Центральный процессор

Центральный процессор, или центральное процессорное устройство (ЦПУ) (англ. central processing unit — CPU) — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе (рис. 3.1 и 3.3):

- арифметико-логическое устройство;

- шины данных и шины адресов;

- регистры;

- счетчики команд;

- кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

ЦПУ имеет размеры 5*5*0,3 см, устанавливается на материнской плате. На процессоре установлен большой радиатор, охлаждаемый вентилятором (cooler). Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина (рис. 3.3).

Адресная шина.У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных.По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд (управления).Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Эти команды поступают в процессор из оперативной памяти из тех областей, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти: 2¹⁶ = 64 Кб ; 2²⁰ = 1 Мб; 2²⁴ = 16 Мб; 2³² = 4 Гб.

В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. В современных персональных компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти значительно меньше.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеровустройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т. д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверовустройств, которые обычно входят в состав операционной системы.

В стандартный набор контроллеров, разъемы которых имеются на системном блоке компьютера, обычно входят:

- видеоадаптер (с помощью него обычно подключается дисплей);

- последовательный порт СОМ1 (с помощью него обычно подключается мышь);

- последовательный порт COM2 (с помощью него обычно подключается модем);

- параллельный порт (с помощью него обычно подключается принтер); — контроллер клавиатуры.

Через последовательный порт единовременно может передаваться 1 бит данных в одном направлении, причем данные от процессора к периферийному устройству и в обратную сторону, от периферийного устройства к процессору, передаются по разным проводам. Максимальная дальность передачи составляет обычно несколько десятков метров, а скорость до 115 200 бод.

Через параллельный порт может передаваться в одном направлении одновременно 8 бит данных. Максимальное удаление принимающего устройства обычно не должно превышать 3 м.

Подключение других периферийных устройств требует установки в компьютер дополнительных адаптеров (плат).

Основные параметры процессоров

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры были 4-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чемвыше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше производительность процессора. Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты, некоторых процессоров уже превосходят 500 МГц.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

История развития процессоров

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он был 4-разрядный, содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил 300$. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных процессоров.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel и AMD.

На рис. 4.4. приведено изображение микропроцессора Intel Core 2 Duo— одного из наиболее совершенных и мощных процессор выпуска 2007 г.

Рис.4. 4. Микропроцессор Intel Core 2 Duo

Если бы со времени появления процессора i4004 исследователи и разработчики бездействовали и не уменьшали бы размер транзисторов, то сегодня процессор Intel Core 2 Duo занимал бы весьма внушительную комнату площадью несколько десятков квадратных метров, а так кристалл процессора не превышает площадь двухрублевой монеты! Если построить башню из такого же количества копеечных монет, сколько транзисторов сосредоточено на кристалее процессора Intel Core 2 Duo, то она поднимется ввысь на 200 километров, а если эти копейки выложить в одну линию, то данная прямая дотянется от Москвы до Парижа.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, лидирующей в области компьютерных интегральных схем - "чипов", высказал предположение, что число транзисторов в них будет ежегодно удваиваться. В течение последующих 10 лет это предсказание сбылось, и тогда он предположил, что теперь это число будет удваиваться каждые 2 года. И, действительно, число транзисторов в микропроцессорах удваивается за каждые 18 месяцев. Теперь специалисты по компьютерной технике называют эту тенденцию законом Мура.

В соответствии с законом Гордона Мура, реализуется динамика изменения плотности транзисторов на кристалле процессора (рис. 4.5). В 2003 году он оценил количество всех производимых в мире транзисторов в миллиард миллиардов штук ежегодно! Это примерно в 100-150 раз больше, чем существует муравьев на Земле. Причем, по его утверждению, к 2007 году это число, вполне может вырасти еще в 1,5 – 2 раза.

Рис.4. 5. Закона Мура, иллюстрирующий динамику изменения плотности транзисторов на кристалле процессора