Функциональная организация персонального компьютера

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

· сокращённый набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощённая схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микро уровня приведена на рис. 2.15. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

· буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время выборки очередной команды из памяти;

· дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;

· управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счётчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в счётчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микрокоманды связан с одним управляющим входом какого-либо функционального устройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения "Сброс", "Запись", "Чтение" соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общее число разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды заводится на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточно сложными.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а так же хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболее полное использование РОН для получения максимального быстродействия при выполнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBM PC. Процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Её последней разработкой является процессор Pentium 4, выпуск которых начат в конце 2001 года. К основным особенностям архитектуры Pentium 4 можно отнести следующие:

- в систему команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- и аудио-потоками;

- имеется специальный внутренний кэш, размером 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/С;

- внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ работающими на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд и АЛУ для выполнения медленных команд;

- процессор работает на частотах 1500-3000 МГц и содержит около 42 миллионов транзисторов.

Фирма Intel поставляет упрощённые варианты процессоров Pentium 4 под названием Ce-leron, который в два раза дешевле базового варианта процессора. Однако, следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чём не уступают "старшему брату" и, даже, в некоторых случаях, превосходит его.

Фирма AMD выпускает процессоры, совместимые по системе команд с Intel Pentium 4 – Athlon (K7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвейерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не уступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20-30% дешевле процессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной общей шины, стандарт которой отличается от стандарта шины PCI, которая является основной для процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процессора другим требует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.