3.4 Процессор

Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор – электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью "думать". Процессор состоит из нескольких важных деталей: собственно процессора – "вычислителя" и сопроцессора – специального блока для операций с "плавающей точкой" (или запятой). Применяется сопроцессор для особо точных и сложных расчётов, а также для работы с рядом графических программ.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является «большой» по размеру и представля­ет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20x20 мм, заключенную в плос­кий корпус с рядами металличе­ских штырьков (контактов). БИС является «большой» по ко­личеству элементов (рис 9).

Рис. 9 – Микропроцессор Intel Pentium 4

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллио­на в процессоре Pentium 4) функциональных эле­ментов (переключателей), разме­ры которых составляют всего около 0,13 микрон (1 микрон = 10~⁶ метра).

Основные функции микропроцессора – выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллерами системной платы.

Главными носителями информации внутри процессора служат регистры.

В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например, блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой. В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья – выбираться и т.д.). Таким образом, одновременно микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение каждой команды уменьшается в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов – так называемое «исполнение по предположению и изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, микропроцессору приходится вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд.

Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд – CISC-процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing). В противоположность CISC-процессорам в середине 80-годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC – Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного 8 меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таком образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится кодировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции межу двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

• CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

• RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5В. С переходом к процессорам Pentium оно было понижено до 3.3В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2.2В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя.

Пропорционально квадрату напряжения уменьшается тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-400 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициенты 3; 3.5; 4; 4.5, 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

3. Память

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО				СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.  Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.