Центральный процессор

^птртшый прощсйор (ЦЩ vm Central Procesdng Unit (CPU) — зтЪ часть жтщ*ахтф^;IЩЩтртщщ компьютера» отвечающая за выполнение операций, заданных программами!''

Центральные процессоры современных компьютеров обычно выполняются в одном корпусе в виде одной сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Количество транзисторов внутри одного современного процессора — от десятков до сотен миллионов.

10.6.1. Классификация процессоров

С момента создания первого однокристального (то есть выполненного как одна микросхема) процессора (процессор 4004, выпущенный корпорацией Intel в 1971 году) темпы развития технологий в этой отрасли промышленности по
стоянно увеличиваются. Поиски решений, нацеленных на достижение как можно большей продуктивности и эффективности, ведутся множеством фирм и исследовательских коллективов практически во всех возможных направлениях. Интенсивная работа на таком широком фронте привела к созданию тысяч разновидностей процессоров. На схеме, приведенной на рис. 10.14, показаны только наиболее важные критерии, по которым можно классифицировать современные процессоры.

I Процесоры

По разрядности |

По разработчику! | По назначению

По микроархитектуре

По системе команд

32-разрядные ^L 64-разрядные

Intel Pentium III

- Intel Pentium 4

- Intel Core

-CISC - RISC -VLIW - MISC

- AMD Athlon 64 IBM PowerPC970

- Intel

- AMD IBM VIA

h SUN Microsystem

- для серверов

для рабочих станций

- для настольных компьютеров

- для ноутбуков

- для интернет-устройств встраиваемые

Рис. 10.14. Классификация процессоров

На рис. 10.14 используются следующие сокращения:

□ CISC (Complex Instruction Set Computing) — процессоры с полным набором команд;

□ RISC (Reduced Instruction Set Computing) — процессоры с сокращенным набором команд;

□ VLIW (Very Long Instruction Word) — процессоры с набором длинных команд, у которых одна команда содержит описание сразу нескольких операций;

□ MISC (Minimal Instruction Set Computer) — процессор с минимальным набором длинных команд.

10.6.2. Работа центрального процессора

Как центральный процессор осуществляет выполнение компьютерной программы и манипуляции данными?

Начнем с понятия машинного цикла. В центральном процессоре существует специальная область памяти (регистр), которая называется счетчиком команд. Когда включается компьютер, в счетчике команд находится число 0 (или другое фиксированное значение), которое соответствует адресу первой ячейки памяти. Центральный процессор «смотрит» в эту ячейку памяти, интерпретирует число, которое там находится, как команду, считывает данные, указанные командой, выполняет над ними операцию, записывает результат операции в память, увеличивает счетчик команд, считывает следующую команду по адресу, который указан
в счетчике команд, и все повторяется снова. Эта последовательность операций, изображенная на рис. 10.15, носит название машинного цикла.

Один из элементов процессора задает темп его работы — это генератор тактовой частоты. Каждый раз, когда генератор вырабатывает импульс, процессор выполняет одно действие. На рисунке 10.15 обработка одной инструкции процессора состоит как минимум из 8 действий (возможно и большее их число, если имеют место повторения, обозначенные пунктирными стрелками).

Рис. 10.15. Машинный цикл

10.6.3. Структура центрального процессора

В общем виде структура центрального процессора, соответствующая процессорам Intel 80486, представлена на рис. 10.16.

На рисунке видны три функциональных блока, из которых состоит процессор. □ Операционный блок предназначен для выполнения простейших действий над операндами. В нем располагаются: О арфиметическое логическое устройство (АЛУ); О регистры операндов (буферный регистр и регистр-сдвигатель), О регистр результата (аккумулятор); О блок регистров общего назначения (РОН);

Два триггера, Тг1 и Тг2, нужны для временного хранения перенесенного из старшего разряда бита.

Арифметико-логическое устройство выполняет несколько простейших арифметических (сложение, вычитание) и логических (И, НЕ, ИЛИ) операций. Более сложные операции, для которых аппаратная реализация отсутствует, выполняются программно с использованием для хранения промежуточных результатов блока регистров общего назначения.

□ Блок управления определяет порядок выборки инструкций, выполняя следующие функции:

О считывает и запоминает текущую команду; Q формирует адрес следующей команды;

Q реализует выполнение поступившей команды в соответствии с ее алгоритмом (декодируя выбранную из памяти инструкцию, блок управления разбивает ее на ряд последовательных микрокоманд, то есть элементарных операций, которые умеет выполнять АЛУ, формируя таким образом микропрограмму для выполнения данной инструкции;

Q управляет обменом информацией с внешними устройствами по системной шине.

