4. Микропроцессор (мп). Состав и основные функции. Процессоры risc и cisc.

Центральным устройством ЭВМ является микропроцессор. Он управляет работой всех остальных ее блоков, а также осуществляет арифметические и логические операции над числами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), называют также микропроцессорами. Сейчас не микропроцессорных ЦП практически не осталось, поэтом ЦП и микропроцессор сейчас почти одно и тоже. Исключения составляют суперкомпьютеры, но о них речь пойдет позже.

В состав микропроцессора входят следующие компоненты:

Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или просто такт работы машины. Каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов.

Устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы): формирует адреса ячеек памяти, используемых в текущей операции, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера. Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет все арифметические и логические операции над данными.

Микропроцессорная память (МПП) – предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы ЭВМ. ММП строится на регистрах. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины.

Интерфейсная система МП предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ЭВМ. Включает в себя внутренний интерфейс МП, схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Интерфейс – совокупность средств связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порты ввода-вывода – это элементы интерфейса ЭВМ, через которые ММП обменивается информацией с другими устройствами.

Под архитектурой МП мы будем понимать его программную модель, то есть программно-видимые свойства.

Под микроархитектурой МП понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры применяются различные микроархитектурные реализации.

Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые можно разделить на две категории RISC и CISC:

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – МП с сокращенной системой команд. Имеется набор однородных регистров универсального назначения. Система команд отличается простотой, коды инструкций имеют четкую структуру. В результате чего аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и исполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов. При необходимости выполнения более сложных программ в МП производится их сборка из более простых.

Такую архитектуру имеют, например, процессоры PowerPC (которые используются, в частности в ЭВМ типа Macintosh).

CISC (Complete Instruction Set Computer) – МП с полным набором инструкций. Состав и назначение регистров существенно неоднородны, широкий набор команд, что усложняет декодирование инструкций, на что расходуется аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимых для выполнения инструкций.

К этой архитектуре относятся популярные среди ПЭВМ процессоры x86, которые являются основой семейства компьютеров IBM PC.

Эти процессоры имеют самую сложную в мире систему команд. Насколько это хорошо или плохо – вопрос спорный. Так получилось, что первые процессоры этого семейства (8086 и 8088) имели именно CISC архитектуру и для совместимости с уже написанным для IBM PC ПО, следующие процессоры также ее поддерживали. Однако в процессорах этого семейства, начиная с 486, применяется комбинированная архитектура: CISC-процессор имеет RISC-ядро. То есть на уровне программной модели эти процессоры представляют собой CISC архитектуру, а микроархитектура этих процессоров близка к RISC. Такая организация, с одной стороны, позволяет сохранить совместимость с нижними моделями семейства, а с другой, позволяет использовать преимущества быстродействия RISC архитектуры. Физически это выглядит так: сложные CISC-инструкции, задаваемые программистом, разбиваются сначала на последовательности более простых RISC-микроинструкции, которые и исполняются микропроцессором.