2. Средства обработки данных - процессоры

1. Процессоры

Очевидно, что за основную функцию вычислительных машин - преобразование информации - должно отвечать главное устройство ЭВМ. Им является процессор - сверхбольшая интегральная микросхема, реализованная на одном полупроводниковом кристалле.

В составе процессора имеются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления. Процессор характеризуется тактовой частотой, внутренней и внешней разрядностью, архитектурой и набором команд. В процессор по шине данных поступают исходные и выходят обработанные данные, а по адресной шине – осуществляется связь с нужными ячейками памяти, где расположены команды программы и данные. И команды и данные должны находиться в оперативной памяти. Существуют также шины управления, обеспечивающие синхронизирующие сигналы и другую специальную управляющую информацию.

История развития процессоров начинается с появлением в 1971 году первых микрокомпьютеров на 4-х разрядном процессоре Intel 4004. К 1974г. появилось второе поколение микропроцессоров общего назначения - уже 8-ми разрядных, с названием Intel 8080. В 1978 фирма Intel выпустила процессор третьего поколения (не путать с поколениями ЭВМ!) под обозначением Intel 8086 и его разновидность Intel 8088, который и был использован фирмой IBM для создания ее персональных компьютеров первого поколения в 1981 году.

В последствии фирма Intel разрабатывает новые поколения микропроцессоров: в 1982 г. - Intel 80286 (который лег в основу компьютера IBM AT 1984 г.), в 1985 г. - Intel 80386 первый 32-х разрядный процессор. В 1989 - Intel 486, а в 1993 - фирма Intel объявила о выпуске процессора Pentium, первоначально разрабатываемого как Intel 586 или Р5. Наконец, в ноябре 1995 г. началась коммерческая поставка процессоров нового поколения Pentium Pro, называемого еще Р6.

В 1997 году появляется разновидность процессора Pentium, предназначенная для мультимедийных ПЭВМ. Этот процессор получил название Pentium MMX. Он имел ряд дополнительных команд, предназначенных для работы с графическими изображениями и цифровой обработки звука. В 1998 году появляется процессор Pentium II, в 1999 - Pentium III, а в 2001 - Pentium IV.

В настоящее время процессоры строятся на основе 2-х или 4-х ядер, т.е. состоят из двух или четырех процессоров в одной микросхеме. Примерами я являются процессоры Core Dua и Core Quadro.

Если рассматривать работу процессора более подробно, необходимо ознакомиться с некоторыми понятиями.

Архитектура микропроцессора описывает систему адресации памяти, организацию стековой (безадресной) памяти, перечень внутренних регистров, список команд и типы обрабатываемых процессором данных. В общем случае может быть 4 принципиально различных типа: числовые, логические, символьные и адресные данные. По длине (разрядности) данные делятся на битовые (1 разряд), байтовые (8 разрядов), размером в машинное слово (16 разрядов), двойное слово (32 разряда), длинное слово (64 разряда) и поля данных (произвольные длины, кратные 8 разрядам). Любой процессор должен выполнять арифметические команды над целочисленными данными, логические команды, команды считывания и пересылки данных, команды передачи управления (команды условных и безусловных переходов).

Данные, как правило, должны находиться в ячейках оперативной памяти, однако процессор может обмениваться информацией и с периферийными устройствами (т.е. устройствами ввода/вывода) через специальные регистры ввода/вывода, которые называются портами.

Каждый порт представляет собой один или несколько регистров с фиксированным адресом, не совпадающим с адресами ячеек памяти. В любой ПЭВМ имеется несколько портов, например до 4-х последовательных, параллельный, и, возможно, игровой. Микросхемы портов обычно расположены на материнской плате и подключены к внешней шине процессора.

Обычно через порты процессор связывается с устройствами последовательного доступа, однако в ПЭВМ возможен и режим прямого доступа (DMA - direct memory access). Он осуществляется как между процессором и оперативной памятью, так и между оперативной памятью и внешним устройством прямого доступа, например, таким как жесткий диск. В этом режиме большие объемы информации за короткое время передаются между внешней и внутренней памятью, минуя регистры процессора.

Важным понятием при работе процессора является прерывание.

Это сигнал, поступающий в процессор при возникновении какой-либо события, чаще всего не связанного с работой самого процессора. (Такое событие называется асинхронным). При возникновении прерывания, выполняемая цепочка команд прерывается, управление на время передается специальной подпрограмме обработки данного прерывания, по окончании которой управление возвращается в точку останова прерванной программы для продолжения работы (если это возможно).

Прерывания классифицируются как аппаратные (ошибки работы памяти, прерывания от внешних устройств – например, нажатие на клавишу клавиатуры), логические (запрещенная операция в самом процессоре - например, деление на ноль) и программные (специально вырабатываемые выполняемой программой чтобы вызвать нужные подпрограммы). Отдельные типы прерываний могут быть на некоторое время замаскированы - т.е. их появление не прерывает выполнение текущей программы, пока маска не будет снята. Конечно, сбои работы аппаратуры замаскированы быть не могут!

Современные типы процессоров используют так называемый "конвейерный" режим работы. Выполнение команды разделяется на ряд последовательных этапов, выполняемых различными частями процессора. При этом пока выполняется второй этап первой команды, одновременно может выполняться первый этап второй команды и т.д.

Например, для любой команды можно выделить этапы выборки, декодирования, выполнения и записи результата. Таким образом, в любой момент в процессоре может выполняться одновременно четыре последовательные команды.

Одним из важнейших параметров процессора является размер внешней адресной шины (ее разрядность). Эта величина определяет теоретический объем непосредственно адресуемой оперативной памяти. Если шина адреса - 16 разрядов, адресное пространство равно 2 в степени 16, т.е. 65536 байт. Эта величина носит название страницы памяти. Для 24-х разрядной шины доступны уже 16 мегабайт, для 32-х разрядной - 4 гигабайта памяти.

Производительность процессора определяется в первую очередь тактовой частотой и разрядностью внутренней шины. Если тактовая частота, задаваемая кварцевым генератором, расположенным на материнской плате за время развития новых поколений процессоров выросла с 4.77 МГц (у первой ПЭВМ IBM PC c Intel8088) до 4 ГГц (у Pentium). За то же время разрядность процессора выросла с 8 до 64 разрядов.

Быстродействие процессоров измеряется несколькими способами. Одной из таких характеристик выступает количество MIPS (миллионов коротких операций в секунду). У IBM PC эта величина составляла примерно 0.3, до 2 тысяч MIPS (у 64-х разрядной версии P7).

Другой характеристикой выступает количество миллионов операций в секунду над вещественными числами - MFLOP. Часто используют некоторые индексы - смеси операций с разными весами - смесь Гиббсона, индекс iCOMP и т.д. Следует отличать быстродействие процессора и ПЭВМ в целом - очевидно, что последняя величина меньше.

Наконец отметим, что для ускорения работы процессора с реальными программами, внутри процессора стали размещать небольшую сверхбыструю память - "кэш", команды и данные из которой выбираются значительно быстрее, чем из оперативной памяти. В современных процессорах внутренний кэш может достигать 1 Мбайт и более.

Обозначения процессоров обычно содержат название фирмы (например символ i - Intel); номер версии, например 486; размер внешней шины данных (SX - 16 разрядов, DX - 32 разряда); пониженное напряжение питания - особенно важно для "notebooks" - (обозначение SL); наличие "умножения частоты" - когда тактовая частота внутренней работы процессора в несколько раз выше, чем основная частота работы остальных узлов материнской платы. Это отображается наличием цифры после символов шины, например DX2. В конце обозначения обычно указывается тактовая частота.