10.3. Центральний процесор
Мікропроцесор – це пристрій, що служить для арифметичних і логічних перетворень даних, для організації обігу з ОП і зовнішніми пристроями і для керування ходом обчислювального процесу.
У комп'ютері обов'язково повинен бути присутній центральний процесор (СPU – Central Processing Unit). У багатопроцесорній системі функції центрального процесора розподіляються між декількома звичайно ідентичними процесорами для підвищення загальної продуктивності системи, а один з них призначається головним. На допомогу центральному процесору в комп'ютер введені співпроцесори, орієнтовані на виконання яких-небудь специфічних функцій. Широко поширені математичні співпроцесори, які ефективно оброблюють числові дані у форматі з плаваючою комою; графічні співпроцесори, що виконують геометричну побудову і обробку графічних зображень; співпроцесори вводу-виводу, що розвантажують центральний процесор від нескладних, але численних операцій взаємодії з периферійними пристроями. Можливі і інші співпроцесори, проте всі вони не самостійні – виконання основного обчислювального процесу здійснюється центральним процесором, який відповідно до програми видає «завдання» співпроцесорам на виконання їх «партій».
Центральний процесор задається наступними характеристиками:
тактова частота генератора (більше 3 Ггц) і залежний від неї машинний такт ( 10 –100 нс). Чим коротший машинний такт, тим вища продуктивність процесора;
ступінь інтеграції показує, скільки транзисторів містить процесор (від десятків тисяч до сотень мільйонів);
внутрішня розрядність процесора або розрядність адресної шини (розрядність Pentium становить 32, а Itanium – 64);
кількість рівнів кеш-пам'яті і її обсяг;
частота системної шини (або швидкість зміни вмісту пам’яті – 800 Мгц);
напруга живлення і потужність (Itanium 2 – 1,5 В, 62 Вт; Pentium – 3,5-5 В, 130 Вт).
Сучасні процесори вставляються в гніздо материнської плати за допомогою багатоконтактних розніміів (гніздо Socket 478 для Pentium IV і 611 контактне гніздо для Itanium 2). Розрядність адресної шини впливає на обсяг пам'яті, що адресується. Так, за допомогою 32-розрядної шини можна максимум адресувати 4 Гбт пам'яті, при 64-розрядної – до 1 Тбт. Розрядність шини даних впливає на продуктивність роботи комп'ютера.
У даний час існує велике число різновидів мікропроцесорів, що розрізняються за призначенням, функціональними можливостями, структурою, виконанням. Найбільшого поширення набули IBM сумісні комп'ютери.
Процесори фірми Intel зображені на рис. 10.2.
Центральні процесори для IBM сумісних комп'ютерів виготовляють фірми: Intel, AMD, Sun. Процесори з подібною архітектурою утворюють сім'ї.
Перший процесор фірми Intel 4004 (1971г.) був чотирирозрядний, з тактовою частотою 800 кГц і працював з пам'яттю 640 байт. Тепер цей процесор використовується в калькуляторах.
Найбільш поширені серед 16-бітових мікропроцесорів: Intel 8086, Intel 8088, 32-бітових – Intel 80386, Intel 80486, 64-бітових – Pentium які сумісні за ідеями і форматом даних від низу до верху. Ці мікропроцесори використовуються в різних модифікаціях. Тип – Intel 8086/8088 є базовим для IBM сумісних комп’ютерів. Всі подальші типи МП ґрунтуються на ньому і лише розвивають його архітектуру.
Окремо слід зупинитися на процесорі Pentium, промислові поставки якого почалися в 1993 році. Використовування нової (субмікронної) технології зробило можливим збільшити кількість транзисторів від 3,1 млн в процесорі Pentium I до 178 млн в Pentium IV. Даний процесор має 64-бітову шину даних і шинний інтерфейс, 32-бітовий цілочисельний блок АЛП, підтримує багатопроцесорний режим роботи, високопродуктивний блок обчислень з плаваючою точкою, блок конвеєрних обчислень з плаваючою точкою. Суперскалярна архітектура дозволяє виконувати дві інструкції одночасно. Тактова частота процесора Pentium IV становить 3,4 ГГц.
Відгалуженням процесорів сімейства Pentium стали процесори сімейства Xeon, призначені для багатопроцесорних серверів. Вони працюють з частотою понад 3 ГГц і містять 169 млн транзисторів.
Іншим відгалуженням фірми Intel стали процесори сімейства Сeleron, які є спрощеним, а значить, більш дешевим варіантом процесорів Pentium (тактова частота 2,8 ГГц.)
Крім того, фірма Intel розробила процесор Pentium М із зниженим споживанням, працюючий на частоті 1,4 Ггц.
Перший 64-розрядний процесор – Itanium з'явився в 2001 році. Адресна шина цього процесора стала 64-розрядною, що дозволило адресувати пам'ять до 1 Тбт. Itanium 2 працює на частоті 3 Ггц.
Процесори AMD – це більш прості і дешеві клони фірми Intel. Так, 32-розрядний AMD Athlon XP, AMD Athlon MP є аналогами Pentium IV і Itanium 2 відповідно. Більш дешева версія процесора AMD – процесор Ceptron (Duron).