В блоке управления под аббревиатурой Б ФУ С скрывается блок формирования управляющих сигналов.

□ Интерфейсный блок согласует работу процессора и системной шины (системная шина объединяет в себе шину данных, шину управления и шину адреса).

Внешняя Внешняя Внешняя шина шина шина данных управления адреса Рис. 10.16. Структура центрального процессора

10.6.4. Пути повышения производительности центрального процессора

Производительность центрального процессора выражается в миллионах элементарных операций, выполняемых за секунду, и измеряется в mips (Million Instructions Per Second).

Повышение тактовой частоты процессора. В приведенной упрощенной функциональной схеме процессора вся работа выполняется процессором последовательно, согласно командам блока формирования управляющих сигналов (БФУС), который в свою очередь выполняет микропрограммы выбранных из памяти и декодированных инструкций. При такой микроархитектуре единственным путем повышения производительности процессора является увеличение количества выполняемых микрокоманд в единицу времени, то есть путем повышения тактовой частоты процессора. Именно это вызывает постоянное уменьшение размеров и увеличение плотности расположения полупроводниковых элементов на кристалле СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). Чем меньший размер имеют элементы, тем более высокую частоту работы они могут обеспечить.

Конвейерная обработка. В случае, когда микроинструкции выполняются последовательно, одна за другой, работу процессора можно сравнить с работой ремесленника-одиночки: он выполняет микрооперацию при помощи одних инструментов, а другие в это время простаивают. Принцип конвейерной обработки полностью соответствует конвейеру на промышленном производстве: инструкции выбираются каждый такт, их выполнение передается от одного инструмента к другому, таким образом все инструменты процессора оказываются равномерно загруженными, а результат выполнения инструкций (как и их выборка) формируется во время каждого такта работы процессора (рис. 10.17).

Промежуточные буферы

Чтение операндов (40)

Исполнение операции (ИО)

Запись результата (ЗР)

Такты работы процессора 23456789

;дкчЬиозр

BK ДК ЧОИОЗР | BK ДК ЧОИОЗР

вкдкчриозр

Команда/ Команда / +1 Команда / + 2 Команда / + 3 Команда / + 4 Команда / + 5

BK ДК ЧОИОЗР BK ДКЧОИОЗР

Рис. 10.17. Конвейерная обработка команд

Суперскалярная архитектура. При наличии в процессоре нескольких блоков декодирования и выполнения команд множество команд может выполняться параллельно.

Симметричная многопроцессорность (Symmetric Multiprocessor, SMP). При поддержке симметричной многопроцессорности в одном корпусе (на одной материнской плате) размещают несколько процессоров для параллельной обработки заданий.

Многоядерность. На одном кристалле (в одном корпусе процессора) размещают несколько практически полностью независимых процессоров, предназначенных для параллельного выполнения заданий.

Системный блок

В зависимости от того, о какой категории компьютеров идет речь, системный блок может быть выполнен в виде автономного блока (например, у настольных персональных компьютеров), составлять единое целое с клавиатурой, но иметь откидной, закрепленный на нем монитор (ноутбук), или быть монолитным, включающим в себя все составляющие компьютера (наладонные и некоторые типы планшетных компьютеров).

Системный блок служит одновременно и защитным корпусом, и тем механическим скелетом, на котором крепятся остальные функциональные узлы компьютера:

□ источник питания;

□ материнская плата;

□ жесткие диски;

□ дисководы;

□ CD-приводы;

□ вентиляторы (кулеры);

□ карты адаптеров.

На рис. 10.18 показана типичная конструкция системного блока персонального компьютера.

Цифрами на рисунке обозначены следующие компоненты:

1. Процессор.

2. Линейка оперативной памяти.

3. Блок питания.

4. Устройство для чтения-записи CD-DVD.

5. Кулер (вентилятор охлаждения процессора).

6. Жесткий диск.

7. Сетевой адаптер (специальное устройство, обеспечивающее соединение с компьютерной сетью), устанавливаемый на материнскую плату.

8. Материнская плата.

Сегодня к компьютеру можно подключить столько разных устройств, что пользователь невольно теряется перед огромным количеством разного рода гнезд, отверстий и штекеров. На самом деле, производители компьютерного оборудования сделали все, чтобы любой разъем было просто невозможно подключить в «неправильное» место. Все разъемы на компьютере отличаются размерами, количеством ножек и диаметром отверстий. В редких случаях, когда разъемы у разных устройств совпадают по конструкции (например, у мыши и клавиатуры или у микрофона и колонок), они обязательно маркируются цветом, который совпадает с цветом разъема подключаемого устройства. Рисунок 10.19 иллюстрирует основные типы разъемов компьютера.

Рис. 10.18. Конструкция системного блока персонального компьютера