Устройство и назначение процессора
На самом деле то, что мы сегодня называем процессором, правильно называть микропроцессором. Разница есть и определяется видом устройства и его историческим развитием.
Первый процессор (Intel 4004) появился в 1971 году.
Внешне представляет собой кремневую пластинку с миллионами и миллиардами (на сегодняшний день) транзисторов и каналов для прохождения сигналов.
Назначение процессора – это автоматическое выполнение программы.
Устройство процессора
Ключевыми компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и устройство управления. АЛУ выполнят основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.
Кэш данных и команд хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем быстрее выполняется программа.
Работа процессора
Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти.
(Работа процессора сложнее, чем это изображено на схеме выше. Например, данные и команды попадают в кэш не сразу из оперативной памяти, а через блок предварительной выборки, который не изображен на схеме. Также не изображен декодирующий блок, осуществляющий преобразование данных и команд в двоичную форму, только после чего с ними может работать процессор.)
Блок управления помимо прочего отвечает за вызов очередной команды и определение ее типа.
Арифметико-логическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.
Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было команды перехода или останова).
Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.
Характеристики процессора
Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), Ранее измерялось в мегагерцах (МГц). 1МГц = 1 миллиону тактов в секунду.
Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины.
Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.
На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти.
Архитектура микропроцессоров может быть существенным основанием для разделения компьютеров, содержащих:
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) – микропроцессор с сокращенным набором команд;
• CISC – микропроцессор со сложным набором команд;
• EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) – технологию вычислений с явным параллелизмом.
Производители RISC-процессоров: Sun Microsystems (UltraSPARC II, III), DEC (Alpha 21164), HP(PA-7150, PA-8000), SGI (MIPS R-10000), IBM (PPC-601, PPC-604), Motorola (88000), NEC (VR4111).
К CISC-архитектуре относятся все выпускаемые процессоры архитектуры «х86»: Pentium, Pentium Pro, Pentium II, III и 4 корпорации Intel, а также процессоры AMD и Cyrix.
Основная идея архитектуры RISC заключается в сокращении набора команд процессора по сравнению с обычной архитектурой CISC до минимально необходимого. Обычно такой набор включает в себя несколько наиболее часто используемых команд загрузки и перехода, элементарные арифметические и логические команды, и небольшое количество служебных операций. Все остальные функции реализуются при помощи программ. Такая архитектура дает : то, что простые команды, имеющие одинаковый формат, обрабатываются процессором с гораздо большей скоростью, т.к. исчезает необходимость в микропрограммном управлении. По сравнению с CISC, RISC тратит гораздо меньше времени на обслуживание самого себя.
С точки зрения требуемой площади кристалла реализация простого набора команд позволяет увеличить количество внутренних регистров процессоров, называемых КЭШ памятью, с минимальным доступом времени к ним. Кроме того, выполнение небольшого набора часто используемых команд увеличивает эффективность внутреннего конвейера процессора.
Если суперскалярные RISC-процессоры могут сегодня выполнять до четырёх команд в одном цикле, в качестве примера можно привести процессоры, изготовленные по технологии EPIC. Одним из первых процессоров, представителей технологии EPICявляется Merced, проектируемый по технологии IA-64.