2. Устройство центрального процессора

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• 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.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП). Физически микропроцессор представляет собой интегральную систему – схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадь. Всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

2.1. Структура микропроцессора

Микропроцессор состоит из двух основных частей:

1. Операционной, содержащей устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

2. Интерфейсной, содержащей память, регистры общего назначения (РОН) и специальные регистры, порты ввода – вывода, схемы управления шинами и портами.

   1. Операционная часть

А). УУ предназначено для выработки сигналов управления, поступающих по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки ЭВМ. В свою очередь УУ состоит из отдельных функциональных элементов:

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство микропрограмм;

ДО – дешифратор операций;

УФА – узел формирования адреса;

РК – регистр команд;

КША – кодовая шина адреса;

КШУ – кодовая шина управления.

Структурная схема УУ приведена на рис. 6.6.

Команда управления

КШИ

Адрес

ПЗУ От Памяти команды

От тактового МП

г енератора ДО УФА

У правление

РК КША

Код операции Адрес операндов

КШУ

Рис. 6.6. Структурная схема устройства управления

Алгоритм работы УУ следующий:

1. Сигнал управления поступает через шину КШУ и в регистре команд РК определяет код операции управления, а также часть адреса куда отправлена будет команда управления.

2. Дешифратор ДО в соответствии с кодом операции выбирает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих импульсов, которую передает на КШИ, формируя тем самым команду управления (инструкцию).

3. Одновременно с этим узел УФА вычисляет полный адрес ячейки памяти по данным, поступающим из РК и Памяти МП, а затем по шине КША отправляет адрес команды.

Все эти операции происходит синхронно с импульсами тактового генератора и, в зависимости от команды управления, могут занимать по времени несколько импульсов тактового генератора.

Б). АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Состоит АЛУ из регистров Р1с разрядностью двойного слова и Р2 с разрядностью слова, схемы управления (СУ), сумматора и двух шин: кодовой шины инструкций (КШИ), кодовой шины данных (КШД). Структурная схема АЛУ приведена на рис.6.7.

Р1 – регистр 1-го числа

и результата

Р2 – регистр 2-го СУ

Числа

КШД Сумматор

КШИ

Рис. 6.7. Структурная схема АЛУ

АЛУ выполняет все виды арифметических операций только над целыми цифрами. Выполнение операций над дробными числами или числами с плавающей запятой осуществляется по специальным программам.

Алгоритм работы АЛУ следующий:

1. По инструкции, поступившей от КШИ через СУ в регистр Р1 (первое слово) поступает код первого числа из КШД, который загружается в сумматор.

2. Следующая инструкция от СУ загрузит код второго числа из КШД в регистр Р2 и затем отправит его в сумматор.

3. По команде СУ произойдет сложение двух чисел в сумматоре, результат которого будет отправлен в регистр Р1 (его второе слово).

4. По команде СУ результат сложения может быть отправлен в КЩД.

Все операции алгоритма работы выполняются по командам СУ, принимающей инструкции (команды) от КШИ.

2. Интерфейсная часть МП.

Память интерфейсной части является небольшой, но чрезвычайно быстродействующей: время обращения к ней составляет наносекунды, т.е. тысячные доли секунды. Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации. Память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Регистры памяти делятся на общие и специальные:

Регистры общего назначения (РОН) – предназначены для хранения любой информации и могут быть использованы при выполнении ряда процедур.

Специальные регистры (СР) – используются для хранения адресов и различных признаков выполнения команд, например: переполнения, переноса знака и др.

Порты ввода – вывода - это устройства обмена информацией с внешними устройствами. Каждый порт имеет свой адрес, соответствующий ячейкам памяти устройства, а не памяти МП. Сам порт имеет два регистра памяти (регистр адреса и регистр данных) и аппаратуру сопряжения.

Схема управления шинами и портами – обеспечивает связь с портами системной шины, шины адреса, шины инструкций, шины данных и т.д. При этом алгоритм управления следующий:

1. Посылается команда оповещения устройства, подключенного к порту.

2. Посылается адрес порта.

3. Происходит отзыв порта.

4. Идет обмен данными или информацией через порт.

2.2.Типы микропроцессоров

Все микропроцессоры можно разделить на две группы:

• МП с полным набором команд (CISC - Complex Instruction Set Computing);

• МП с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing).

Микропроцессоры с полным набором команд.

