Процессор компьютера. Основные характеристики (разрядность, адресное пространство и др.)

Процессор - это центральное устройство компьютера. Он выполняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и "общается" с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы.

К обязательным компонентам процессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусматривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяют четыре этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

Функции процессора:

1.обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

2.программное управление работой устройств компьютера.

Архитектура процессора

Процессор состоит из ячеек. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Во время обработки они могут изменяться самыми разными способами. Ячейки процессора называются регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Существует много разнообразных процессоров, и у каждой модели свои регистры. У одних процессоров регистров больше, у других - меньше. Бывают регистры восьмиразрядные – в такой регистр помещаются 8 битов, то есть один байт. Если регистр шестнадцатиразрядный, то в нем могут поместиться два байта. Пару взаимосвязанных байтов называют словом. В 32-разрядный регистр помещаются 4 байта (двойное слово).

Разные регистры процессора имеют разное назначение. Регистры общего назначения используются для операций с данными (байтами, словами и двойными словами). Адресные регистры служат для хранения в них адресов, по которым процессор находит данные в памяти.

Существуют специальные регистры для самопроверок процессора. Интересен флаговый регистр. Его биты служат как бы флажками, которые включаются или выключаются в особых случаях. Когда от меньшего числа отнимают большее, то занимают одну единичку в старшем разряде. На этот случай во флатовом регистре есть специальный флажок, который включается при таком событии. Есть там флажки, которые включаются при переполнении регистров или при их обнулении, а также еще несколько специальных флажков.

У каждого типа процессоров свой состав регистров, и у каждого и регистра свое назначение. Состав регистров процессора и их назначение называются архитектурой процессора. Чем сложнее процессор, тем сложнее его архитектура. В процессорах современных компьютеров несколько десятков регистров. Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции (принцип его работы рассмотрен в разделе 5.8);

счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Система команд процессора

Мы продемонстрировали действие лишь трех команд (инструкций) процессора, а на самом деле подобных команд порядка тысячи. У каждой команды есть спой код (номер). Например есть команда 000, есть команда 001, 002 и т. д. Для каждого процессора существует специальный документ, в котором описано, какая инструкция что выполняет, каким кодом она записывается и как ее следует использовать, - этот документ называется системой команд процессора. У каждого процессора своя система команд. У одного процессора, например, команда 079 может обозначать: “К. числу, которое находится в регистре А, прибавить число, которое находится в регистре В, и результат оставить в регистре А”.

Другой процессор, может быть, вообще не имеет регистров А и В и называются они по-другому, и команда 079 выполняет с другое действие. В этом случае говорят о том, что эти процессоры имеют разные системы команд

У компьютеров четвертого поколения функции центрального: процессора выполняет микропроцессор (МП) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см.кв. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Так, центральный процессор содержит 1,2 млн. транзисторов, а Pentium - 5,5 млн. транзисторов.

Знание модели МП, установленного на системной плате компьютера, позволяет судить, к какому классу оборудования прилежит компьютер. Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

тактовой частотой обработки информации;

разрядностью;

интерфейсом с системной шиной;

адресным пространством (адресацией памяти)

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени менаду началом подачи двух последовательных импульсов электрического тока, синхронизирующих работу, различных устройств компьютера. Специальные импульсы для отсчета времени для всех электронных устройств вырабатывает тактовый генератор частоты, расположенный на СИСТЕМНОЙ плате Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота определяется как количество тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (1МГц = 1 млн тактов/с). Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие МП. Переход к микропроцессору с большей тактовой частотой означает повышение скорое обработки информации. Говоря о быстродействии процессор имеют в виду количество операций, выполняемых им в секунду

Один из способов повышения быстродействия МП -- использование кэш-памяти. Это позволяет избежать циклов ожидания в работе МП, пока информация из соответствующих схем памяти установится на системной шине данных компьютера. Таким образом кэш-память функционально предназначена для согласования скорости-работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым МП. Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большее быстродействие.

