Лекция 2

Функциональная и структурная организация процессора

Система команд ЭВМ

Определение. Процессор - устройство, предназначенное для выполнения команд: арифметических и логических преобразований данных, организации обращения к памяти и внешним устройствам, для управления ходом вычислительного процесса.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы, последовательности инструкций (команд) записанных в порядке выполнения. ЭВМ выбирает определённую команду расшифровывает её, определяет какие действия и над какими операциями следует выполнить.

Определение. Системой команд называется совокупность машинных команд, выполняемых той или иной ЭВМ.

Процессоры персональных компьютеров

В настоящее время существует большое число разновидностей процессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Чаще всего наиболее существенным, классификационным различием между ними является количество разрядов в обрабатываемой информационной единице: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные и др.

Наибольшее распространение среди 16-разрядных процессоров получили процессоры Intel i8086 и i8088. Этот тип процессоров является базовым для IBM совместимых машин. Все последующие типы процессоров основываются на нем и лишь развивают его архитектуру.

В следующей модификации микопроцессоров фирмы Intel - 80186 реализована расширенная система команд. Расширение системы команд продолжается во всех новых моделях, но кроме этого в каждой новой модели вводятся дополнительные архитектурные решения.

В 80286 введены встроенный блок управления оперативной памятью, работающий в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4 Гбайт при 16 Мбайт физической), и блоки, позволяющие реализовать мультизадачность: блок защиты оперативной памяти и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче. Кроме того, во всех последующих моделях вводятся и совершенствуются средства, позволяющие повысить производительность микропроцессора. Начиная с 80486, в кристалле микропроцессора размещается арифметический сопроцессор для операций с плавающей точкой.

Все эти усовершенствования позволили сделать персональную ЭВМ IBM PC мультипрограммной, многопользовательской и многозадачной. С помощью операционной системы стало возможным реализовать работу в режиме SVM (системы виртуальных машин), т.е. на одной ПЭВМ реализовать множество независимых виртуальных машин.

Смена поколений компьютеров происходит так стремительно, что не только рядовые пользователи, но и специалисты с трудом успевают отслеживать компьютерные новинки. И в этом, в первую очередь, виновата открытая архитектура персональных компьютеров PC, когда любой человек может придумать что-либо новенькое или усовершенствовать старое и начать собственное производство. Например, разработкой процессоров с системой команд х86, помимо корпорации Intel –изобретателя данного типа микросхем, в настоящее время занимаются AMD и VIA, а количество фирм, которые выпускают видеоадаптеры, звуковые карты, принтеры, сканеры и различные вспомогательные и игровые устройства, настолько велико, что трудно поддается учету.

Разобраться во всем многообразии "железа" и подобрать совместимые друг с другом компоненты в настоящее время необычайно сложно. Конечно, можно так или иначе "подружить" системную плату с процессором и памятью и поместить получившийся "компьютер" в случайно попавшийся корпус, но вот оправдаются ли затраты на покупку дорогостоящих компонентов – это еще вопрос. Прошли те времена, когда любой компьютерный набор "железа", купленный по сходной цене, мог показать вполне приличные результаты по производительности и надежности. Теперь же, например, поставив на новенький процессор красивый кулер, разработанный по неведомым техническим условиям "гаражной" фирмой, можно мгновенно вывести из строя и сам процессор, и системную плату. А, скажем, суперскоростной и дорогой модуль памяти вполне может не подойти к системной плате.

Фактически, сегодня, затратив массу денег на покупку лучшего в мире "железа", элементарно можно получить весьма скромный результат по производительности из-зи проблем с совместимостью иногда всего лишь одногокомпонента компьютера. К тому же, ряд новых компьютерных технологий требуют вполне определенной конфигурации (набора компонентов), что фактически вынуждает комплектовать высокопроизводительную систему (компьютер) исключительно новыми, строго определенными элементами, не используя старые, даже если они выпущены всего лишь год назад.

Что же происходит на рынке современных персональных компьютеров в последнее время. Корпорация Intel "похоронила" семейство процессоров Pentium 4, и агрессивно стала внедрять новые технологии, начав выпускать процессоры линейки Intel Core 2. Усилия Intel поддержала корпорация Microsoft, которая выпустила операционную систему Windows Vista, и этим поставила пользователей перед необходимостью срочного обновления своего "железа". Глядя на лидеров, остальные компании не остались в стороне, например, винчестеры взяли барьер в 1000 Гбайт, видеокарты стали соперничать с центральными процессорами в производительности и универсальности, серийные модули памяти отлично работают за барьером в 1000 МГц и т.д.

