Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора(Принцип работы).pdf

Назначение и основные функции процессора

Центральный процессор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно - центральное вычислительное устройство) - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин «Центральное процессорное устройство» описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

1. Принцип работы

Исполнение инструкций

Центральный процессор (ЦП), или CPU, или процессор ПК – это специальный чип, который выполняет все основные вычислительные операции и осуществляет обработку информации. Процессор ПК исполняет программный код – последовательность команд (инструкций), каждая из которых закодирована и размещена в памяти.

В общем случае каждая команда содержит операционную и операндную части. Первая содержит сведения о действиях, которые процессор должен выполнить, а вторая указывает процессору операнды – то, над чем должен «трудится» процессор. Операндная часть описывает до двух операндов инструкции. Это могут быть значения операндов, явные или неявные ссылки на регистры процессора, хранящие операнды, адрес ячейки памяти, регистры процессора и т. д. длина инструкции выражается в байтах.

Логический адрес исполняемой команды (инструкции) хранится в регистре InstructionPointer (указатель инструкции) – счетчике команд. После исполнения значение счетчика увеличивается на длину инструкции, указывая на начало следующей инструкции.

Существует два типа инструкций:

- линейные. Выполняются в соответствии с их размещением в памяти по нарастанию адреса;

- передачи управления. К ним относятся инструкции переходов и вызовов процедур, которые содержат адрес следующей исполняемой инструкции.

Несмотря на то, что последовательность исполнения инструкций четко предписывается командным кодом, она может быть нарушена исключениями и прерываниями. Исключения – это особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (управляются ОС). Аппаратные прерывания представляют собой вызовы процедур по электрическим сигналам в специальных контактах процессора. Источниками аппаратных прерываний являются, например, контроллеры устройств, системы управления питанием. Кроме того, последовательность инструкций может изменяться по сигналу перезапуска процессора.

Логика и арифметика

При выполнении инструкции процессор извлекает из указанных в ней мест (регистр, память, константа) два двоичных числа, а результат действия над ними записывает на место одного из них. Процессор выполняет арифметические функции (сложение, вычитание, умножение, деление) над целочисленными данными (знаковыми и беззнаковыми, двоичными и двоично-десятичными).

Работа над числами с плавающей точкой (в виде мантиссы и порядка) возлагается на математический сопроцессор. Это набор 80 – битных регистров и арифметическое устройство, которое кроме четырех арифметических действий вычисляет значение квадратного корня, логарифмов, степеней чисел и тригонометрических функций.

Архитектура и микроархитектура

Архитектура процессора ПК определяется набором команд, регистрами и структурой данных, а микроархитектура – схемотехническая реализация его архитектуры. Новые микроархитектуры создавались с целью получения высокопроизводительных процессоров, например IntelNetBurst в процессорах PentiumIV, или P6 в более старых процессорах.

Исполнительные блоки процессора(для обработки целых чисел и чисел с плавающей запятой) должны непрерывно получать необходимые команды. В микроархитектуре IntelNetBurst применено несколько новинок, обеспечивающих постоянную загрузку исполнительных блоков. Среди них - системная шина с частотой 400 МГц, кэш – память L2 с улучшенной передачей данных (AdvancedTransferCache), кэш – память L1 с отслеживанием исполнения и уменьшенным временем задержки для данных, улучшенное динамическое исполнение.

2. Принцип вычислений

Конструкторно процессор представляет собой пластину кремния с несколькими сотнями контактов, на которой размещается несколько миллионов транзисторов. Количество контактов определяется разъемом материнской платы. Транзисторы и контакты размещены в корпусе, на который устанавливается радиатор с вентилятором (эта конструкция называется кулером, от англ. сooler – охладитель).

Принцип работы процессора состоит в следующем. Данные, с которыми работает процессор, размещаются в его регистрах (память процессора) или микрокоманде, в оперативной памяти ПК. Если информация хранится в устройствах внешней памяти, например на жестком диске, она должна быть считана в оперативную память, из нее – в кэш процессора, а уже потом в регистры процессора. Микрокоманды процессора заносят числа в его регистры, обрабатывают их, а затем выдают результат, например в оперативную память. Чтобы сложить целые числа 5 и 3, в процессор, кроме них, поступает команда «сложить числа». На выходе получается результат – целое число 8.

3. Шины процессора

В основу архитектуры современных ПК положен магистрально – модульный принцип. Модульная архитектура предполагает магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами с помощью следующих шин:

- данных;

- адреса;

- управления.

