2.3.1. Параметры процессоров

Наиболее известным изготовителем процессоров, признанным лидером, является фирма Intel. Известны также и процессоры фирм AMD {Advanced Micro Devices} и Cyrix.

Производительность CPU определяется следующими основными параметрами:

• степень интеграции;

• внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;

• тактовая частота;

• память, к которой может адресоваться CPU;

• объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, CPU различают по технологии производства, напряжению питания и др. параметрам:

Степень интеграции микросхемы («БИС», «чипа») показы­вает, сколько транзисторов может в ней уместиться. Для про­цессоров Pentium (80586) Intel – это, приблизительно, 3 млн. транзисторов, расположенных на площади 3,5 см², а для процессора Athlon – уже 22 млн. элементов примерно на той же площади.

Внутренняя разрядность данных. Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно. Для примитивных арифме­тических команд, выполняющихся внутри CPU, важно, сколько бит могут образовываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Процессор управляет систе­мой, обмениваясь данными с кэш-памятью, ОЗУ и другими устройствами по специальным магистралям, называемыми шинами. Важнейшими характеристиками шины процессора являются её разрядность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шине, т.е. пропускную способность шины.

Тактовая частота. Любой современный компьютер имеет тактовый генератор (System Clock), который синхронизирует работу различных его компонентов. Минимальный промежуток времени, определяемый тактовым генератором, называют циклом. Частота работы тактового генератора измеряется в мегагерцах (миллион циклов в секунду).

Когда говорят о тактовой частоте системы (всего компьютера), то обычно имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов ПК являются кратными этой частоте. Увеличение тактовой частоты системной шины обычно даёт больший положительный эффект для повышения бы­ст­ро­действия системы, чем увеличение тактовой частоты CPU, т. к. процессор «пропускает» большое количество циклов в ожидании ин­форма­ции от более медленных устройств, одним из которых является системная шина.

Адресация памяти. CPU напрямую связан с оперативной памятью компьютера. Данные, которые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в ОЗУ, и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти.

Представьте оперативную память как маленький город, в котором каждый дом (ячейка) имеет определённый адрес. При этом транспортный сервис может целенаправленно отдавать и завозить письма, посылки и т. п. «Дорогой» является адресная шина. Адресная шина представляет собой набор проводников, по которым передаётся информация о местоположении данных в той или иной области памяти.

Ширина адресной шины определяет количество ячеек, к которым может обратиться CPU для чтения или записи. Ширина адресной шины и ширина шины данных не связаны, хотя эти шины работают с одинаковой тактовой частотой.

Разрядность – еще одна важная характеристика процессора. Это – максимальная длина двоичного числа, которое может обрабатываться или передаваться процессором целиком (машинное слово). Разрядность определяется размером регистров процессора.

В компьютерах типа IBM и подобных им используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Специалисты Intel считают, что если развитие микро­про­цессорной индустрии будет продолжаться прежними темпами, то, вполне возможно, к 2011 г. микропроцессоры Intel будут работать на тактовой частоте 10 ГГц. При этом микросхема каждого такого процессора будет содержать до 1 млрд. транзисторов.

Процессоры имеют ряд стандартных режимов работы.

Реальный режим (Real Mode) соответствует возможностям CPU 8086/8088, позволяя адресовать не более 1 Мбайт памяти. При этом, чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, процессоры работают в реальном режиме под управлением операцион­ной системы MS-DOS.

Защищённый режим (Protected Mode) появился впервые в CPU 80286. Если физическая память полностью загружена, то данные, не поместившиеся в память, располагаются на винче­стере. Таким образом, CPU работает не с реальными, а с вир­туальными адресами, которые управляются с помощью специаль­ных таблиц. Эту память называют ещё виртуальной памятью, т.к. фактически она не существует. В этом режиме CPU может адре­совать до 16 Мбайт физической и до 1 Гбайт виртуальной памяти.

Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима (Multitasking). При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные интервалы времени, отведенные каждой из программ (пользователю ка­жется, что программы выполняются одновременно).

Виртуальный режим. Впервые, начиная с процессора 386, CPU могут эмулировать работу нескольких процессоров 8086 (максимум 256) и, тем самым, обеспечить многопользователь­ский режим так, чтобы на одном компьютере можно было запустить одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увеличивается и возможное количество выполняе­мых приложений.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последую­щего их использования или, другой пример, выполнять опре­делен­ные ариф­ме­ти­че­ские операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр конструктивно представляет собой совокупность тригге­ров, свя­занных определённым образом друг с другом общей сис­темой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия. Например:

• сумматор – регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд – регистр УУ для хранения кода ко­манды на период времени, необходимого для ее выпол­нения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов операндов.

Тракт данных процессора, типичного с точки зрения принципов фон Неймана, состоит (рис.2.6) из регистров (обычно от 1 до 32), АЛУ (арифметико-логического устройства) и нескольких соединяющих шин. Содер­жимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис.2.6 обозна­чены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока это устройство производит вычисления.

Большинство команд процессора по типу исполнения можно разделить на две группы: команды типа регистр – память и типа регистр – регистр. Команды первого типа вызывают слова («слово» – элемент данных, который перемещают между памятью и регистрами) из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ, а затем возвращают результат операции (содержимое регистра) обратно в память.

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров.

Этот процесс называется циклом тракта данных. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает. Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов (тактов):

1. вызывает очередную команду из памяти и переносит ее в регистр команд;

2. меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду;

3. определяет тип вызванной команды;

4. если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово;

5. переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора;

6. выполняет команду;

7. переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка – «декодирование» – исполнение) яв­ляется основой работы всех процессоров.