Центральний процесор
Центральний процесор (CPU, від англ. Central Processing Unit) – це головний компонент комп’ютера, який виконує арифметичні і логічні операції, задані програмою, управляє обчислювальним процесом та координує роботу всіх пристроїв комп’ютера.
ЦП в загальному випадку містить:
арифметико-логічний пристрій;
шини даних і шини адрес;
регістри;
лічильники команд;
кеш – дуже швидку пам’ять малого обсягу (від 8 до 512 Кбайт);
математичний співпроцесор.
Сучасні процесори виконуються у вигляді мікропроцесорів. Фізично мікропроцесор являє собою інтегральну схему – тонку пластинку кристалічного кремнію прямокутної форми площею в декілька квадратних міліметрів, на якій розміщені схеми, реалізуючі всі функції процесора (малий кремнієвий кристал з декількома мільйонами розміщених у ньому транзисторів).
Основними характеристиками процесора є:
тактова частота (кількість виконуваних за секунду операцій);
розрядність (максимальна кількість розрядів двійкового коду, що можуть оброблятися чи передаватися процесором одночасно).
Центральний процесор працює за програмою. Процес виконання кожної команди складається із послідовної низки операцій. Спочатку із пам’яті видобувається двійковий код команди. Потім цей код перетворюється на внутрішній для процесора код – дешифрується. Нарешті, команда виконується. Для виконання багатьох команд додаються дії, що пов’язані із зчитуванням даних з пам’яті. Це збільшує витрати часу. Щоб прискорити роботу ЦП використовується механізм конвеєризації. Тобто, всі операції, пов’язані з підготовкою команди виконуються одночасно, тобто коли одна команда добувається з пам’яті, друга в цей час дешифрується, а третя виконується. Одночасно на конвеєрі може знаходитись 5-6 команд і кожна на своїй стадії опрацювання.
Сучасні комп’ютери мультизадачні (багатозадачні) – здатні виконувати декілька задач водночас.
Це визначається режимом роботи ЦП.
Реальний (стандартний) режим – задачі виконуються одна за одною. Це однозадачний режим. Задачі, розв’язувані у реальному режимі, можуть використовувати тільки основну і верхню пам’ять (1 Мбайт).
Захищений – одночасне виконання декількох задач в захищеному режимі, тобто процесор так організовує перемикання між задачами, щоб жодна не втратила даних і не зіпсувала дані іншої задачі. Задачі можуть використовувати як основну, так і розширену пам’ять комп’ютера.
Віртуальний режим – декілька задач розв’язуються одночасно, але це відбувається так, немов кожна з них розв’язується окремим процесором в реальному режимі і незалежно від інших задач.
Процесор працює лише з двійковими кодами, тобто цілими числами. Всі дробові числа в комп’ютері називаються дійсними. Для здійснення операцій з дійсними числами процесору доводиться виконувати десятки команд. Для прискорення їх виконання існує співпроцесор – пристрій, призначений для виконання операцій з дійсними числами.
Однією із функцій ЦП є забезпечення процесу введення і виведення інформації – взаємодія з периферійними пристроями. ПП приєднуються через адаптери, які знаходяться в системному блоці комп’ютера і визначають характер взаємодії зовнішніх пристроїв з комп’ютером. Взаємодія ПП з адаптером відбувається через порти введення виведення І/О.
Порти бувають послідовні та паралельні. Через послідовний порт інформація передається послідовно біт за бітом, для передачі інформації використовується лише один провід. Через паралельний порт кілька бітів інформації передаються водночас і для передачі використовуються декілька проводів.
Для здійснення ефективної взаємодії ЦП і ПП у сучасних комп’ютерах застосовується механізм переривання.
Він полягає в тому, що поточна робота процесора може бути зупинена на якийсь час одним із сигналів, який вказує на виникнення ситуації, що вимагає негайної обробки. Такі ситуації виникають при натисненні клавіші на клавіатурі, виходу з ладу пристрою, спробі ділення на нуль тощо.
Кожне переривання має свій унікальний номер і пов’язану з ним програму, призначену для обробки даної ситуації – оброблювач переривання.
При виникненні ситуації, відповідної перериванню з певним номером, ЦП зупиняє свою роботу й починає виконання програми-оброблювача переривання з цим номером. У кожного переривання є пріоритет, чим він вищий, тим швидше буде оброблятися саме це переривання, а всі інші, з меншим пріоритетом “маскуються” – стають в чергу на обробку.
Для того, щоб з’єднати між собою різні пристрої комп’ютера, вони повинні мати однаковий інтерфейс – засіб спряження двох пристроїв, в якомі всі фізичні і логічні параметри согласуються між собою.
Якщо інтерфейс є загальноприйнятим, то він називається стандартним.
Для узгодження інтерфейсів периферійні пристрої підключаються до шини не напряму, а через свої контролери (адаптери) і порти.
Контролери і адаптери являють собою набори електронних ланцюгів, якими укомплектовуються пристрої комп’ютера з метою сумісності їх інтерфейсів. Контролери, крім того, здійснюють безпосереднє управління периферійними пристроями по запитам мікропроцесора.
Порти пристроїв являють собою певні електронні схеми, що містять один або декілька регістрів введення/виведення і дозволяють підключати периферійні пристрої комп’ютера до зовнішніх шин мікропроцесора.
Портами також називають пристрої стандартного інтерфейса: послідовний, паралельний і ігровий порти (чи інтерфейси).
Послідовний порт обмінюється даними з процесором побайтно, а з зовнішніми пристроями – побітно.
Паралельний порт отримує і пересилає дані побайтно.
До послідовного порту зазвичай під’єднують повільно працюючі чи достатньо віддалені пристрої, такі як миша і модем.
До паралельного порту під’єднують більш “швидкі” пристрої – принтер і сканер.
Через ігровий порт під’єднується джойстік.
Клавіатура і монітор під’єднуються до своїх спеціалізованих портів, які являють собою просто роз’єми.
Головні електронні компоненти, що визначають архітектуру процесора, розташовуються на основній платі комп’ютера, яка називається системною чи материнською (MotherBoard). А контролери і адаптери додаткових пристроїв, чи самі ці пристрої, виконуються у вигляді плат розширення (DaughterBoard) і підключаються до шини за допомогою роз’ємів розширення, що також називаються слотами розширення.