6.2.2. Характеристики процессора

Персональные компьютеры (ПК) строятся на базе микропроцессоров. Микропроцессор – это сверхбольшая интегральная схема, созданная в едином полупроводниковом кристалле с применением микроэлектронной технологии.

Характеристики процессора определяются его типом. В настоящее время персональные компьютеры создаются на базе микропроцессоров различных фирм (DEC, IBM, Motorola и т.д.). Наибольшее распространение при выпуске ПК получили микропроцессоры фирмы Intel (Integrated Electronics), первой выпустившей 16‑разрядный микропроцессор.

Если за основу принять классификацию процессоров фирмы Intel, то процессоры разных поколений сначала просто нумеровались: Intel 8086 – первый процессор семейства, Intel 80286 – процессор второго поколения (первый процессор, в котором был реализован защищенный режим работы с аппаратной поддержкой виртуальной памяти и мультизадачности), Intel 80386 – процессор третьего поколения (первый 32‑разрядный процессор семейства), Intel 486 – процессор четвертого поколения (первый микропроцессор семейства с внутренней кэш-памятью, со встроенным математическим сопроцессором и конвейеризацией вычислений). Процессор пятого поколения, включающий параллельные конвейеры для обработки данных (суперскалярный процессор) и средства предсказания ветвления, получил собственное имя – Pentium (P5). Процессоры P5 (Pentium, Pentium MMX) отходят в прошлое. Современными являются процессоры поколения P6 (Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Pentium III, Intel Celeron). Разработаны процессоры следующего поколения – P7, имеющие принципиально новую архитектуру.

Другие фирмы также выпускают микропроцессоры, которые можно отнести к тем же поколениям, под собственными марками (AMD, IBM, Cyrix).

Основными характеристиками процессоров являются аппаратно поддерживаемые типы данных и система (набор) команд, которые процессор может выполнять, обрабатывая эти данные. Большинство используемых в настоящее время ПК строятся на базе 32‑разрядных процессоров, имеющих 32‑разрядные регистры и 32‑разрядную шину данных (все современные микропроцессоры способны обрабатывать 32‑разрядные целые числа и массивы чисел, символы и символьные строки). Кроме того, в систему команд включаются команды обработки 64‑разрядных данных. Разрядность самых «длинных» данных, которые может обрабатывать процессор, называется его разрядностью.

Еще одна характеристика процессоров – объем памяти, которую они могут адресовать. Чем больше объем памяти, с которой может работать процессор, тем больше команд может содержать выполняемая программа, и тем больше объем данных, которые процессор может обработать. Адресное пространство процессора – это количество адресов, к которым может обратиться процессор, используя все разряды шины адреса; это максимальный объем внутренней памяти, с которым может работать машина. Он однозначно определяется разрядностью шины адреса. В современных микропроцессорах используется 32‑разрядная адресация памяти, т.е. процессоры могут адресовать 2³² ячеек памяти (байтов), что соответствует 4 Гб (гигабайтам). Для мощных серверов реализована поддержка 64‑разрядных адресов.

Обязательным требованием к современным процессорам является аппаратная поддержка виртуальной памяти (расширения оперативной памяти за счет памяти на дисках), мультизадачности (организации параллельного выполнения нескольких программ) и средств защиты.

Процессоры расширяются специальными блоками, ориентированными на поддержку различных технологий.

Математический сопроцессор предназначен для ускорения обработки числовых данных различных типов. В процессорах Intel устройство FPU (Floating Point Unit) предназначено для обработки чисел с плавающей точкой в трех форматах, двоичных целых чисел со знаком длиной 64 разряда, 80‑разрядных двоично-десятичных чисел.

Расширение MMX (MultiMedia eXtention – расширение мультимедиа) ускоряет обработку мультимедийных данных (графики, звука) и операций, связанных с обменом данными по сети. Команды MMX позволяют выполнять одну и ту же операцию одновременно над массивом данных. В современных компьютерах используются более мощные расширения команд – системы команд SIMD (Single Instruction – Multiple Data – процессор выполняет один поток команд, одиночные инструкции (операции), применяемые к массиву данных).

Еще одна важная характеристика процессоров – тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц), характеризующая быстродействие процессора. С помощью тактовых сигналов осуществляется согласование работы устройств процессора. Таким образом, чем больше тактовая частота, тем быстрее работает процессор.

Тактовая частота и обозначение поддерживаемых процессором технологий обычно указываются в названии процессора: P300MMX, P‑II‑266, P‑III‑450, например. В настоящее время некоторые фирмы (например AMD для K5, Cyrix, IDT) «завышают» тактовую частоту процессора в его названии (P‑rating), поскольку эти процессоры должны при своей истинной (более низкой) тактовой частоте работать сравнимо с процессорами Intel указанной в названии тактовой частоты.

Наличие кэш-памяти позволяет сократить при выполнении процессором программ количество обращений к памяти и конфликтных ситуаций, связанных с необходимостью передавать данные по общей шине, которая соединяет несколько устройств, каждое из которых может пытаться передавать данные одновременно с другими, следовательно, сокращается и время выполнения программы.

Конвейеризация вычислений основана на распараллеливании во времени выполнения различными функциональными блоками процессора своих функций. Выполнение каждой команды разбивается на этапы, каждый этап выполняется своим функциональным блоком (например, опережающая выборка команд, дешифрация команд, вычисление адреса операнда (данных) и его считывание, собственно выполнение команды и сохранение результатов). Таким образом, процессор может одновременно выполнять несколько «втянутых» в конвейер команд.