Для определения производительности МП в настоящее время рассматривают четыре аспекта – целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео, сравнивая их с производительностью процессора i486 SX-25 МГц, чьи показатели в 1992 г. были приняты за 100. Подчеркнем, что речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо центрального процессора, от множества других факторов.

Для улучшения показателей при выполнении операций с плавающей запятой, на которые даже самые мощные универсальные микропроцессоры тратят достаточно много времени, создано и пользуется специальное устройство – математический сопроцессор. Это интегральная схема, работающая во взаимодействии центральным МП. Она предназначена только для выполнения математических операций. В них нет нужды, если работа на компьютере выполняется с базами данных или с обычными текстовыми редакторами, но если работают с электронными таблицами, с трехмерной графикой, издательскими пакетами, пакетами САПР, специальными программами по математическому моделированию, то отсутствие математического сопроцессора нежелательно. Поэтому все МП фирмы, начиная с i486, имеют встроенные сопроцессоры, что заметно повышает их производительность.

Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов -- важнейший фактор производительности МП. Процессор может быть 8-,16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени.

Интерфейс с системной шиной. Разрядность внутренней шины данных ПМ может не совпадать с количеством внешних выводов для линии данных. Например, МП с 32-разрядной внутренней шиной данных может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины -- адресной шиной. Как уже отмечалось выполнение процессором команды предусматривает наряду с арифметическими действиями и логическими операциями передачу управления и перемещение данных из одного места памяти в другое. Поэтому важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.

Адресное пространство (адресация памяти). Одна из функций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства а, а для ОЗУ – адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Он определяется разрядностью внешней шины адреса. Действительно, пусть разрядность адресной шины, тогда количество различных двоичных чисел, которые можно по ней передать, равно 2^N. Известно, что число, передаваемое по адресной шине при обращении процессора к оперативной памяти, есть адрес ячейки ОЗУ (ее порядковый номер). Значит, 2^N -- это количество ячеек оперативной памяти которым, используя адресную шину, может обратиться (адресоваться) процессор, то есть 2^N -- объем адресного пространства процессора. Следовательно, при 16-, 20-, 24- или 32-разрядной шине адреса создается адресное пространство соответственно 2¹⁶ = 64Кбайта, 2²⁰= 1 Мбайт, 2²⁴ = 16 Мбайт, 2³² = 4 Гбайта. Поэтому разрядность процессора часто уточняют, записывая, например для i80386 -- 32/32, что означает: МП имеет 32-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса, то есть одновременно обрабатывает 32 бита информации, а объем адресного пространства микропроцессора составляет 2³² = 4 Гбайта.

Для дополнительного чтения

Система классификации и именования процессоров Intel Pentium - самые первые процессоры семейства P5 появились в далеком марте 1993-го, тогда Intel, чтобы не повторить ошибки с i486 (суд отклонил иск Intel к AMD по поводу названия) решила дать своему детищу имя, которое впоследствии стало нарицательным. Первое поколение Pentium носило кодовое имя P5 и выпускалось на тактовых частотах 60 и 66 Мгц по 0.80-микронной технологии, правда стоит отметить, что частота шины у этих процессоров была равна частоте ядра. Выпускались они исключительно под Socket 4. Следующим шагом в развитии этого семейства стал P54, который появился ровно через год. При его изготовлении использовался уже 0.50, а затем и 0.35-микронный технологический процесс. Тактовая частота была в пределах 75-200 Мгц, а шина 50-66 Мгц. Объем кэш памяти первого уровня 16Кб. Сначала выпускались для Socket 5, а затем и для Socket 7. Архитектура IA32, набор команд не менялся со времен i386.

Pentium w/MMX technology - следующим большим шагов стал выпуск P55, процессора в котором впервые был реализован новый набор из 57 команд MMX. Произошло это 8 января 1997 года. С развитием технологии процессоры стали выпускаться по 0.28 микрон. Объем кэш памяти первого уровня был увеличен в два раза - 32 Кб. Тактовая частота 166-233 Мгц, а шины исключительно 66 Мгц. Рассчитан на Socket 7. На этом развитие линейки Pentium для настольных компьютеров было прекращено.

