。 cpu通過 GPIO(通用輸入輸出 )控制標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出。 cpu 一共有 150 根針與 gpio 連接。Gpio 可以定義為輸入,也可以定義為輸出。 輸入即拉高電平。輸出即檢測電平高低。 GPIO 內(nèi)有很多寄存器。并且映射到 0~4G 的尋址 空間中的某個固定的地址。 Gpio 中的寄存器管理 GPIO 中的引腳,管理到每一根引腳。 引腳很多。所以,分組管理,其中 port b 控制寄存器即 B 組寄存器共管理 11個引腳。共用 了 4 個寄存器來對這 11個引腳的管理 。 B 組控制寄存器 寄存器名 映射的地址 讀寫狀態(tài) 功能說明 上電后的初始值 GPBCON 控制 0x56000010 讀 /寫 此寄存器的 10~11比特位 即控制 gpio 的第 5 引腳。 這個寄存器主要是用于 控制各個引腳的功能: 0 = input 1 = output 0x0
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基于多態(tài)并行處理器提出了一種硬件線程管理器,支持MIMD模式8個線程管理操作和SIMD模式SC控制器統(tǒng)一管理兩種工作模式,實現(xiàn)了線程級并行計算;可以監(jiān)測各個線程的工作情況以及近鄰?fù)ㄐ偶拇嫫骱吐酚善鞯臓顟B(tài);能夠在通信時停止、切換、啟動線程,記錄每個線程的工作狀態(tài),同時避免了因數(shù)據(jù)阻塞帶來的等待問題,能夠最大程度地提高單個處理器的執(zhí)行效率。
根據(jù)微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域,微處理器大致可以分為三類:通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號處理器、微控制器。一般而言,通用處理器追求高性能,它們用于運行通用軟件,配備完備、復(fù)雜的操作系統(tǒng);嵌入式微處理器強調(diào)處理特定應(yīng)用問題的高性能,主要用于運行面向特定領(lǐng)域的專用程序,配備輕量級操作系統(tǒng),主要用于蜂窩電話、CD播放機(jī)等消費類家電;微控制器價位相對較低,在微處理器市場上需求量最大,主要用于汽車、空調(diào)、自動機(jī)械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。
CPU是Central Processing Unit(中央微處理器)的縮寫,它是計算機(jī)中最重要的一個部分,由運算器和控制器組成。如果把計算機(jī)比作人,那么CPU就是人的大腦。CPU的發(fā)展非常迅速,個人電腦從8088(XT)發(fā)展到Pentium 4時代,只經(jīng)過了二十一年的時間。
1975年,IBM公司生產(chǎn)了幾款基于RISC 設(shè)計的處理器。其中801就是RISC之父John Cocke的杰作。最終15年后設(shè)計出Power 架構(gòu)系列產(chǎn)品,若干年后更出出現(xiàn)一個影響深遠(yuǎn)的RISC結(jié)構(gòu)的芯片系列ARM
這是八十年代后,RISC架構(gòu)被工業(yè)界認(rèn)可后發(fā)展起的一種,HP的HPPA-RISC
1975年,摩托羅拉推出 6800 ,該款處理器擁有78條指令集。摩托羅拉很多款單片裝處理器和微處理器的設(shè)計思想都來源于6800 ,即使曾經(jīng)很流行功能強大的6809 也是繼承了6800 血統(tǒng)。1985年,摩托羅拉推出MC68010和已經(jīng)命名為88000的32位RISC處理器系列。但1990年由于要全力研制PowerPC而被迫停產(chǎn)。
Z-80是由從Intel離走的Frederico Faggin設(shè)計的8位微處理器,被認(rèn)為是8080的增強版,------是也是當(dāng)年很牛的一款單片機(jī),比后來風(fēng)光無限的51系列更早進(jìn)入中國,八十年代初學(xué)校都是以Z80為基礎(chǔ)教學(xué),那種需要用電視作顯示器的單板電腦就是用的這種芯片。
