Устройство центрального процессора

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

- арифметико-логическое устройство;

- шины данных и шины адресов;

- регистры;

- счетчики команд;

- кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП). Физически микропроцессор представляет собой интегральную систему – схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадь. Всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Структура микропроцессора

Микропроцессор состоит из дух основных частей:

- операционной, содержащей устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

- интерфейсной, содержащей память, регистры общего назначения (РОН) и специальные регистры, порты ввода – вывода, схемы управления шинами и портами.

Операционная часть

УУ предназначено для выработки сигналов управления, поступающих по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки ЭВМ. В свою очередь УУ состоит из отдельных функциональных элементов:

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство микропрограмм;

ДО – дешифратор операций;

УФА – узел формирования адреса;

РК – регистр команд;

КША – кодовая шина адреса;

КШУ – кодовая шина управления.

Структурная схема УУ приведена на рисунке 7.6.

Алгоритм работы УУ следующий:

Сигнал управления поступает через шину КШУ и в регистре команд РК определяет код операции управления, а также часть адреса куда отправлена будет команда управления.

Дешифратор ДО в соответствии с кодом операции выбирает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих импульсов, которую передает на КШИ, формируя тем самым команду управления (инструкцию).

Одновременно с этим узел УФА вычисляет полный адрес ячейки памяти по данным, поступающим из РК и Памяти МП, а затем по шине КША отправляет адрес команды.

Все эти операции происходит синхронно с импульсами тактового генератора и, в зависимости от команды управления, могут занимать по времени несколько импульсов тактового генератора.

Команда управления

КШИ

Адрес

ПЗУ От Памяти команды

От тактового МП

генератора ДО УФА

Управление

РК КША

Код операции Адрес операндов

КШУ

Рисунок 7.6 – Структурная схема устройства управления

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Состоит АЛУ из регистров Р1с разрядностью двойного слова и Р2 с разрядностью слова, схемы управления (СУ), сумматора и двух шин: кодовой шины инструкций (КШИ), кодовой шины данных (КШД). Структурная схема АЛУ приведена на рисунок 7.7.

Р1 – регистр 1-го числа

и результата

 

Р2 – регистр 2-го СУ

Числа

 

КШД Сумматор

КШИ

Рисунок 7.7 - Структурная схема АЛУ

АЛУ выполняет все виды арифметических операций только над целыми цифрами. Выполнение операций над дробными числами или числами с плавающей запятой осуществляется по специальным программам.

Алгоритм работы АЛУ следующий:

По инструкции, поступившей от КШИ через СУ в регистр Р1 (первое слово) поступает код первого числа из КШД, который загружается в сумматор.

Следующая инструкция от СУ загрузит код второго числа из КШД в регистр Р2 и затем отправит его в сумматор.

По команде СУ произойдет сложение двух чисел в сумматоре, результат которого будет отправлен в регистр Р1 (его второе слово).

По команде СУ результат сложения может быть отправлен в КЩД.

Все операции алгоритма работы выполняются по командам СУ, принимающей инструкции (команды) от КШИ.

Интерфейсная часть МП

Память интерфейсной части является небольшой, но чрезвычайно быстродействующей: время обращения к ней составляет наносекунды, т.е. тысячные доли секунды. Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации. Память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Регистры памяти делятся на общие и специальные:

Регистры общего назначения (РОН) – предназначены для хранения любой информации и могут быть использованы при выполнении ряда процедур.

Специальные регистры (СР) – используются для хранения адресов и различных признаков выполнения команд, например: переполнения, переноса знака и др.

Порты ввода – вывода — это устройства обмена информацией с внешними устройствами. Каждый порт имеет свой адрес, соответствующий ячейкам памяти устройства, а не памяти МП. Сам порт имеет два регистра памяти (регистр адреса и регистр данных) и аппаратуру сопряжения.

Схема управления шинами и портами – обеспечивает связь с портами системной шины, шины адреса, шины инструкций, шины данных и т.д. При этом алгоритм управления следующий:

- посылается команда оповещения устройства, подключенного к порту.

- посылается адрес порта.

- происходит отзыв порта.

- идет обмен данными или информацией через порт.

Типы микропроцессоров

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд.

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров семейства Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISC -процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC -процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

CISC -процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

RISC -процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Персональные компьютеры платформы IBM PC ориентированы на использование CISC -процессоров.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, несколько моделей Intel Pentium; несколько моделей Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III, Intel Pentium 4, Intel Core и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компании AMD и некоторых других производителей относятся к семейству х86 (или к семейству х86-64) и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз». Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот.

