2. Процесор

Процесор — основна мікросхема комп'ютера, у якій і провадяться всі обчислення. Конструктивно процесор складається з осередків, схожих на осередки оперативної пам'яті, але в цих осередках дані можуть не тільки зберігатися, але й змінюватися. Внутрішні осередки процесора називають регістрами. Важливо також відзначити, що дані, що потрапили в деякі регістри, розглядаються не як дані, а як команди, що управляють обробкою даних в інших регістрах. Серед регістрів процесора є й такі, які залежно від свого змісту здатні модифікувати виконання команд. Таким чином, управляючи засиланням даних у різні регістри процесора, можна управляти обробкою даних. На цьому й засноване виконання програм.

З іншими устроями комп'ютера, і в першу чергу з оперативною пам'яттю, процесор зв'язаний декількома групами провідників, називаних шинами. Основних шин три: шини даних, адресна шина й командна шина.

Адресна шина. У процесорів Intel Pentium (а саме вони найпоширеніші в персональних комп'ютерах) адресна шина 32-розрядна, тобто складається з 32 паралельних ліній. Залежно від того, є напруга на якийсь із чи ліній ні, говорять, що на цій лінії виставлені одиниця або нуль. Комбінація з 32 нулів і одиниць утворить 32-розрядну адресу, що вказує на одну з осередків оперативної пам'яті. До неї й підключається процесор для копіювання даних з осередку в один зі своїх регістрів.

Шина даних. По цій шині відбувається копіювання даних з оперативної пам'яті в регістри процесора й назад. У комп'ютерах, зібраних на базі процесорів Intel Pentium, шина даних 64-розрядна, тобто складається з 64 ліній, по яких за один раз на обробку надходять відразу 8 байтів.

Шина команд. Для того щоб процесор міг обробляти дані, йому потрібні команди. Він повинен знати, що варто зробити з тими байтами, які зберігаються в його регістрах. Ці команди надходять у процесор теж з оперативної пам'яті, але не з тих областей, де зберігаються масиви даних, а відтіля, де зберігаються програми. Команди теж представлені у вигляді байтів. Найпростіші команди укладаються в один байт, однак є й такі, для яких потрібно два, три й більше байти. У більшості сучасних процесорів шина команд 32-розрядна (наприклад, у процесорі Intel Pentium), хоча існують 64-розрядні процесори й навіть 128-розрядні.

Система команд процесора. У процесі роботи процесор обслуговує дані, що перебувають у його регістрах, у полі оперативної пам'яті, а також дані, що перебувають у зовнішніх портах процесора. Частина данных він інтерпретує безпосередньо як дані, частина даних — як адресні дані, а частина — як команди. Сукупність всіх можливих команд, які може виконати процесор над даними, утворить так називану систему команд процесора. Процесори, що ставляться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. Процесори, що ставляться до різних сімейств, розрізняються по системі команд і невзаємозамінні.

Процесори з розширеною й скороченою системою команд. Ніж ширше набір системних команд процесора, тим складніше його архітектура, тим длиннее формальний запис команди (у байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, обмірювана в тактах роботи процесора. Так, наприклад, система команд процесорів Intel Pentium у цей час нараховує більше тисячі різних команд. Такі процесори називають процесорами з розширеною системою команд — CISC-процесорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

На противагу CISC -процесорам у середині 80-х років з'явилися процесори архітектури RISC зі скороченою системою команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд у системі набагато менше, і кожна з них виконується набагато швидше. Таким чином, програми, що складаються з найпростіших команд, виконуються цими процесорами багато швидше. Зворотний бік скороченого набору команд полягає в тому, що складні операції доводиться эмулировать далеко не ефективною послідовністю найпростіших команд скороченого набору.

У результаті конкуренції між двома підходами до архітектури процесорів зложився наступний розподіл їхніх сфер застосування:

CISC -процесори використають в універсальних обчислювальних системах;

RISC -процесори використають у спеціалізованих обчислювальних системах або устроях, орієнтованих на виконання однакових операцій.

Для персональних комп'ютерів платформи IBM PC довгий час випускалися тільки CISC -процесори, до яких ставляться й всі процесори сімейства Intel Pentium. Однак останнім часом компанія AMD приступилася до випуску процесорів сімейства AMD-K6, в основі яких лежить внутрішнє ядро, виконане по RISC -архітектурі, і зовнішня структура, виконана по архітектурі CISC. Таким чином, сьогодні з'явилися процесори, сумісні по системі команд із процесорами х86, але имеющие гібридну архітектуру.

Сумісність процесорів. Якщо два процесори мають однакову систему команд, то вони повністю сумісні на програмному рівні. Це означає, що програма, написана для одного процесора, може виконуватися й іншим процесором. Процесори, що мають різні системи команд, як правило, несумісні або обмежено сумісні на програмному рівні.

