Процессор.

Кроме способности хранить данные, компьютер должен обладать способностью обрабатывать их так, как это предписано алгоритмом. Это значит, что машина должна иметь средства выполнения операций над данными и средства контроля последовательности этих операций. Такие задачи выполняются устройством, которое называется центральным процессором. Процессор— устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера. Современный процессор представляет собой микросхему (англ. chip - чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине - кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором. В последних моделях микропроцессоров содержится до нескольких миллионов электронных компонентов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем (сокет) на материнской плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.

Центральный процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), которое содержит схему, манипулирующую данными, и устройства управления, которое содержит схему, координирующую деятельность машины (см. рис. 1.1).

Для временного хранения обрабатываемой информации в процессоре содержатся ячейки, или регистры, которые похожи на ячейки оперативной памяти. Они хранят входные данные схемы арифметико-логического устройства и обеспечивают область памяти для хранения результата, порождаемого этим устройством. Устройство управления передает данные из оперативной памяти в регистры общего назначения, информирует арифметико-логическое устройство о том, в каких регистрах хранятся данные, активирует соответствующую схему в арифметико-логическом устройстве и сообщает ему, в каком регистре должен храниться результат.

Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик - тактовой частоты и разрядности. В машине находится схема, которая называется тактовым генератором, котораягенерирует импульсы, использующиеся для координирования действий машины. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Соответственно чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Под тактом понимается чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течение которого может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мегагерц (МГц)=миллион тактов в секунду, гигагерц (ГГц)= млрд. операций в секунду. Процессор 8086, произведенный фирмой Intel для персональных компьютеров IВМ, мог выполнять не более 10 млн. операций в секунду, т. е. его частота была равна 10 МГц. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет гигагерцы.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам. С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 КГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. Современные компьютеры оснащаются 32-разрядными процессорами, и при этом их оперативная память обычно составляет 2 – 16 Гбайт.

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство, входящее в состав процессора. Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). Арифметические операции: изменение знака, сложение, вычитание, умножение, деление. К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "и"), логическое сложение (операция "или") и логическое отрицание (операция "не"). На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц.

Теоретической основой для выполнения логических операций являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем (1815-1864), известные как булева алгебра, в которой используются только два числа - 0 и 1. Вначале считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем - сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Все остальные операции, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения. [2, 3, 8]

Вследствие такого строения компьютера задача сложения двух значений, хранящихся в оперативной памяти, представляет собой больше, чем простое выполнение операции сложения. Этот процесс включает в себя и работу устройства управления, которое координирует передачу информации между оперативной памятью и регистрами, находящимися в центральном процессоре, и работу арифметико-логического устройства, которое выполняет операцию сложения по команде устройства управления. Процесс сложения двух чисел можно разбить на пять шагов:

1) взять одно из значений из памяти и поместить его в регистр;

2) взять другое значение из памяти и поместить его в другой регистр;

3) активировать схему сложения, на входе которой будут данные из регистров;

4) сохранить результаты в памяти;

5) стоп.

Для того чтобы можно было применять принцип хранимой программы, центральный процессор должен уметь распознавать инструкции, представленные в двоичном коде. Этот набор указаний вместе с системой кодирования называется машинным языком. Инструкции, написанные на этом языке, называются машинными командами. Список команд, которые должен выполнять и декодировать центральный процессор достаточно короткий.

Все машинные команды можно разделить на три группы:

- команды передачи данных (предписывают перемещение данных из одного места в другое. Как пример, шаги 1,2 (команды загрузки) и 4 (команда сохранения) вышерассмотренного алгоритма. В команды передачи данных входят инструкции для связи центрального процессора с внешними устройствами);

- арифметико-логические команды (в примере шаг 3. К этим командам относятся и команды сдвига);

- команды управления (управляют процессом выполнения программы. В примере шаг 5. Это команды перехода - условного и безусловного - и ветвления). [1]

ПК выполняет программу, хранящуюся в памяти, считывая команды из памяти в устройство управления. Как только команда попадает в устройство управления, она расшифровывается и выполняется. Порядок, в котором команды выбираются из памяти, соответствует порядку их хранения в памяти, если другой порядок не определен командой перехода.