Характеристики наиболее распространенных из них приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 Характеристики наиболее распространенных CISC МП

Модель МП	Разряд-ность данных, бит	Разрядность адреса, бит	Тактовая частота, МГц	Адресное пространство	Число команд	Число элемен-тов	Год выпус-ка
			4.77 - 8	1 Мбайт		70 000
	8, 16		4.77 - 8	1 Мбайт		70 000
			10 - 33	16 Мбайт (вирт. 4 Гб)		180 000
			25 -50	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		275 000
			33 - 100	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		1.2*10^6
Pentium			60 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		3.1*10^6
Pentium Pro			133 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		5.5*10^6
Pentium II			200 - 450	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	7*10^6
Pentium III, IV			333- 4000	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	42*10^6

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. Процессоры, как и все электронные схемы, получили обозначение типов. Перед типом процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. За ним следует цифровое обозначение типа МП, которое при необходимости дополняется буквами или цифрами, указывающими его особенности и тактовую частоту. Например, i 80486 DX -50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой частотой 50 МГц. Обозначение «80» в имени процессора часто опускают.

Впервые анонсирован корпорацией Intel в январе 1997 г. Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных вычислений над целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие и др. программы, которые используют графику, звуки, трехмерное изображение, мультипликацию и т.п.

 

 

Наряду с поддержкой новых команд, в МП Pentium MMX, по сравнению с МП Pentium, внесено много схемотехнических и архитектурных решений, повышающих его производительность:

Вдвое увеличен размер кэш-памяти первого уровня – 16 Кб для команд и 16 Кб для данных.

Увеличена на один шаг длина конвейера, которая стала составлять шесть ступеней.

Блок предсказания переходов заимствован у МП Pentium Pro.

Имеется возможность исполнения двух команд ММХ одновременно.

Улучшен механизм параллельной работы конвейеров.

Процессор имеет встроенный тест.

Конкурирующие с корпорацией Intel компании AMD и Cyrix также выпустили ММХ -версии своих процессоров. Это Cyrix 6x86 MX и AMD K 6.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. В настоящее время оно составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными.

В основе работы процессора лежит тактовый принцип. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят три миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Устройства памяти

Оперативная память является неотъемлемым компонентом любого компьютера и вносит решающий вклад в его производительность. Причем, если совсем недавно чуть ли не единственной характеристикой памяти был ее объем, то сегодня не менее важными характеристиками являются также ее пропускная способность и время отклика (или латентность).

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов, в которых содержатся биты информации, объединенные в группы по восемь битов, которые называют байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединятся в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использование ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило, в одном машинном слове может быть предоставлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице 7.2.

Таблица 7.2 Разбиение памяти

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО
СЛОВО	СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производительные единицы объема памяти: килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объему хранимой информации и стоимости хранения одинакового объема информации.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память - оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память случайного доступа RAM развивается уже довольно долгое время, и к настоящему моменту сформировались две основные ее разновидности – статистическая (Static RAM, или SRAM) и динамическая (Dynamic RAM, или DRAM). Их отличие заключается в способе хранения данных. Динамическая память требует постоянного обновления записанной информации с периодом порядка десятков миллисекунд. При этом она проста и дешева в производстве. Статическая память, наоборот, достаточно дорога за счет более сложного устройства ячеек. Поэтому SRAM не получила большого распространения в модулях оперативной памяти, зато активно применяется в процессорах в качестве кэша второго уровня. Подавляющее же большинство компьютеров оснащается динамической памяти.

В одной из первых разновидностей DRAM под названием EDO RAM применялся асинхронный режим доступа. Это выражалось в том, что процессор при считывании данных приостанавливал свою работу, что приводило к существенной потере производительности.

Но несколько лет назад появился новый тип динамической памяти – SDRAM (Synchronous DRAM), который быстро набрал популярность и остается самым массовым по настоящее время.

Память SDRAM представляет собой набор элементарных ячеек, в каждой из которых может быть записан 1 бит информации. Они объединяются в матрицы, по номерам строк и столбцов, относительно которых производится адресация.

Модули SDRAM (рис. 7.9) имеют 64-разрядную шину данных и работают на частотах 100 и 133 МГц. Отсюда видно, что пропускная способность памяти SDRAM составляет 800 и 1067 Мб/с соответственно.

Рисунок 7.9 – Внешний вид модулей SDRAM

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ. Объем ОЗУ обычно составляет от 64 до 512 Мбайт, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 128 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM – динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро заряжаются, и их периодически (примерно каждые две миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Современные микросхемы имеют емкость от 1 до 16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее распространены модули типа SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с исходным расположением микросхем). Существуют SIMM с разъемами на различное число контактов.

Кэш -память

Кэш (английское слово cache — тайник), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма недоступное пользователю, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Оптимальный объем КЭШ зависит от объема оперативной памяти. Отсутствие КЭШ может существенно (от 20 % до 30 %) снизить общую производительность компьютера.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контролер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером от 8 до 16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, английское обозначение ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Микросхема постоянной или Flash -памяти является модуль BIOS (рис. 7.10).

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

- автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

- загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны — важный модуль любой операционной системы (Software).

Разновидность постоянного ЗУ может быть и модуль CMOS RAM (рис. 7.10).

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Рисунок 7.10 – Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) является разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.