Современный этап процессоростроения – это многоядерные процессоры, 64-разрядные систем и мультимедийный контекст. Сегодня львиная доля компьютерного рынка – это персональные компьютеры на базе процессоров семейства х86 – Intel Core 2 Duo и различных версий AMD64. Но у такой мировой унификации персональных компьютеров есть и отрицательные черты – современным процессорам приходится подстраиваться под своего предка – Intel 8086. Так, в процессорах быстрое внутренне RISC-ядро вынуждено имитировать в ряде режимов работу старых процессоров со всеми слабыми сторонами. Плюс наследство от IBM PC – низкоскоростной обмен с периферийными устройствами и опреративной памятью, правда, делаются попытки увеличить скорость работы информационных шин (интрефейсов обмена информацией между устройствами), но кардинального прорыва в производительности для массовых серий процессоров пока еще нет и, честно говоря, не предвидится. Все ухищрения корпораций, чтобы повысить производительность, наталкиваются на архаичную архитектуру процессоров х86 и массу проблем, например, сохранения работоспособности старого программного обеспечения на новых процессорах.

В настоящее время идет медленный процесс внедрения 64-разрядной технологии в процессоры семейства х86. Точнее она есть, но в настоящее время эта технология, по большому счету, еще маловостребована. Если не считать 64-разрядные операционные системы, например Linux 64-bit, то для Windows XP и Vista (вариантов 64-bit) перекомптлировано совсем мало программ, которые, причем, относятся к профессиональной категории.

Первой ласточкой среди 64-разрядных процессоров для линейки х86 стал процессор Intel Itanium, но, к сожалению, он может только эмулировать работу 32-разрядного процессора, что ведет к снижению производительности для большинства пользовательских программ, поэтому используются такие процессоры только в серверах.

Более удачным решеним для перехода от 32-разрядных процессоров к 64-разрядным стала инициатива корпорации AMD, которая сначала запустила в производство процессоры семейства Opteron, а потом – Athlon 64. Эти процессоры могут полноценно работать с 32-разрядным кодом, что позволяет использовать старое программное обеспечение, правда, наилучшие показатели они демонстрируют при использовании перационной системы и программ нового поколения. Фактически практический выигрыш в 64-разрядных процессорах AMD идет только за счет удвоения количества оперативных регистров, а сама 64-разрядная арифметика используется чрезвычайно редко.

Корпорация Intel 64-разрядную технологию для персональных компьютеров, как не раз заявляла, внедрять не будет, разве что используя некоторые технологии для работы с 64-разрядной памятью. Но в линейке Intel Core 2 и новых версиях других процессоров используется точно такая же 64-разрядная система, как и в процессорах AMD64, но названная EMT64T.

Следует поговорить немного о многоядерных процессорах, которые сегодня становятся стандартом и для настольных систем. В 2005 г., после того как корпорация IBM представила свой 9-ядерный процессор для игровой приставки Playstation 3, корпорации Intel и AMD начали также осваивать многоядерныю технологию для процессоров х86. В принципе все для этого было готово, но не было желания менять хорошо отлаженный бизнес, базирующийся на повышении тактовой частоты. В настоящее время обе корпорации выпускают двухъядерные и четырехъядерные процессоры. Правда, заметим, что многоядерность, так же как и 64-разрядная арифметика, не панацея для лечения застарелых проблем семейства процессоров х86. Все упирается в новое программное обеспечение и желание пользователей использовать предлагаемые технологии, как все будет обстоять в действительности – покажет ближайшее будущее.

Кроме корпораций Intel и AMD еще несколько компаний занимаются процессорами, которые относятся к семейству х86, но особых успехов они не добились. Лишь изредка встречаются в продаже ноутбуки и настольные компьютеры на базе процессоров С3 и С7 компании VIA, а также иногда встречаются ноутбуки с процессорами от корпорации Transmeta.

Сегодня хорошо видно, что требуется переход от старых технологий к новым, но мировая индустрия персональных компьютеров обладает огромной инерцией, и мы, как пользователи, постоянно ощущаем это на себе. Вот самый яркий пример – время начальной загрузки компьютера, несмотря на 100-кратное возрастание частоты процессоров, так и не уменьшилось, а даже стало иногда еще дольше из-за более громоздкого программного обеспечения.