2. Процессоры Назначение и характеристика компонентов процессора

Процессор – устройство, обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды, а также передавать и принимать информацию от других устройств. Технически процессор, или центральный процессорный блок (Central Processing Unit – CPU) – это специальная микросхема (или плата с набором микросхем), называемая чипом. Чип – кремниевая пластинка размером в несколько см. Чипы состоят из большого количества транзисторов, соединенных между собой.

Конструктивно современный процессор включает:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

• устройство управления (УУ), служащее для подачи управляющих импульсов;

• генератор тактовых импульсов, определяющий время одного такта работы машины, то есть время между импульсами;

• регистры – быстродействующие ячейки, ускоряющие выполнение программ. Регистры делят на:

• регистры общего назначения (РОН), хранящие данные;

• управляющие регистры, хранящие команды.

• кэш-память – сверхоперативная высокоскоростная память, позволяющая ускорять процесс выполнения операций.

• блок связи с системными шинами.

Типы архитектур процессоров

Архитектуру процессора определяет принцип организации и выполнения в ней команд.

СISC (Complex Instruction Set Computing) – архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Ее характеристики:

• большое число машинных команд, выполняемых за много тактов;

• большое число форматов команд различной разрядности;

• большое время обработки команд;

• небольшое число регистров общего назначения;

• большое количество операций типа «регистр-память»;

• большое число методов адресации.

Реализация CISC-архитектуры осуществлена в следующих моделях процессоров:

• Intel: 80386.

• AMD: 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66, 486DX4-120.

• Cyrix: M6, M7, DX2-50, DX2-66.

• Motorola: MC68020, MC68030, MC68040.

RISC–архитектура (Reduced Instruction Set Computting) построена на основе сокращённого набора команд. Ее характеристики:

• операция выполняется за один такт;

• набор команд содержит минимальное число наиболее употребляемых простейших инструкций одинаковой длины;

• при необходимости выполнения сложных команд микропроцессор производит их автоматическую сборку;

• обработка данных только в формате «регистр-регистр»;

• более высокое быстродействие (в 4 раза больше СISC).

RISC–архитектура создавалась, чтобы минимальными аппаратными средствами создать ЭВМ с высокими возможностями. Идея этой конструкции в следующем: сложные команды встречаются редко. Представляя сложные команды совокупностью простых, можно упростить аппаратную реализацию процессора. Реализация таких процессоров выполнена на последующих моделях выше перечисленных СISC-моделей.

VLIW (Very Long Instruction Word) – архитектура со сверхбольшим командным словом. Эта архитектура – компромисс между СISC и RISC. Ее характеристики:

• команда состоит из нескольких RISC-команд;

• команды содержат ряд полей;

• каждое поле управляет работой отдельного блока процессора;

• длина команды обычно – 64 разряда.

VLIW-архитектура реализована:

• на большинстве мультимедийных процессоров с производительностью более 1 млрд. оп./сек.;

• в линии моделей AP-120B/FPS-164/FPS-264 фирмы Floating Point Systems.

В последнее время на арену выходит еще одна разновидность процессорных архитектур – MISC (Minimum Instruction Set Computer) – архитектура с миниальным набором команд.

Модели выполнения команд процессором

Известны следующие три модели выполнения команд процессором: последовательная; конвейерная, суперскалярная.

При последовательной (скалярной) модели – выполнение следующей команды начинается только после окончания выполнения предыдущей.

При конвейерной модели (параллелизм на уровне подопераций) – выполнение следующей команды начинается до полного окончания выполнения предыдущей. При этом происходит:

• разделение сложной операции на простые независимые части примерно равной трудоемкости;

• одновременное выполнение разных подопераций с независимыми данными;

• ускорение процесса обработки.

Суперскалярная модель (параллелизм на уровне команд) – в этой модели выполняется несколько операций за один такт. При этом происходит:

• распознавание зависимых и независимых команд;

• зависимые команды выполняются по последовательной модели;

• независимые команды выполняются по конвейерной модели.

Основные семейства процессоров

Совокупность команд, которые может выполнять процессор, называется системой его команд. Процессоры, имеющие одинаковые или приблизительно одинаковые системы команд, относят к одному семейству. Они взаимозаменяемы. Если процессоры имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, не совместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Например: Все процессоры Intel Pentium относятся к семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086.

Впоследствии выпускались процессоры: Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium ММХ, Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Pentium III и др.

Процессор Pentium – это зарегистрированная торговая марка процессоров пятого поколения корпорации Intel. Первый процессор типа Pentium появился в 1993г.

Процессор Celeron – это тоже продукт корпорации Intel. Он стоит несколько особняком, поскольку выделяется из общей линейки некоторыми революционными идеями. Первый Celeron появился в 1998г.

Все эти модели и некоторые модели других компаний, таких как: AMD, Cyrix, – относятся к семейству х86 и обладают совместимостью сверху-вниз. Принцип совместимости сверху-вниз – это неполная совместимость, когда каждый новый процессор воспринимает все команды предшественников, но не наоборот.

Ввиду сложности внутреннего построения и дороговизны производства процессоров их разработкой и изготовлением занимается несколько фирм: Intel, AMD, Cyris, Motorola. Сегодня на компьютерном рынке более активно выступают фирмы:

• Intel с процессорами: 80486, Pentium, Pentium Pro, Celeron, Xeon, Merced и др.

• AMD с процессорами: K6, K7, K7 Duron, K7 Athlon и др.