2.1. Процессор

Центральным устройством, во многом определяющим воз- можности компьютера, является процессор.

_{Процессор – это блок, предназначенный для автоматического}

считывания команд программы, их расшифровки и выпол- нения.

Вид микропроцессора со стороны выводов

Название «процессор» происходит от английского глагола «to process» – обрабатывать. Иными словами, процессор – это блок компьютера, который автоматически обрабатывает информацию по заданной программе.²⁴

Процессор, изготовленный в виде большой или сверхбольшой интегральной схемы

(БИС, СБИС), называется микропроцессором.

Любой процессор обязательно включает в себя две важные части, каждая из которых решает свои задачи:

арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее обработку данных, и устройство управления (УУ), которое управляет выполнением программы и обес- печивает согласованную работу всех узлов компьютера.

2.1.1. Арифметико-логическое устройство

В простейшем случае АЛУ состоит из двух регистров, сумматора и схем управления операциями (об устройстве сумматора и регистров можно прочитать в главе 3). При вы- полнении операций в регистры помещаются исходные данные, а в сумматоре они склады- ваются.

Как показано в главе 4, все остальные арифметические операции могут быть тем или иным способом сведены к сложению. Тем не менее, нередко для ускорения умножения и деления инженеры идут на усложнение АЛУ. Например, в процессорах широко использу-

ется метод умножения чисел с использованием таблиц, в которых записаны готовые про- изведения небольших чисел.

АЛУ не только выполняет вычисления, но и анализирует полученный результат. Обычно проверяется два свойства: равенство нулю (совпадение всех разрядов сумматора с нулем) и отрицательность результата (определяется проверкой знакового разряда – см. главу 4). Результаты этого анализа заносятся в определенные биты регистра состояния процессора. Используя эти значения, можно сделать вывод об истинности или ложности условий R = 0, R ≠ 0, R > 0, R < 0, R ≥ 0, R ≤ 0, где R обозначает результат операции. Это позволяет организовать ветвления в программе, например, для неотрицательного числа вычислять квадратный корень, а иначе – выдать сообщение об ошибке.

Как правило, АЛУ работает только с целыми числами. Операции с вещественными числами выполняются в математическом сопроцессоре, который встроен внутрь совре-

менных микропроцессоров.

2.1.2. Устройство управления

Главная задача устройства управления – обеспечить автоматическое выполнение по- следовательности команд программы в соответствии с основным алгоритмом работы про- цессора (см. 5.2.3). УУ выполняет следующие действия:

и звлечение из памяти очередной команды;

расшифровка команды, определение необходимых действий; определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные; занесение в АЛУ исходных данных;

управление выполнением операции;

сохранение результата.

²⁴ Не следует путать процессор как аппаратный блок с мощными программами обработки, которые также часто называют процессорами (например, текстовый или табличный процессор).

Таким образом, выполнение каждой машинной команды состоит из элементарных дейст- вий, которые называются микрокомандами.

В зависимости от сложности, машинная команда может быть выполнена за различ- ное число микрокоманд. Например, пересылка числа из одного внутреннего регистра микропроцессора требует значительно меньшего числа действий, чем умножение. Коман- ды, работающие с оперативной памятью, выполняются дольше, чем команды, работаю- щие только с регистрами процессора.

Каждая из микрокоманд машинной инструкции запускается с помощью управляю- щего импульса. Опорную последовательность импульсов для этих целей УУ получает от генератора тактовых импульсов. Интервал между двумя соседними импульсами называ-

ется тактом.

Если две микрокоманды полностью независимы друг от друга, то их можно выпол- нить одновременно (за один такт), даже если они принадлежат к разным командам про- граммы. Такая оптимизация широко применяется в современных процессорах для органи- зации конвейерной обработки ради увеличения быстродействия.