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП с полным набором команд (типа CISC); характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл. 6.1.

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. Процессоры, как и все электронные схемы, получили обозначение типов. Перед типом процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. За ним следует цифровое обозначение типа МП, которое при необходимости дополняется буквами или цифрами, указывающими его особенности и тактовую частоту. Например, i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой частотой 50 МГц. Обозначение «80» в имени процессора часто опускают.

Таблица 6. 1. Характеристики наиболее распространенных CISC МП

Модель МП	Разряд-ность данных, бит	Разряд-ность адреса, бит	Тактовая частота, МГц	Адресное пространство	Число команд	Число элементов	Год выпуска
8086	16	16	4.77 - 8	1 Мбайт	134	70 000	1978
8088	8, 16	16	4.77 - 8	1 Мбайт	134	70 000	1981
80286	16	24	10 - 33	16 Мбайт (вирт. 4 Гб)		180 000	1985
80386	32	32	25 -50	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	240	275 000	1987
80486	32	32	33 - 100	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	240	1.2*106	1989
Pentium	64	32	60 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	240	3.1*106	1993
Pentium Pro	64	32	133 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	240	5.5*106	1995
Pentium II	64	32	200 - 450	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	7*106	1997
Pentium III, IV	64	32	333- 4000	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	42*106	1999

Процессор 8086/8088

Этот процессор применялся фирмой IBM в ее первых ПК. МП 8088 и 8086 работают внутри с 16-разрядными данными. Однако если процессор 8086 как передает, так и принимает 16 бит данных, то 8088 ограничен при обмене данными только 8 битами.

Процессор 80286

Процессор 80286 наряду с реальным режимом он мог также работать и в защищенном режиме. Он имел возможность обращаться уже к 16 Мб физической памяти и даже к 1 Гб виртуальной. Кроме того, МП 80286 переносит существенно более высокую тактовую частоту.

Процессор 80386

Первый компьютер с МП 80386 пришел к нам не от фирмы IBM, а от ее соперника – фирмы Compaq в 1986 г. процессор 386DX, в отличие от 16-разрядного МП 286, является 32-разрядным. Он обеспечивает 32-разрядные операции ввода-вывода и 32-разрядную адресацию. Такая разрядность внутреннего адреса обеспечивает адресацию физической памяти до 4 Гб и виртуальной до 64 Тб. Наиболее распространенная тактовая частота такого МП – 33 Мгц.

Процессор 80486

До недавнего времени в мире ПК этот процессор фактически являлся стандартом широко распространенных компьютеров. Типичная частота процессора 80486DX составляет 33 или 50 МГц. Различия между процессорами 80386 и 80486 значительны. Преимущество в быстродействии МП 486 определяется в первую очередь четырьмя факторами:

• МП 486 имеет расширенный набор команд.

• В микросхему интегрированы 8 Кб кэш-памяти, которая управляется через кэш-контроллер. Эта внутренняя кэш-память (кэш первого уровня) при совместной работе с внешней кэш-памятью (кэш второго уровня) значительно увеличивает быстродействие.

• Математический сопроцессор, выполняющий вычисления с плавающей точкой, интегрирован прямо в МП.

• Реализована конвейеризация вычислений, т.е. каждая последующая команда начинает выполняться сразу же после похождения первой ступени конвейера предыдущей командой.

Для выполнения любой команды программы МП должен выполнить определенную последовательность действий, каждое из которых начинается по сигналу (импульсу) тактового генератора.

У микропроцессоров МП 80386, 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и др. (80486SX, 80486DX), отличающиеся от базовой модели разрядностью шин, тактовой частотой, надежностью работы, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами:

• DX практически совпадает с базовой моделью;

• SX и SL имеют, в частности, меньшую разрядность шин;

• SL и особенно SLE - энергосберегающие, ориентированы на использование в портативных ПК (LapTop, NoteBook).

Микропроцессоры 80486 DX и все последующие модели могут работать с умножением внутренней частоты. Например, у МП 486DX2 внутренняя частота в 2 раза, а у МП 486DX4 в 3 раза выше тактовой. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, а внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой.

Процессор 80586 (Pentium)

Анонсирован корпорацией Intel в марте 1993 г., выпускался до конца 1997 г. МП Pentium работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В настоящее время существуют МП Pentium, работающие на частотах до 200 МГц.