Физически шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных

По этой шине данные, например считанные из оперативной памяти блоки информации, могут быть переданы процессору, а затем после обработки отправлены обратно в оперативную память для временного хранения. Основная характеристика шины данных – разрядность, которая определяется разрядностью процессора (количеством двоичных разрядов, обрабатываемых за один такт). Чем выше разрядность, тем больше пропускная способность. Процессоры x486 имели 32 – разрядные шины данных, Pentium – 64 – разрядные, а PentiumIII– двойные 64 – разрядные .

Шина адреса

Известно, что каждое устройство ПК или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Процессор выбирает устройства или ячейки памяти, в которые записывает или из которых считывает информацию по шине данных. Адрес же передается по адресной шине только в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам.

Разрядность шины адреса обуславливает количество ячеек оперативной памяти с уникальными адресами, которые можно рассчитать по формуле 2^р , где р – разрядность шины адреса. Например, для 32 – разрядной шины адреса количество адресуемых ячеек памяти составляет 4 294 967 296 (2³² ).

Шина управления

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией. Сигналы управления определяют, какую операцию нужно выполнять, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

4. Адресация

Почти все время работы процессора связано с оперативной памятью, из которой извлекаются и в которую заносятся данные (операнды), подлежащие обработке. Поэтому работа разбивается на несколько этапов, а их результаты сохраняются. Для этих цепей используется собственная память процессора (регистры).

Все действия по обработке данных в процессоре выполняются командами, представленными в определенном формате – комбинации размера всех полей и их расположения в команде. Команда делится на две области:

- область кода операции (указывает, что вообще необходимо делать);

- область адресов (операнд, с которым это надо делать).

Область адресов состоит из трех полей: в первых двух хранятся адреса операндов, а в третье записывается адрес результата действия над операндами.

В двухадресных командах область адресов состоит из двух полей: полей адресов первого и второго операндов, а адрес результата записывается в поле адреса первого операнда. В одноадресных командах область адресов состоит из одного поля, в котором находиться адрес операнда, а адрес второго операнда и результата совпадает с сумматором. Есть и безадресные команды.

Существует несколько типов адресации одного операнда:

- непосредственная адресация (вместо адреса операнда в команде указывается сам операнд (целое число));

- полный, или абсолютный, тип адресации (в команде указан полный адрес ячейки, где находятся данные);

- косвенная адресация (в поле адреса операнда может быть указан адрес регистра или ячейки оперативной памяти, где хранится тот же адрес, по которому можно найти ячейку с нужным операндом). Количество звеньев (или ступеней перехода) называется глубиной косвенной адресации.

Для нескольких операндов, или массивов, обычно указывается адрес массива и номер (индекс) элемента. Начальный адрес указывается в команде, где также имеется поле с номером регистра, в котором находится значение индекса или номер ячейки в массиве относительно начального адреса – модификация адресов. Существует и относительная адресация, когда в регистре указан начальный адрес, в команде – адрес этого регистра и смещение относительно начального адреса. Все остальные адреса операндов получатся суммированием адреса и смещения.

5. Разрядность

Первые процессорные регистры могли хранить лишь 4 – битные числа. Затем появились 8 – и 16 – битные процессоры, с появлением процессора x386 был реализован 32 – битный режим, что позволило работать с числами размерностью свыше двух миллиардов.

6. Кэш – память

Это статическая память (Statiс RAM – SRAM), которая, в отличие от динамической памяти, не требует периодической регенерации (обновления). Время доступа у этой памяти не более 2 нс., т. е. она может синхронно работать с процессором на частоте 500 МГц и более. Контроллер кэш – памяти находится в чипе северного моста чипсета материнской платы.

В x386 процессорах кэш – память объемом 128 Кб располагалась на материнской плате. Начиная с процессоров x486, появился дополнительный кэш в процессоре, работающий на его частоте, - кэш первого уровня (LevelI – LI). На материнской плате устанавливается кэш второго уровня (L2). В большинстве современных процессоров кэш LI и L2 встроены в ядро процессора. Причем если в PentiumII и PentiumIII кэш второго уровня работает на половинной частоте процессора, то у Celeron, AMDK6 – III, Athlon и PentiumIV – на частоте процессора, что положительно сказывается на производительности.

7. Технологии расширения команд процессора

Первой такой выделенной технологией можно считать MultiMediaeXtension (MMX) – расширение базового набора команд процессора (57 команд для обработки графики и звука). Одной командой можно обрабатывать множество данных, что существенно повышает производительность (SIMD – SingleInstruction, ManyData – одна команда, много данных).