Наиболее распространенные типы ЦП

 

Сегодня самыми распространенными типами центральных процессоров являются процессоры серии Pentium, разработанные фирмой Intel, и процессоры серии PowerPC, совместно разработанные компания­ми Motorola и IBM. Процессоры Pentium нашли наиболее широкое применение в настольных ПК, а процес­соры PowerPC используются в разработках Apple Computer Corporation. Эти ЦП выпускаются обычно в виде небольших плоских прямоугольных пластин с игольчатыми контактами, совместимыми с конструкциями со­временных плат. Для повышения производительности эти процессоры за одно обращение могут считывать из основной памяти блоки из многих байтов. В частности, они обычно выбирают из памяти сразу несколько команд и во многих случаях оказываются способны выполнять больше одной команды одновременно.

Процессоры Pentium и PowerPC представляют два различных подхода к конструированию центральных процессоров. В частности, процессоры Pentium имеют CISC-архитектуру, тогда как процессоры PowerPC являются примером использования RISC-архитектуры.

Полезно будет рассмотреть назначение регистров с точки зрения общих функций памяти компьютера. Регистры предназначены для хранения тех дан­ных, с которыми машине необходимо работать непосредственно сейчас; основная память используется для хранения тех данных, которые понадобятся для работы в ближайшем будущем; а массовая память применяется для хранения данных, с которыми в ближайшее время вряд ли потребуется работать.

Во многих машинах к этой иерархической структуре присоединен дополни­тельный уровень, который называется сверхоперативной памятью (кэш). Кэш — это раздел высокоскоростной памяти с временем доступа, сравнимым со време­нем доступа к регистрам центрального процессора. Часто кэш непосредственно входит в состав ЦП. В эту специальную область памяти машина стремится ско­пировать именно ту часть основной памяти, в которой содержатся данные, необ­ходимые для работы на данный момент. В этом случае обмен данными будет осуществляться не между регистрами и основной памятью, как это обычно бывает, а между регистрами и кэшем. Затем, в подходящий момент, все выполнен­ные изменения одновременно передаются в основную память машины.

 

Интерфейс между ЦП и основной памятью

 

Для передачи битовых комбинаций между ЦП и основной памятью машины эти устройства соединяются группой проводов, которая называется шиной (рис. 2.1). Именно через эту шину центральный процессор извлекает (или считывает) данные из основной памяти, направляя в нее адрес необходимой ячейки памяти вместе с сигналом считывания. Аналогичным образом ЦП помещает (или записывает) данные в память, указав адрес ячейки назначения и записываемую информацию, сопровождаемые сигналом записи.

Рис 2.1

 

Получив представление об этом механизме, можно понять, что даже такая простая операция, как сложение данных, сохраняемых в основной памяти ма­шины, включает гораздо больше действий, чем собственно выполнение операции сложения. Такая процедура требует согласованных совместных действий как блока управления, координирующего передачу информации между регистрами и основной памятью, так и арифметико-логического блока, выполняющего собст­венно операцию сложения по команде, поступающей от блока управления. Весь процесс сложения двух сохраняемых в основной памяти чисел можно разделить на пять этапов, как показано на рис. 2.2.

 

Этап 1. Выбрать первое слагаемое из основной памяти и поместить его в регистр.

Этап 2. Выбрать второе слагаемое из основной памяти и поместить его в другой регистр.

Этап 3. Активизировать электронную схему суммирования, указав используемые на этапах 1 и 2 регистры в качестве входных и задав еще один регистр в качестве выходного, предназначенного для размещения результата.

Этап 4. Сохранить результат выполнения операции в основной памяти.

Этап 5. Завершить выполнение операции.

 

Рис 2.2

 

Машинные команды

 

Показанная на рис. 2.2 последовательность этапов представляет собой пример команды, которую должен уметь выполнять центральный процессор любой машины. Такие команды называются машинными командами. Вас, вероятно, удивит тот факт, что полный список машинных команд относительно невелик. Одной из наибо­лее удивительных особенностей компьютерных наук является то, что если машина способна выполнять определенный тщательно продуманный набор элементарных операций, то дальнейшее расширение набора команд машины не приведет к увели­чению ее теоретических функциональных возможностей. Другими словами, после какого-то момента добавление новых функций позволяет повысить лишь комфорт­ность эксплуатации машины или скорость ее работы, однако никак не влияет на ос­новные ее свойства.

При изучении системы машинных команд полезно будет разделить их на три категории: команды передачи данных, арифметические и логические команды, а также команды управления.

 

Команды передачи данных

 

Первая группа команд этой категории включает те команды, при выполнении ко­торых происходит перемещение данных из одного места в другое. На рис. 2.2 к этой группе относятся действия, выполняемые на этапах 1, 2 и 4. Как и в случае с основ­ной памятью, наиболее типичной является ситуация, когда перемещаемые данные сохраняются и в месте их исходного расположения. Процедура выполнения команд передачи данных больше напоминает копирование информации с одного места в другое, а не обычное их перемещение. Поэтому чаще всего, употребляемые названия команд пересылка или перемещение следует считать выбранными неверно. Более подходящими названиями для этих команд можно считать копирование или дубли­рование. Поскольку мы коснулись терминологии, то следует указать, что для пере­дачи данных между ЦП и основной памятью существуют специальные термины. За­прос на заполнение регистра общего назначения содержимым ячейки памяти обычно называют командой загрузки (LOAD), а запрос на передачу содержимого регистра в ячейку основной памяти — командой сохранения (STORE).

Вторую, очень важную группу команд этой категории составляют команды связи с устройствами, выходящими за рамки интерфейса ЦП-основная память. Поскольку эти команды отвечают за выполнение в машине операций вво­да/вывода, они обычно называются командами ввода/вывода и в некоторых слу­чаях помещаются в отдельную категорию. Однако для выполнения операций ввода/вывода обычно используются те же коман­ды, с помощью которых выполняется передача данных между ЦП и основной памятью машины. А это означает, что выделение данных команд в отдельную категорию следует считать неправомерным.