2.4.3. Процесор

Процесор (від лат. processus, проходження, просування вперед) – це мікросхема, яка виконує операції з переробки інформації. Процесорів у комп’ютері багато. Крім центрального процесора або скорочено ЦП, або СРU (Сental Processing Unit – центральний процесорний пристрій), подібними мікросхемами обладнані майже усі комп’ютерні пристрої. Але називаються вони вже не процесорами, а просто „чіпами” (від англ. chip – мікросхема) і розташовуються на спеціалізованих, додаткових платах.

Процесор у загальному випадку включає в себе:

 арифметико-логічний пристрій (АЛП) – це блок ПК, де відбувається перетворення даних за командами програми – арифметичні дії над числами, перетворення кодів, порівняння слів тощо;

 пристрій управління;

 шини даних і шини адрес;

 регістри;

 лічильники команд;

 кеш першого рівня (від англ. cache – дуже швидка, надоперативна) пам’ять малого об'єму (від 32 Кбайт у процесорів Intel до 64 Кбайт у процесорів AMD) для збереження проміжних результатів обчислень;

 кеш другого рівня, пам’ять трохи повільніша, але її значно більше (від 128 у Celeron до 2Mбайт в Xeon).

Н а одному спеціально вирощеному кристалі надчистого кремнію, за допомогою складного, багатоступінчастого і високоточного технологічного процесу створюються декілька мільйонів транзисторів та інших елементів, встановлюються з’єднувальні кабелі і точки підключення зовнішніх виводів. У сукупності вони утворюють усі логічні блоки, тобто арифметичний пристрій, управляючий пристрій, регістри тощо.

Рис. 1.12. Мікропроцесор Pentium IV.

Вид зверху і вид знизу

І сторія мікропроцесорів бере початок з 1971 р., коли Тед Хофф зі своєю командою створив перший мікропроцесор Intel-4004 на одному кристалі. Первісно процесор Intel-4004 призначався для ... мікрокалькуляторів і був виготовлений за замовленням однієї японської фірми. На щастя для людства, фірма ця збанкрутіла так і не дочекавшись обіцяного мікропроцесора. Як наслідок, розробка перейшла у власність фірми Intel.

Характеристики процесора Intel-4004 у порівнянні з сучасними процесорами, були доволі скромними. Він мав розрядність даних 4 біта, тактову частоту 108 кГц, здатність адресувати 60 байт пам’яті і продуктивність 0,06 MIPS (Millions of Instructions Per Second). Він вміщав 2300 транзисторів і виконувався за технологією з вирішенням 10 мкм. Саме зі створення цього першого мікропроцесора почалася велика епоха комп’ютеризації.

Головними характеристиками процесора є:

 набір (система) команд;

 розрядність;

 тактова частота (у побуті тактову частоту іноді називають швидкістю процесора або комп’ютера) тип ядра;

 технологія виробництва;

 робоча напруга;

 розмір кеш-пам’яті.

Система команд процесора. Якщо під вашим керівництвом працює асистент, який ретельно виконує вказівки, однак не здатний мислити самостійно, то завдання такому помічнику потрібно надавати у вигляді деталізованих інструкцій. Кожна інструкція при цьому, повинна бути досить простою, не бути двозначною і точно визначати дії виконавця.

Мікропроцесор ПК дуже схожий на цього уявного асистента. Він точно виконує послідовність інструкцій, не розуміючі при цьому їх суті. У процесі роботи процесор опрацьовує дані, що знаходяться у його регістрах, в оперативній пам’яті, а також дані, що знаходяться у зовнішніх портах процесора. Частину даних він інтерпретує безпосередньо як дані, а частину – як команди.

Сукупність усіх можливих команд, які може виконати процесор над даними, утворює систему команд процесора. Процесори, що відносяться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. Процесори, що відносяться до різних сімейств, розрізняються за системою команд і не є взаємозамінними.

Чим ширше набір системних команд процесора, тим складніше його архітектура, тим довший формальний запис команди (в байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, обмірювана в тактах роботи процесора.