Процесор VIA C3 (спадкоємець фірми Cyrix – колишнього конкурента фірми Intel) з тактовою частотою 1,4 Ггц призначені для використовування в настільних і портативних комп'ютерах з підвищеними вимогами до захисту даних.
Сімейство процесорів UltraSPARC використовують у комп'ютерах, виготовлених фірмою Sun. Процесори PowerPc використовують для комп'ютерів серії Macintosh і фірми Intel.
Структура сучасних мікропроцесорів значно змінилася. Структура і основні компоненти процесора Itanium 2 наведені на рис. 10.3.
Так, процесор Itanium 2 містить:
блок регістрової пам'яті;
блок кеш-пам'яті;
блок обробки команд;
блок виконання команд;
блок прогнозування переходів;
блок керування.
Регістрова пам'ять призначена для зберігання даних, адрес, команд.
Робочий цикл процесора менший від часу доступу до оперативної пам'яті. Тому процесор вимушений простоювати. Для зменшення часу простою використовується пам'ять, яка отримала назву кеш-пам'ять. Ця пам'ять використовує більш швидкодійні (і більш дорогі) елементи, ніж оперативна пам'ять. Це зменшує час простою процесора, оскільки при повторному зверненні до пам'яті немає необхідності спілкуватися з оперативною пам'яттю, тому що дані зберігаються в кеш-пам'яті.
Рис. 10.3. Структура і основні компоненти процесора Itanium 2
Кеш-пам'ять складається з трьох основних компонентів:
контролера кеш-пам'яті, керівника взаємодією кеш-пам'яті і системної шини процесора;
кеш-пам'яті даних;
кеш-пам'яті адрес.
Розрізняють кеш-пам'ять першого L1 і другого L2 рівня. Кеш-пам'ять першого рівня більш швидкодійна, її обсяг 8–16 кбт, вбудована в процесор. Кеш-пам'ять другого рівня (обсяг від 256 Кбт до 1 Мбт) раніше розміщувалася на материнській платі виконана у вигляді окремого блока, тому її часто називають зовнішньою. В деяких моделях між L2 і системною шиною використовують пам'ять L3 (обсяг до 2 Мбт) і називають її пам'яттю третього рівня.
Блок обробки команд призначений для завантаження і дешифрації команд.
Блок виконання команд спроектовано за технологією RISC, яка припускає більш швидке виконання команд, які часто використовуються. Використовується конвеєрна обробка команд, коли перший етап подальшої команди починається зразу ж після закінчення першого етапу подальшої команди. Тому такі процесори називаються скалярними. Процесори, що мають конвеєри, називаються суперскалярними.
Блок прогнозування переходів виконує аналіз раніше виконаних переходів і прогнозує можливість переходу.
Блок керування містить блок керування процесором і блок обробки переривань.
Основне призначення процесора полягає в обробці інструкцій з обробки даних – команд машинної мови процесора. Сукупність цих команд утворюють набір команд цього процесора. Основним або базовим набором команд фірми Intel називають набір команд процесора Intel 8086, який виконує наступні команди:
переміщення даних (MOV);
команди двійкової арифметики (додавання – ADD, віднімання – SUB, множення – MUL, розподіл для чисел з фіксованою комою – DIV);
команди десяткової арифметики для двійково-десяткових чисел;
логічні операції (AND, OR, NOT, XOR);
команди зсуву (SHL, SHR, SAR, SAL, RCL, RCL, ROR, ROL);
установки і перетворення бітів;
команди керування (умовного і безумовного переходу – JUMP);
команди вводу-виводу (IN, OUT);
системні команди (INT N).
Команди обробки чисел у форматі з плаваючою точкою спочатку виконувалися програмно, або виконувалися в окремому співпроцесорі, який зараз є вбудованим.
У наступній модифікації МП фірми Intel – 8086 реалізована розширена система команд. Розширення системи команд продовжується у всіх нових моделях, але, окрім цього, в кожній новій моделі вводяться додаткові архітектурні рішення: в 80286 введені вбудований блок керування ОП, працюючий у віртуальному режимі (що дозволило збільшити гранично допустимий обсяг віртуальної пам'яті до 4 Гбайт при 16 Мбайт фізичної), і блоки, що дозволяють реалізувати мультизадачність – блок захисту ОП і блок перевірки рівня привілеїв. Крім того, у всіх подальших моделях вводяться і удосконалюються засоби, що дозволяють підвищити продуктивність МП: удосконалюються конвеєр команд і вбудований блок керування ОП, вводяться мікропрограмне керування операціями, прогнозування переходів за командами умовної передачі керування, скалярна архітектура ЦП (арифметичний конвеєр) і мультискалярна архітектура (дещо паралельно працюючих арифметичних конвеєрів, одночасно виконуючих машинні операції, завдяки чому з'являється можливість за один такт МП виконувати більше однієї машинної операції). Починаючи з 80486, в кристалі МП розміщується арифметичний співпроцесор для операцій з плаваючою точкою.
В процесорі Pentium MMX, реалізована технологія мультимедійного розширення для обробки звукових і відеосигналів, яка дозволяє пересилати восьмибайтні слова, упаковувати і розпаковувати дані і виконувати над ними операції в упакованому вигляді.