Центральный процессор
Функции центрального процессора (ЦП):
- обработка данных по командам программы,
- управление работой устройств компьютера.
Архитектура процессора
К обязательным компонентам ЦП относятся арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).
Все команды выполняются процессором поэтапно: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.
Физически процессор состоит из ячеек. Группы ячеек называются регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, которая способна хранить одну двоичную цифру – один разряд.
У каждого типа процессоров свой состав регистров, и у каждого регистра свое назначение. Состав регистров процессора и их назначение называются архитектурой процессора. Чем сложнее процессор, тем сложнее его архитектура. В процессорах современных ПК несколько десятков регистров. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
Рис. 2. Блок-схема центрального процессора
сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для выборки кодов программы из ячеек памяти;
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимого для ее выполнения.
Система команд процессора
Перечень команд (инструкций) для процессора называют его системой команд. Этот перечень для процессора современного ПК содержит более тысячи команд. У каждого типа процессора своя система команд. Системы команд стандартизированы международными стандартами.
У современных ПК центральный процессор - это сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле кремния или германия площадью меньше 0,1 см2, содержащего более 6 млн транзисторов (для процессоров типа Celeron, Pentium IV) .
Процессоры различаются рядом важных характеристик:
- тактовой частотой обработки информации;
- разрядностью;
- интерфейсом с системной шиной;
- адресным пространством (адресацией памяти)
Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени между передними фронтами двух последовательных импульсов электрического тока. Тактовая частота - это количество тактов в секунду, измеряется в герцах. Например, 1 млн. тактов/с =1млн. гц = 1МГц. Специальные потоки импульсов для всех электронных устройств ПК вырабатывает тактовый генератор, расположенный на материнской плате. Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий высокой стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие ЦП. Процессор с большей тактовой частотой способен выполнять в секунду большее количество операций.
Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большую производительность в обработке данных.
Для определения производительности ЦП в настоящее время рассматривают четыре аспекта - целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео. При этом речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо ЦП, от множества других факторов.
Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть двоичных разрядов - важнейший фактор производительности ЦП. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени. Процессоры бывают 8-, 6-, 32- и 64-разрядными. Процессоры современных ПК - 32-разрядные.
Интерфейс (сопряжение) с системной шиной. Разрядность ЦП может не совпадать с количеством его внешних выводов для линии данных. Например, 32-разрядный ЦП может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины - адресной шиной. Поскольку выполнение процессором команды предусматривает также перемещение данных из одного места памяти в другое, то важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.
Адресное пространство. Объем физически адресуемой процессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Одна из функций процессора состоит в обмене данными с оперативной памятью и внешними устройствами. При этом процессор для ОЗУ формирует код адрес ячейки памяти, а для устройств - код устройства. Код адреса передается по адресной шине. Если разрядность адресной шины - N, тогда максимальное количество различных двоичных чисел для кода адреса может быть 2N. Значит, 2N -- это максимальное количество ячеек оперативной памяти к которым, используя адресную шину, может обратиться процессор. То есть 2N - объем адресного пространства процессора. В частности, ЦП имеющий 32-разрядную шину адреса, имеет объем адресного пространства 232 = 4 Гбайта.