Tillamook - процессор, изначально создавшийся для применения в ноутбуках; благодаря усовершенствованному 0.25-микронному процессу, удалось одновременно поднять тактовую частоту вплоть до 266 Мгц, а также снизить напряжение ядра и мощность. Таким образом, мобильные компьютеры встали в один ряд с настольными. Он является продолжением линейки Pentium и включает 32 Кб L1 кэша и набор MMX. Выпускался на тактовых частотах от 133 до 266+ Мгц с частотой шины 60-66 Мгц. Тип упаковки: TCP и MMC. Появился 8 января 1997 года. Выпускается до сих пор.

Pentium Pro - первый процессор шестого поколения. Довольно революционный для своего времени. В нем впервые Intel решилась применить кэш память второго уровня, объединенную в одном корпусе с ядром и оперирующую на частоте процессора. Имел очень высокую себестоимость изготовления, которая так практически и не снизилась за все время его существования с 1 ноября 1995 года. Выпускался как по 0.50, так и по 0.35-микронной технологии в зависимости от объема кэша. Кэш второго уровня имел объем 256, 512 и 1024 Кб. Тактовая частота от 150 до 200Мгц. Частота системной шины 6-66Мгц. Кэш первого уровня объемом 16Кб. Выпускался исключительно для Socket 8. Набор инструкций еще от 386го. Значительно опередил свое время.

Pentium II - семейство P6/6x86, впервые появился в мае 1997 года. Объединяет общим именем процессоры, предназначенные для разных сегментов рынка. Pentium II (Klamath, Deschutes, Katmai и др.) для массового рынка ПК среднего уровня, Celeron (Covington, Mendocino, Dixon и др.) - для недорогих low-end компьютеров, Xeon (Xeon, Tanner, Cascades и др.) для высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Имеет модификации для Slot 1, Slot 2, Socket 370, а также варианты в мобильном исполнении. Ниже мы рассмотрим каждое семейство в отдельности.

Klamath - самый первый процессор линейки Pentium II. Изготавливался по уже устаревшей 0.35-микронной технологии, а потому диапазон тактовых частот всего 233-300 Мгц. Частота системной шины - 66 Мгц, кэш память второго уровня - 512 Кб, которая размещена на процессорной плате и работает на половине частоты процессора. Кэш первого уровня 32 Кб. Дополнен MMX блоком. Это также первый процессор для Slot 1. Увидел свет 7 мая 1997 года.

Deschutes - дальнейшее развитие линейки Pentium II, усовершенствованная технология изготовления 0.25 микрон. Соответственно, удалось поднять тактовую частоту 266-450+ Мгц, частота системной шины 66-100 Мгц, кэш память второго уровня 512 Кб размещена на процессорной плате, вышел 26 января 1998 , Slot 1. Кэш первого уровня 32 Кб. Дополнен MMX блоком. В настоящее время ядро Deschutes используется во многих процессорах линейки Pentium II.

Tonga - очень интересный процессор. Его имя мне встретилось впервые при написании данного обзора. Дело в том, что Intel никогда не афишировала тот факт, что Mobile Pentium II, построенный на 0.25 микронном ядре Deschutes будет называться именно Tonga. Правда, особо удивляться тут нечему, это ведь всего лишь codename, а на рынок процессоры выходят совсем под другими именами. В любом случае он впервые появился 2 апреля 1998 года. Тактовая частота в диапазоне 233-300+ Мгц, шина - стандартные 66 МГц. Выпускается как Mini Cartridge Connector и Mobile Module Connector 1 и 2 (MMC-1 и 2).

Katmai - самый ожидаемый процессор начала 1999 года. В нем впервые будет использован новый набор команд для обработки 3D графики - KNI (Katmai New Instructions). Тактовая частота 450-500+ Мгц, частота системной шины 100 Мгц, кэш память второго уровня 512 Кб размещена на процессорной плате. Вначале будет изготавливаться по 0.25-микронной технологии, затем переход на 0.18. Исключительно для Slot 1. Призван заменить сегодняшние процессоры линейки Pentium II.