不過最先推出的單芯片16位處理器當(dāng)數(shù)TI TMS 9900。雖然出道后勢頭強勁,但TI為了發(fā)展DSP業(yè)務(wù),不得不在1982年縮小9900的產(chǎn)量
半導(dǎo)體行業(yè)另一巨頭,美國國家半導(dǎo)體公司,就是后來收購了設(shè)計X86系列處理器的Cyrix公司的,這是1983年由國家半導(dǎo)體(National Semiconductor)推出NS32032,也是一款RISC處理器,但是可惜的是RISC架構(gòu)的處理器在個人電腦應(yīng)用中只有POWERPC芯片的市場還算比較成功,其它的都可以說很失敗,不過在另一領(lǐng)域:嵌入式應(yīng)用中,RISC架構(gòu)的處理器確是風(fēng)光無限。
1981年,由斯坦福大學(xué)和部分研究者研制出MIPS。處理器利用了深度流水線技術(shù)。它通過簡化指令的操作周期,解決了流水線的瓶頸-聯(lián)鎖問題,促成RISC思想的重要轉(zhuǎn)變。
1982年,由美國伯克利大學(xué)研制的RISC-I,只有32條指令,并且具有流水線操作和使用寄存器窗口,性能比同時代單芯片設(shè)計都優(yōu)越
ARM是一家芯片設(shè)計公司,自己不生產(chǎn)芯片,而是通過授權(quán)生產(chǎn)來發(fā)展ARM系列處理器 。ARM公司在1990年11月英國劍橋的一個谷倉里成立,最初只有12人,經(jīng)過11年多的發(fā)展,今日的ARM公司已經(jīng)擁有700多名員工,其中60%以上都從事研發(fā)工作,ARM公司是一家既不生產(chǎn)芯片(fabless)也不銷售芯片(chipless)的公司,它通過出售芯片技術(shù)授權(quán),建立起新型的微處理器設(shè)計、生產(chǎn)和銷售商業(yè)模式。更重要的是,這種商業(yè)模式取得極大的成功,采用ARM技術(shù)IP核的微處理器遍及各類電子產(chǎn)品:汽車、消費電子、成像、工業(yè)控制、海量存儲、網(wǎng)絡(luò)、安保和無線等市場,ARM技術(shù)幾乎無處不在。ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商,每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系,ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者??偣灿?0家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議,其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人,則包括微軟、升陽和MRI等一系列知名公司。
例如,數(shù)學(xué)協(xié)處理器可以控制數(shù)字處理;圖形協(xié)處理器可以處理視頻繪制。例如,intel pentium 微處理器就包括內(nèi)置的數(shù)學(xué)協(xié)處理器。
協(xié)處理器可以附屬于ARM處理器。一個協(xié)處理器通過擴(kuò)展指令集或提供配置寄存器來擴(kuò)展內(nèi)核處理功能。一個或多個協(xié)處理器可以通過協(xié)處理器接口與ARM內(nèi)核相連。
協(xié)處理器可以通過一組專門的、提供load-store類型接口的ARM指令來訪問。例如協(xié)處理器15(CP15),ARM處理器使用協(xié)處理器15的寄存器來控制cache、TCM和存儲器管理。
協(xié)處理器也能通過提供一組專門的新指令來擴(kuò)展指令集。例如,有一組專門的指令可以添加到標(biāo)準(zhǔn)ARM指令集中,以處理向量浮點(VFP)運算。
這些新指令是在ARM流水線的譯碼階段被處理的。如果在譯碼階段發(fā)現(xiàn)是一條協(xié)處理器指令,則把它送給相應(yīng)的協(xié)處理器。如果該協(xié)處理器不存在,或不認(rèn)識這條指令,則ARM認(rèn)為發(fā)生了未定義指令異常。這也使得編程者可以用軟件來仿真協(xié)處理器的行為(使用未定義指令異常服務(wù)子程序)。