Архитектура процессора

Архитектура процессора
Процессор (Central Processing Unit – CPU) является центральным
устройством компьютера.
Микропроцессор – функционально законченное программно-управляемое
устройство обработки информации.
Микропроцессор - это полупроводниковый кристалл или комплект
кристаллов на которых реализована сверхбольшая интегральная схема,
реализованная
в
едином
полупроводниковом
кристалле
(кремния
или
германия) площадью меньше 0,1 см2. Степень интеграции определяется
размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Так,
центральный процессор Intel i80486 DX содержит 1,2 млн. транзисторов, а
Intel Pentium Pro - 5,5 млн.
Микропроцессор предназначен для выполнения арифметических действий,
логических операций, передачи управления, перемещения данных из одного
места памяти в другое и координации взаимодействия различных устройств
ЭВМ.
Основные функции микропроцессора:
-
чтение и дешифрация команд из основной памяти;
прием и обработка запросов и команд от адаптеров на
обслуживание ВУ;
чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
обработка данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
выборка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков
ПК.
В состав микропроцессора входят:
- арифметико-логическое
устройство,
являющееся,
по
сути,
высокоточным вычислителем;
- процессорная
память,
состоящая
из
стандартных
ячеек,
называемых регистрами, в которых хранятся текущие адреса
данных, сами обрабатываемые данные и промежуточные результаты
вычислений;
- устройство
управления
обеспечивает
общее
управление
вычислительным
процессом
в
соответствии
с
выполняемой
программой, а также координирует работу всех устройств
компьютера.
Обязательными компонентами микропроцессора являются арифметикологическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).
Устройство управления координирует работу всех компонентов и
выполнение
процессов,
происходящих
в
компьютере. УУ отслеживает
последовательность выполнения команд, т.е. в нем имеется счетчик команд
(программный счетчик).
АЛУ отвечает за выполнение арифметических и логических операций.
Именно это устройство выполняет все операции над данными. АЛУ имеет
специальные
регистры
(команд
и
данных)
для
временного
хранения
поступивших из оперативной памяти команд и данных.
Для того чтобы выполнить команду, процессор должен ее расшифровать
(декодировать),
т.е.
по
двоичному
коду
определить
характер
и
последовательность действий с данными. Значит, в составе АЛУ должно быть
декодирующее устройство.
На кристалле микропроцессора могут размещаться дополнительные
устройства,
такие
как
кэш-память
(Cache)
и
средства
поддержки
виртуальной памяти.
Кэш-память используется в качестве буфера между микропроцессором и
менее быстродействующим ОЗУ. При отсутствии такого буфера процессору
иногда приходится простаивать в ожидании поступления информации из ОЗУ.
Если же предусмотрена быстродействующая кэш-память, то вероятность таких
простоев резко сокращается.
Можно выделить 4 этапа обработки команды процессором: выборка,
декодирование, выполнение и запись результата.
Процессор должен выполнять команды программы, которые хранятся в
оперативной памяти по определенным адресам. В команде указано, какие
действия необходимо выполнить над данными (операндами), а также адреса
данных. Таким образом, процессор должен иметь возможность подключиться к
адресной шине и шине данных. Это обеспечивается подключением внутренней
магистрали процессора к внешней магистрали через буферы адреса и данных.
Операции над данными производятся в сумматоре, а результат
помещается в специальный регистр, называемый аккумулятором.
Кроме этого, в состав процессора входят регистры общего назначения,
представляющие собой совокупность ячеек памяти, предназначенных для
временного хранения необходимой процессору информации. Так как регистры
общего назначения выполнены непосредственно в БИС процессора, они
обладают очень большим быстродействием и образуют сверхоперативное
запоминающее устройство (СОЗУ).
Рассмотрим цикл работы процессора, например, при сложении двух
чисел:
1. В результате начального включения или завершения предыдущей команды в
программном счетчике устанавливается адрес команды и через буфер
передается в шину адреса.
2. В оперативную память компьютера из устройства управления процессора
посылается сигнал “чтение”, происходит считывание команды из ячейки с
указанным адресом, содержимое ячейки выдается в шину данных и через
буфер данных подается в регистр команд.
3. Декодирующее устройство расшифровывает код операции, содержащийся в
команде, и передает управление сумматору.
4. Сумматор начинает выполнение соответствующих действий и запрашивает из
оперативной памяти (или с устройства ввода) по указанным адресам
операнды (данные).
5. Результат
выполнения
команд
помещается
в
аккумуляторе
и
при
необходимости, пересылается в определенные ячейки оперативной памяти
компьютера.
УУ
Программный
счетчик
Декодирующее
устройство
Регистр команд
АЛУ
сумматор
Регистр данных
аккумулятор
Регистры
общего
назнначения
(СОЗУ)
Внутренняя магистраль
ПРОЦЕССОР
Буфер адреса
Буфер данных
Внешняя магистраль
Архитектура процессора.
Процессоры различных фирм имеют несколько различающуюся архитектуру
и, соответственно, различные системы выполняемых команд. В этом смысле
компьютеры, базирующиеся на различных типах процессоров, являются
несовместимыми.
Характеристики процессора
Наиболее важной характеристикой процессора является его тактовая
частота - количество машинных циклов, производимых процессором в единицу
времени.
Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая
частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше
производительность
компьютера.
Под
производительностью
компьютера
понимают количество элементарных операций типа сложения, выполняемых
процессором за одну секунду.
Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в
секунду. Под тактом понимают промежуток времени, в течение которого
может быть выполнена элементарная операция типа сложения двух чисел или
пересылка числа из процессора в оперативную память. Современный
персональный компьютер может выполнять миллионы элементарных операций в
секунду. Тактовую частоту можно измерить и определить ее значение. Для
этого используется единица измерения частоты – мегагерц (МГц) – миллион
тактов в секунду.
Производительность компьютера в целом определяется не столько
производительностью процессора, сколько общей конфигурацией - наличием
кэш-памяти, математического сопроцессора и т.п.
Разрядность
процессора
определяет
размер
машинного
слова,
обрабатываемого компьютером. Машинное слово - это число бит, к которым
процессор имеет одновременный доступ. Процессор может быть 8, 16, 32,
64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем
информации, перерабатываемый процессором в единицу времени.
Другой важной характеристикой процессора является объем адресуемой
памяти, т.е. объем оперативной памяти, с которой данный процессор может
работать. Этот параметр имеет еще название адресное пространство
процессора, т.е. максимальное количество ячеек основной памяти, которое
может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Основные технические характеристики микропроцессоров фирмы Intel
Разрядность
Модель МП
данных
адреса
Тактовая
частота
Адресное
пространство,
байт
Число
команд
Число
элементов
Год
выпуска
1971
1974
1982
1983
1984
1985
1987
1989
1993
1995
1997
4004
8080
8086
8088
80186
80286
80386
80486
Pentium
Pentium
Pro
Pentium II
Pentium
III
Pentium 4
4
8
16
8, 16
16
16
32
32
64
4
8
16
16
20
24
32
32
32
4,77
4,77
4,77 и 8
4,77 и 8
8 и 10
10-33
25-50
33-100
60-300
4x103
64x103
106
106
106
4x106
16x106
16x106
4x109
45
240
240
240
2300
10000
70000
70000
140000
180000
275000
1,2x106
6,1x106
64
64
32
32
66-200
300-400
4x109
4Гб
240
5,5x106
64
64
32
32
4Гб
4Гб
1999
2000
Core 2 Due
64
64
450-1000
1500-3600
2-3ГГц
(3-6 млрд)
8Тб
2007
134
134