Структура та функціональна організація центрального процесора
Як було вже сказано вище, цифровий комп’ютер складається із пов’язаних між собою процесорів, пам’яті та пристрою введення-виведення.
Центральний процесор – це мозок комп’ютера. Процесор – це цифровий пристрій обробки інформації. Його задача – виконувати програми, що знаходяться в основній пам’яті. Він визиває команди із пам’яті, визначає їх тип, а потім виконує їх одну за одною.
На рис.7. показано будову звичайного комп’ютера.
Центральний процесор – це мозок комп’ютера. Процесор – це цифровий пристрій обробки інформації. Його задача – виконувати програми, що знаходяться в основній пам’яті. Він визиває команди із пам’яті, визначає їх тип, а потім виконує їх одну за одною.
Компоненти з’єднані шиною, яка представляє собою набір паралельно з’єднаних проводів, по яким передаються адреси, дані та системи управління. Шини можуть бути зовнішніми (з’єднують процесор з пам’яттю та пристроями введення-виведення ) та внутрішніми.
Процесор складається з декількох частин. Блок управління відповідає за виклик команд із пам’яті та визначення їх типу. Арифметично-логічний пристрій виконує арифметичні операції (наприклад, додавання) та логічні операції (наприклад, логічне І).
.
Рис.7. Будова комп’ютера
Всередині центрального процесора знаходить пам'ять для зберігання поточного результату і деяких команд управління. Ця пам'ять складається із декількох регістрів, кожен з яких виконує певну функцію. Нагадаємо, регістри - це біти пам’яті, які об’єднуються в групи по 16, 32, 64. Зазвичай, всі регістри мають одинаковий розмір. Кожен регістр вміщує в себе тільки одне число, яке обмежується розміром регістра. Регістри зчитуються та записуються дуже швидко, оскільки вони знаходяться в центральному процесорі.
Найважливіший регістр – лічильник команд, який вказує, яку команду необхідно виконувати далі. Назва «лічильник команд» не відповідає дійсності, оскільки він нічого не рахує, проте цей термін існує. Icyє ще регістр команд, в якому знаходиться команда, що виконується в даний момент. У більшості комп’ютерів є і інші регістри, одні з яких багатофункціональні, а інші – ті, що виконують тільки деякі специфічні функції.
Тракт даних складається із регістрів (зазвичай, від 1 до 32), арифметично-логічного пристрою (АЛП) та декілька з’єднуючих шин. Внутрішня будова тракту даних типового фон-неймановського процесора приведено на рис.8.
Вміст регістрів надходить у вхідні регістри АЛП, які на рис.4 позначені буквами А та В. В них знаходяться вхідні дані АЛП, поки АЛУ виконує обчислення.
АЛП виконує додавання, віднімання та інші прості операції над вхідними даними і відправляє результат у вихідний регістр. Цей вихідний регістр може поміщатись назад в один із регістрів. Він може зберігатись в пам’яті, якщо це необхідно.
На рис.8 показано операцію додавання. Необхідно відмітити, що вхідні та вихідні регістри є не у всіх комп’ютерів.
Більшість команд можна розділити на дві групи:
команди типу регістр – пам'ять;
команди типу регістр – регістр.
Команди першого типу викликають слова із пам’яті, розміщують їх в регістри, де вони використовуються як вхідні дані АЛП. Під поняттям «слова» розуміються такі елементи даних, які розміщуються між пам’яттю та регістрами. Розмірність слова , як правило, відповідає розрядності регістра даних. Словом може бути ціле число. Інші команди цього типу відправляють регістр назад в пам'ять.
Команди другого типу викликають два операнда із регістру, розміщують їх у вхідні регістри АЛП, виконують над ними арифметичну або логічну операцію і переносять результат назад в один із регістрів. Цей процес називається циклом тракту даних. Чим швидше проходить цикл тракту даних, тим швидше працює комп’ютер.
Операнд (англ. operand) в мові програмування означає аргумент операції; граматичну конструкцію, що означає вираз, який задає значення аргумента операції. Інколи операндом називають місце, позицію в тексті, де повинен стояти аргумент операції.
Центральний процесор виконує кожну команду за декілька кроків (рис.9):
В
А
А+В
Регістри
Вхідний регістр
АЛП
Вхідна шина АЛП
А
В
АЛП
А+В
Вихідний регістр
АЛП
Рис.8. Тракт даних фон-неймановського комп’ютера
визиває команду із пам’яті і переносить її в регістр команд;
змінює положення лічильника команд, який тепер повинен вказувати на наступну команду. Це відбувається після декодування поточної , а інколи і після її виконання.
визначається тип викликаної команди;
якщо команда використовує слово із пам’яті, визначає , визначає де знаходиться це слово;
переносить слово, якщо це необхідно, в регістр центрального процесора. Необхідно відмітити, що бувають команди, для яких необхідно виконати загрузку із пам’яті цілої множини слів і їх опрацювання в рамках одної – єдиної команди.
виконує команду;
переходить до кроку 1, щоб почати виконання наступної команди.
Така послідовність кроків (вибірка – декодування – виконання ) є основою роботи всіх комп’ютерів.