Системи команд процесора постійно вдосконалюються, з'являються нові команди, які змінюють серії найбільш примітивних команд (мікропрограм). На виконання нових команд потрібно менша кількість тактів, чим на мікропрограму. Сучасні процесори можуть виконувати більш тисячі команд (інструкцій). Такі процесори називаються процесорами з розширеною системою команд – CISC (Complex Instruction Set Computing) – процесорами.

Перші процесори почали виготовлятися у 1971 р. компанією Intel. У 1978 р. компанія створила модель i8086, яка стала родоначальником сімейства процесорів x86. Усі моделі цього сімейства не можна віднести до СISC процесорів тому, що 486 процесор мав комбіновану архітектуру – CISC-процесор і RISC–ядро. 486 модель стала останньою у x86 сімействі, на зміну йому прийшло нове сімейство Pentium~ів. Крім компанії Intel, CISC–процесори випускають й інші компанії, такі як AMD, Cyrix, IDT. Для зручності роботи на даних процесорах використовують операційні системи Windows і Linux.

RISC – (Reduced Instruction Set Computer) – процесори із скороченою системою команд. Такі процесори, зазвичай, мають набір однорідних регістрів універсального призначення і їх система команд відрізняється відносною простотою. При такій архітектурі кількість команд у системі набагато менша і кожна з них виконується швидше. Програми, що складаються з найпростіших команд, виконуються значно швидше. Зворотна сторона скороченого набору команд полягає у тому, що складні операції доводиться емулювати, часом не завжди ефективною послідовністю простих команд скороченого набору.

Ці процесори знаходять застосування на UNIX серверах, спеціалізованих обчислювальних системах або пристроях, орієнтованих на виконання однакових операцій.

На сучасному етапі, у світі виготовлюють велику кількість різновидів RISC процесорів. Випуском процесорів займаються компанії Motorola, Analog Devices, Texas Instruments, Sun та інші.

Розрядність процесора є однією з узагальнених характеристик процесора. Розрядність показує скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється (або передається) за один такт, а також, скільки двійкових розрядів можна використати для адресації оперативної пам’яті, передачі даних тощо.

Кількість адресованої пам’яті, (адресний простір), залежить від кількості ліній адресної шини мікропроцесора. Якщо цих ліній 20, то адресний простір, буде складати 2²⁰= 1Мбайт; якщо ліній – 24, то відповідно – 2²⁴= 16 Мбайт.

Всередині процесора є області, які називаються регістрами – це внутрішня пам’ять, де процесор зберігає дані, які обробляє. Регістр призначений для короткочасного збереження числа або команди. Основним елементом регістра є електронна схема, що називається тригером.

Розряд – це одиниця інформації, яку обробляє комп’ютер. Якщо комп’ютер за один такт може опрацювати 8 розрядів інформації, то і регістр, і процесор 8-розрядний, якщо – 32 розряди, то процесор 32-розрядний тощо.

Оскільки шина процесора обмінюється інформацією з процесором з максимально можливою швидкістю, вона функціонує набагато швидше будь-якої іншої шини комп’ютера.

Тактова частота – це кількість тактів за секунду і вимірюється в мегагерцах (МГц¹). Стосовно до процесора: тактова частота – це кількість операцій, яку процесор може виконати за секунду. Тобто, чим більше тактів або операцій за секунду може виконати процесор, тим швидше він працює. Наприклад, процесор з тактовою частотою 40 МГц, виконує 40 мільйонів операцій за секунду, а з частотою 300 МГц – відповідно 300 мільйонів операцій за секунду.

Існує дві варіації тактової частоти – внутрішня і зовнішня.

Внутрішня тактова частота – це частота, з якою здійснюється обробка інформації всередині процесора.

Зовнішня тактова частота – це частота, з якою здійснюється обмін даними між процесором і оперативною пам’яттю комп’ютера.

Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Їх треба обирати так, щоб вони були сумісними. По мірі розвитку процесорної техніки здійснюється поступове пониження робочої напруги. Якщо перші моделі процесорів х86 мали робочу напругу 5В, то з переходом до процесорів Intel Pentium вона була зменшена до 3,3В, а на сьогодні вона складає вже менше чим 3В. Зниження робочої напруги дозволяє зменшити відстань між структурними елементами у кристалі процесора до десятитисячних часток міліметра, не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується й тепловиділення у процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.