Высокая производительность МП Pentium достигается усовершенствованием старых и применением новых технологий:

• увеличено до пяти количество ступеней конвейера; во-вторых, МП Pentium имеют уже два конвейера, т.е. могут обрабатываться параллельно две команды.

• новым средством МП Pentium является предсказание переходов. Переход – это изменение последовательности выполнения команд в соответствии с алгоритмом программы.

• в МП Pentium интегрировано 16 Кб кэш-памяти, разделенных на 8 Кб кэш-памяти команд и 8 Кб кэш-памяти данных. Благодаря подобному разделению исключается наложение команд и данных.

• МП оборудован сопроцессором, дающим 3-, 4-кратный выигрыш по скорости выполнения операций по сравнению с сопроцессором МП 486.

• Адресная шина МП Pentium 32-разрядная, в то время как шина данных является 64-разрядной.

Аналогами МП Pentium являются процессоры AMD K5 и Cyrix 6x86.

Процессор 80686 (Pentium Pro)

Первые рабочие образцы представлены в феврале 1995 г. обеспечивает более высокий уровень производительности за счет совершенствования старых и применения новых технологий:

• МП Pentium Pro имеет не пять, а четырнадцать ступеней при конвейерной обработке вычислений.

• Имеет не два, а три конвейера.

• Применяется более эффективный метод предсказания переходов, позволяющий повысить вероятность правильного прогноза до 90%.

• Одной из важнейших характеристик МП Pentium Pro является встроенная кэш-память второго уровня. Встроенная в МП и удаленная из материнской платы, эта кэш-память может теперь работать на частоте МП и не зависеть от более низкого быстродействия шины материнской платы.

Процессор Pentium MMX

Впервые анонсирован корпорацией Intel в январе 1997 г. Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных вычислений над целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие и др. программы, которые используют графику, звуки, трехмерное изображение, мультипликацию и т.п.

Наряду с поддержкой новых команд, в МП Pentium MMX, по сравнению с МП Pentium, внесено много схемотехнических и архитектурных решений, повышающих его производительность:

• Вдвое увеличен размер кэш-памяти первого уровня – 16 Кб для команд и 16 Кб для данных.

• Увеличена на один шаг длина конвейера, которая стала составлять 6 ступеней.

• Блок предсказания переходов заимствован у МП Pentium Pro.

• Имеется возможность исполнения двух команд ММХ одновременно.

• Улучшен механизм параллельной работы конвейеров.

• Процессор имеет встроенный тест.

Конкурирующие с корпорацией Intel компании AMD и Cyrix также выпустили ММХ-версии своих процессоров. Это Cyrix 6x86MX и AMD K6.

Процессор Pentium II

Процессор Pentium II представляет собой модификацию МП Pentium Pro с поддержкой ММХ. В отличие от МП Pentium Pro, в процессор Pentium II не интегрирована кэш-память второго уровня.

Конструктивно МП Pentium II, в отличие от всех других процессоров, располагается в специальном картридже, который устанавливается в разъем материнской платы. Этот разъем подобен слотам для установки модулей памяти. Увеличена тактовая частота процессора.

Общая архитектура Pentium-процессора представлена на рисунке 6.6.

Процессор Pentium III

Частота системной шины в зависимости от модели процессора может быть либо 100 МГц, либо 133 МГц. Последние версии процессоров рассчитаны только на 133 МГц шину. Процессор имеет два модуля ММХ. Конвейерный блок вычислений с плавающей точкой, 8 дополнительных регистров и 70 дополнительных инструкций SMID. Имеет возможность выполнения команд с изменением их последовательности.

Максимальный разгон – 200-250 МГц. Коэффициент Умножения, как правило, заблокирован, поэтому остается только разгон с использованием повышения

Процессор Pentium 4

Процессор использует 400 Мгц шину чипсет-процессор с пропускной способностью 3, 2 Гб/с., что в три раза больше чем у аналогичных систем на базе Pentium III. Кэш первого уровня – 12000 инструкций (8 Кб), кэш второго уровня – 256 Кб, работает на частоте процессора.

Дополнительные наборы команд и применяемые технологии: блок целочисленных операций процессора работает на удвоенной частоте ядра. Добавлены 144 новых SMID инструкций – набор SMID (всего 214 инструкций). Улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования.

Хороший процессор для высокопроизводительных профессиональных систем.