12 МикропроцессорЫ

Процессор (центральный процессор, микропроцессор) конструктивно представляет собой микросхему – к ристалл чистого кремния, на поверхности или в объеме которого находятся полупроводниковые элементы − транзисторы, соединенные миниатюрными металлическими «дорожками» из алюминия или меди. Площадь кристалла – не более 4-6 квадратных сантиметра; размер элементов – десятые доли микрона. Процессор размещается на материнской плате, подключаясь к ней через специальный разъем.

Структура микропроцессора:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – составная часть микропроцессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными;

• устройство управления (УУ) − составная часть микропроцессора, вырабатывающая внутренние и внешние сигналы управления;

• регистры микропроцессорной памяти (МПП) – это отдельные регистры общего или специального назначения, которые служат для временного хранения: адресов данных и команд, самих данных и команд, промежуточных результатов, прочей информации.

Структура и основные связи микропроцессора показаны на рисунке:

Обозначения: ШУ – шина управления; ША – шина адресов; ШД – шина данных; ШЭ – шина электропитания.

Процессор работает в двухфазном режиме:

• выборка команды и данных;

• исполнение команды.

Принципы выполнения команд:

• последовательный – следующая команда (данные) выбирается из памяти только после завершения выполнения текущей команды;

• конвейерный – выборка следующей команды (данных) производится параллельно с исполнением текущей команды.

Совокупность команд, которые может выполнять процессор, называется системой команд процессора. Чем шире система команд процессора, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды. В зависимости от набора системных команд, различают:

• процессоры с расширенной системой команд – CISC-процессоры (CISC – Complex Instruction Set Computing);

• процессоры с сокращенной системой команд – RISC-процессоры (RISC – Reduced Instruction Set Computing).

При CISC-архитектуре в систему входит несколько сотен (иногда более тысячи ) команд. При RISC-архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции процессору приходится эмулировать последовательностью из нескольких простейших команд сокращенного набора. В результате конкуренции этих двух архитектур сложилось следующее распределение сфер их применения: CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах; RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

В настоящее время появились процессоры с гибридной архитектурой.

Основные характеристики процессора:

1. Рабочее напряжение – не превышает 3 В. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Это позволяет уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

2. Разрядность процессора – количество бит данных, которое процессор может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Разрядность процессора определяется разрядностью (т.е. числом параллельных линий) шины управления – ШУ. Современные процессоры являются 32, 64 и 128-разрядными.

3. Тактовая частота работы процессора – величина, измеряемая в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц), показывающая, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение 1 секунды. Тактовая частота работы современных процессоров составляет от 600 МГц до 2,6 ГГц. В ПК тактовые импульсы задает тактовый генератор – специальная микросхема, входящая в состав чипсета. Однако процессор получает тактовые сигналы по системной шине от материнской платы, которая в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. Поэтому по чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Частота системной шины составляет от 100 до 800 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты системной шины на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

4. Размер кэш-памяти − ...(см. Внутренняя память ПК)

5. Форм-фактор процессора – тип «внешнего» исполнения корпуса процессора и способа его подключения к материнской плате. Существует два основных форм-фактора корпуса процессоров:

   • квадратной формы, подключение через разъем типа «сокет» (Socket);

   • прямоугольной формы, подключение через разъем типа «слот» (Slot).

Ф орм-фактор не влияет на производительность процессора, однако влияет на совместимость процессора с материнской платой.

Производители: AMD, Intel, Cyrix.