Групи процесорів, що мають обмежену сумісність, розглядають як сімейства процесорів. Так, наприклад, всі процесори Intel Pentium ставляться до так називаного сімейства х86. Родоначальником цього сімейства був розрядн-16-розрядний процесор Intel 8086, на базі якого збиралася перша модель комп'ютера IBM PC. Згодом випускалися процесори Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; кілька моделей процесорів Intel Pentium MMX, моделі Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III і інших. Всі ці моделі, і не тільки вони, а також багато моделей процесорів компаній AMD і Cyrix ставляться до сімейства х86 і мають сумісність за принципом «зверху вниз».

Принцип сумісності «зверху вниз» - це приклад неповної сумісності, коли кожний новий процесор «розуміє» всі команди своїх попередників, але не навпаки. Це природно, оскільки двадцять років тому розроблювачі процесорів не могли передбачити систему команд, потрібну для сучасних програм. Завдяки такій сумісності на сучасному комп'ютері можна виконувати будь-які програми, створені в останні десятиліття для кожного з попередніх комп'ютерів, що належить тій же апаратній платформі.

Основні параметри процесорів. Основними параметрами процесорів є: робоча напруга, розрядність, робоча тактова частота, коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти й розмір кеш-пам'яті.

Робоча напруга процесора забезпечує материнська плата, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати (їх треба вибирати спільно). У міру розвитку процесорної техніки відбувається поступове зниження робочої напруги. Ранні моделі процесорів х86 мали робоча напруга 5 У. З переходом до процесорів Intel Pentium воно було знижено до 3,3 У, а в цей час воно становить менш 3 У. Причому ядро процесора харчується зниженою напругою 2,2 У. Зниження робочої напруги дозволяє зменшити відстані між структурними елементами в кристалі процесора до десятитисячних часток міліметра, не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується й тепловиділення в процесорі, а це дозволяє збільшувати його продуктивність без погрози перегріву.

Розрядність процесора показує, скільки біт данных він може прийняти й обробити у своїх регістрах за один раз {за один такт). Перші процесори х86 минулого розрядн-16-розрядними. Починаючи із процесора 80386 вони мають розрядн-32-розрядну архітектуру. Сучасні процесори сімейства Intel Pentium залишаються розрядн-32-розрядними, хоча й працюють із розрядн-64-розрядною шиною даних (розрядність процесора визначається не розрядністю шини даних, а розрядністю командної шини).

В основі роботи процесора лежить той же тактовий принцип, що й у звичайних годинниках. Виконання кожної команди займає певну кількість тактів. У настінних годинниках такти коливань задає маятник; у ручних механічних годинниках їх задає пружинний маятник; в електронних годинниках для цього є коливальний контур, що задає такти строго певної частоти. У персональному комп'ютері тактові імпульси задає одна з мікросхем, що входить у мікропроцесорний комплект (чипсет), розташований на материнській платі. Чим вище частота тактів, що надходять на процесор, тим більше команд він може виконати в одиницю часу, тим вище його продуктивність. Перші процесори х86 могли працювати із частотою не вище 4,77 МГц, а сьогодні робочі частоти деяких процесорів уже перевершують 500 мільйонів тактів у секунду (500 МГц).

Тактові сигнали процесор одержує від материнської плати, що, на відміну від процесора, являє собою не кристал кремнію, а великий набір провідників і мікросхем. По чисто фізичних причинах материнська плата не може працювати з настільки високими частотами, як процесор. Сьогодні її межа становить 100-133 Мгц. Для одержання більше високих частот у процесорі відбувається внутрішнє множення частоти на коефіцієнт 3; 3,5; 4; 4,5; 5 і більше.

3. Кеш-пам'ять

Обмін даними усередині процесора відбувається в кілька разів швидше, ніж обмін з іншими устроями, наприклад з оперативною пам'яттю. Для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам'яті, усередині процесора створюють буферну область — так називану кеш-пам'ять. Це як би «сверхоперативна пам'ять». Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається в кеш-пам'ять, і тільки якщо там потрібних даних ні, відбувається його звернення до оперативної пам'яті. Приймаючи блок даних з оперативної пам'яті, процесор заносить його одночасно й у кеш-пам'ять. «Удалі» звернення до кеш-пам'яті називають влученнями в кэш. Відсоток влучень тим вище, чим більше розмір кеш-пам'яті, тому високопродуктивні процесори комплектують підвищеним обсягом кеш-пам'яті.

Нерідко кеш-пам'ять розподіляють по декількох рівнях. Кэш першого рівня виконується в тім же кристалі, що й сам процесор, і має обсяг порядку десятків Кбайт. Кэш другого рівня перебуває або в кристалі процесора, або в тім же вузлі, що й процесор, хоча й виконується на окремому кристалі. Кеш-пам'ять першого й другого рівня працює на частоті, погодженої із частотою ядра процесора.

Кеш-пам'ять третього рівня виконують на швидкодіючих мікросхемах типу SRAM і розміщають на материнській платі поблизу процесора. Її обсяги можуть досягати декількох Мбайт, але працює вона на частоті материнської плати.