Центральный процессор компьютера: принципы организации, параметры

Микропроцессор, иначе, центральный процессор (ЦП) – Central Processing Unit (CPU) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем (БИС или СБИС).

В общем случае в состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и синхронизации, ЗУ, регистры и другие блоки, необходимые для выполнения операций вычислительного процесса. Как БИС микропроцессор характеризуется степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, нагрузочной способностью активных выводов (определяющей возможность подключения к данному микропроцессору других БИС), технологией изготовления, типом корпуса, техническим ресурсом, устойчивостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям. Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется производительностью, разрядностью обрабатываем данных выполняемых команд, возможностью увеличения разрядности, числом команд (микрокоманд), количеством внутренних регистров, возможностью обеспечения режима прерывания (уровней приоритета), способностью к обработке десятичных кодов, объемом адресной памяти, наличием канала прямого доступа к памяти, типом и числом входных и выходных шин и их разрядностью, наличием и видом программного обеспечения, способом управления.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

· чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

· чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

· прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

· обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

· выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Архитектура микропроцессора – принцип его внутренней организации, общая структура, конкретная логическая структура отдельных устройств. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

· Микропроцессоры с CISC – архитектурой. CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпораций Intel и AMD относятся к категории CISC;

· Микропроцессоры с RISC – архитектурой. RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенной системой команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждая инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие.

· Микропроцессоры с MISC – архитектурой. MISC (Minimum Instruction Set Computer) – компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, таким образом, программа преобразуется внебольшое количество длинных команд.

Разрядность – максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность микропроцессора обозначается m/n/k/ и включает:

· m – разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

· n – разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

· k – разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти, который может обслужить микропроцессор.

32-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти, а 64-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.

Набор дополнительных инструкций применяется в современных CISC-микропроцессорах и способен значительно ускорить их работу, при условии поддержки данных наборов со стороны приложения.

Тактовая частота – это количество электрических импульсов в секунду. Тактовая частота задается кварцевым генератором – одним из блоков, расположенных на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностью.

CPU Clock – внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Эта частота на системной плате не присутствует, но на плате могут быть средства задания коэффициента умножения. Коэффициент умножения большинства современных процессоров фиксирован изготовителем; раньше его задавали перемычками на системной плате, заземляющими определенные выводы процессора. Новые процессоры способны динамически изменять коэффициент умножения (для управления потреблением). Микропроцессор, работающий на частоте 2 ГГц, выполняет 2 миллиарда рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактовая частота ядра, тем выше скорость обработки данных.

Любой процессор обязательно оснащен процессорной шиной, которую в среде x86 CPU принято называть FSB (Front Side Bus). Эташина служит каналом связи между процессором и всеми остальнымиустройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском,и т. д. Между собственно памятью и процессором находится контроллер памяти. Соответственно процессор посредством FSB связывается с контроллером памяти, а уже тот, в свою очередь, по специальной шине – с модулями ОЗУ на плате.

Микропроцессор имеет две частоты – тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем выше частота системной шины, тем выше скорость передачи данных между микропроцессором и остальными устройствами.

Кэш-память – быстрая память малой емкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения к памяти. Кэш – промежуточное звено между микропроцессором и оперативной памятью.

Дешифратор (декодер). На самом деле, исполнительные блоки всех современных x86-процессоров вовсе не работают с кодом в стандарте x86. У каждогопроцессора есть своя, «внутренняя» система команд, не имеющая ничего общего с теми командами (тем самым «кодом»), которые поступают извне. В общем случае, команды, исполняемые ядром – намного проще, «примитивнее», чем команды стандарта x86. Именно длятого, чтобы процессор «внешне выглядел» как x86 CPU, и существуеттакой блок как декодер; он отвечает за преобразование «внешнего»x86-кода во «внутренние» команды, исполняемые ядром (при этомдостаточно часто одна команда x86-кода преобразуется в несколькоболее простых «внутренних»).

Регистры процессора. Регистр – совокупность устройств, используемых для хранения информации, и обеспечения быстрого доступа к ней. К регистрам общего назначения относят:

· Регистр AX является основным сумматором и применяется для всех операций ввода-вывода, некоторых операций над строками и некоторых арифметических операций.

· Регистр BX является базовым регистром. Это единственный регистр общего назначения, который может использоваться в качестве индекса для расширенной адресации.

· Регистр CX является счетчиком. Он необходим для управления числом повторений циклов и для операций сдвига влево или вправо. Регистр (CX) используется также для вычислений.

· Регистр DX является регистром данных. Он применяется для некоторых операций ввода-вывода и операций умножения и деления над большими числами.