Процессор

Процессор — это функциональный блок ЭВМ, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения ⁹. Термин по звучанию близок к английскому глаголу “process”, имеющему один из вариантов перевода “обрабатывать”. И действительно, основное назначение процессора состоит в автоматической обработке информации по заданной программе.

Будучи центральным устройством ЭВМ, процессор во многом определяет ее возможности и производительность. Не случайно при характеристике компьютера тип процессора всегда указывается в первую очередь. Тем не менее не следует забывать, что общая эффективность вычислительной системы зависит не только от процессора, но и от остальных ее компонентов, а даже от их согласования. Иными словами, “медленная” память или устаревшая графическая часть могут свести на нет все преимущества новейшего процессора.

Главными составными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ (см. “Базовые принципы устройства”). В современных процессорах имеются и некоторые другие дополнительные узлы, но для первого знакомства их можно не рассматривать.

Прогресс в области микроэлектроники привел к тому, что весь процессор удалось разместить внутри одного кристалла. Таким образом, он стал отдельной самостоятельной микросхемой и получил новое название — микропроцессор. На фотографии изображен один из современных микропроцессоров. Удерживающие его пальцы дают хорошее представление о габаритах изделия. Стоит отметить, что размер корпуса в основном определяется необходимостью разместить несколько сот металлических выводов, с помощью которых процессор присоединяется к плате; собственно кристалл значительно меньше.

То, что процессор удалось поместить внутри одной микросхемы, не просто уменьшило размеры этого узла, но и создало предпосылки для существенного увеличения скорости работы процессора (благодаря сокращению длины соединений) и повышения его надежности (за счет отсутствия внешних проводников). К сожалению, есть и отрицательные последствия: уменьшение габаритов процессора приводит к ухудшению условий теплоотдачи от микроскопических его элементов, что существенно повышает требования к теплоотводящим свойствам конструкции.

Рассмотрим кратко функции входящих в состав процессора АЛУ и УУ.

АЛУ служит для выполнения всех операций, которые “умеет” выполнять процессор. Именно здесь осуществляются все арифметические действия, а также логические операции, сравнение данных, сдвиги и т.д. (Об ассортименте инструкций ЭВМ рассказано в статье “ Машинная команда ”.)

АЛУ содержит в себе регистры для хранения и обработки данных. Один из важнейших регистров называется сумматором и в нем получается итоговый результат (см. “ Логические элементы и узлы ”).

Чтобы обеспечить автоматические вычисления по программе, процессор должен уметь выполнять еще целый ряд действий:

· извлекать из памяти очередную команду;

· расшифровывать ее и преобразовывать в последовательность необходимых действий;

· заносить в АЛУ исходные данные;

· сохранять полученный в АЛУ результат;

· обеспечивать синхронную работу всех узлов машины.

Для выполнения всех этих функций и нужно устройство управления.

Как и АЛУ, УУ содержит несколько важных регистров для хранения информации, необходимой в ходе выполнения текущей команды. Наиболее важными из них являются счетчик (регистр) адреса очередной команды программы и регистр команд, в который считывается код выполняемой в данный момент операции.

Анализу последовательности действий, которые производит процессор при выполнении каждой команды, посвящена статья “ Исполнение программы ”.

Описанные выше служебные регистры АЛУ и УУ, используемые процессором для обеспечения своего функционирования, как правило, недоступны программисту. Однако почти все процессоры имеют некоторый набор дополнительных регистров, предназначенных для использования программным обеспечением. Их часто называют регистрами общего назначения (РОН), подчеркивая тем самым универсальность их функций. В РОН может храниться как непосредственно обрабатываемая информация (числа, коды символов и т.п.), так и ссылки на те ячейки памяти, где такая информация находится (такой метод адресации данных широко распространен и называется косвенным). Количество регистров и их устройство в различных процессорах различно.

В заключение рассмотрим основные характеристики процессора — разрядность и тактовую частоту.

Под разрядностью процессора обычно понимают число одновременно обрабатываемых им битов. Формально эта величина есть количество двоичных разрядов в регистрах процессора, и для современных моделей она равна 32. Помимо “внутренней” разрядности процессора, существует еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса. Разрядность регистров и разрядность шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а вот разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памяти, который способен адресовать процессор. Эту характеристику часто называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по простой формуле 2 R. Эти три характеристики разрядности не всегда совпадают (данные для таблицы взяты из книг¹⁰ и¹¹):

Из таблицы, в частности, видно, что для 386-го процессора все три разрядности различны.

Тактовая частота определяется количеством тактовых импульсов в секунду и измеряется в гигагерцах — т.е. миллиардах импульсов за 1 сек. (см. “ Машинная команда ”). Очевидно, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Разумеется, эту частоту нельзя установить произвольно высокой, поскольку процессор может просто “не успеть” выполнить очередной такт до прихода следующего импульса. Инженеры делают все возможное для увеличения значения этой характеристики.

Следует четко представлять, что сравнение тактовых частот позволяет надежно определить, какой из двух процессоров более быстродействующий, только в том случае, когда оба процессора устроены примерно одинаково. Если же попытаться сравнить процессоры, произведенные разными изготовителями и работающие по разным принципам, можно получить абсолютно неправильные выводы о быстродействии. Кроме того, не нужно забывать, что производительность современной компьютерной системы определяется не только быстродействием отдельно взятого процессора, но и скоростями работы остальных узлов компьютера и даже способами организации всей системы в целом: часто простое увеличение объема ОЗУ дает гораздо больший эффект, чем замена процессора на более быстрый.

Как следует из изложенного выше, система команд компьютера зависит именно от используемого в нем процессора. Каждый процессор имеет свою систему команд (см. “ Машинная команда ”). Подчеркнем, что по структуре системы команд различают процессоры двух типов:

· RISC (R educed I nstruction S et C omputer) — процессор с уменьшенным набором команд и

· CISC (C omplex I nstruction S et C omputer) — процессор с полным набором команд.

CISC-процессоры появились раньше, для них характерен набор сложных команд неодинаковой длины с большим количеством методов адресации к памяти. Появившийся позднее RISC-подход предлагает менее сложные команды одинаковой длины с отказом от сложных методов адресации. Такое упрощение системы команд позволяет оптимизировать время их выполнения и существенно ускорить работу процессора. Что касается “отброшенных” при упрощении возможностей, то они используются относительно редко и вполне могут быть реализованы программным путем.

Процессоры фирмы Intel относятся к CISC-группе. Однако для того, чтобы наращивать быстродействие своих изделий, Intel широко применяет отдельные достижения RISC-архитектуры.