Celeron - революционный в некотором смысле процессор, Intel наконец-то обратила внимание на массовый рынок недорогих компьютеров. В общем, это целое семейство недорогих процессоров как с кэшем второго уровня, так и без оного. В данный момент выпускаются и планируются к выпуску следующие его представители Covington, Mendocino, Dixon. Впервые появился в апреле 1998 года. Выпускается в вариантах для Socket 370, Slot 1.

Covington - первый процессор линейки Celeron. Построен на ядре Deschutes и выпускается по 0.25-микронной технологии. Тактовая частота 266-300+ Мгц, частота системной шины 66 Мгц, кэш память второго уровня 0 Кб. Впервые появился 15 апреля 1998 года. Для уменьшения себестоимости выпускается без кэш памяти второго уровня и защитного картриджа. Физический интерфейс Slot 1.

Mendocino - является развитием линейки Celeron. В отличие от своего предшественника имеет кэш память второго уровня объемом 128 Кб, интегрированную на одном кристалле с ядром. Технология изготовления - 0.25 микрон. Тактовая частота - 300-333+ Мгц, частота системной шины - 66 Мгц. Благодаря тому, что кэш оперирует на частоте процессора, имеет весьма неплохую производительность. Вышел 8 августа 1998. Выпускается для Slot 1.

Dixon - следующий пункт в истории Celeron. Недорогой процессор в первую очередь ориентированный на применение в ноутбуках. Будет изготавливаться по 0.25 микронной технологии. Объем кэш памяти первого уровня - 32 Кб. Как и в Mendocino, кэш второго уровня будет расположен на одном куске кремния с ядром, однако его объем будет увеличен до 256Кб. Тактовая частота - 333+ Мгц, частота системной шины - 66 Мгц. Возможно, выйдет в варианте Slot 1 для настольных ПК. Планируется к выпуску во втором квартале 1999 года. Будет содержать MMX, но увы без KNI, который Intel внедрит только лишь Coppermine - следующем недорогом процессоре.

Coppermine - должен прибыть в сентябре 1999 года. Работать будет на тактовых частотах 533-6ХХ Мгц, при частоте шины в 133 Мгц. Изготавливаться будет уже по 0.18 микронному процессу. Кэш типа BSRAM и объемом 512Кб будет работать на половине частоты процессора. Процессор выйдет в линейке Pentium II, а значит Slot 1. Как последователь Katmai будет содержать KNI наряду с MMX. Использование кэша типа BSRAM обусловлено маркетинговыми соображениями.

Xeon - спустя несколько лет Intel решилась на выпуск замены Pentium Pro. Как и в его предшественнике, кэш память второго уровня здесь оперирует на частоте процессора. Правда, если в PPro кэш и ядро были объединены одним корпусом, то в Xeon одним картриджем. Это первый процессор для Slot 2, и предназначен в первую очередь для мощных серверов и рабочих станций. Способен работать в мультипроцессорных конфигурациях. Построен на ядре Deschutes и выпускается, как и собственный кэш, по 0.25 микронной технологии. Кстати сам кэш имеет объем 512, 1024, 2048Кб, что во многом определяет высокую стоимость и тепловыделение.

Tanner - явится уже в первом квартале 1999 года (где-то в марте) и будет развитием линейки Xeon. Все еще IA32. Однозначно будет выпускаться для Slot 2. Предназначен, в первую очередь, для hi-end серверов. Тактовая частота от 500 Мгц, шина соответственно - 100-133, как и положено всем Xeon'ам CSRAM-кэш второго уровня, работающий на частоте процессора, объемом 512, 1024 и 2048 Кб. Естественно MMX и KNI, кэш первого уровня все тот же - 32Кб. Возможно, будет выпускаться наряду с Xeon. Очень дорогой процессор, вариант с 512 Кб кэша и частотой 500 Мгц будет стоит около 1000 долларов. Изначально позиционировался как переходный к Merced, и соответственно картридж должен был быть Slot M. Планы, однако, изменились. Правда, не совсем понятно, зачем hi-end серверу KNI.

Cascades - еще один новичек, который появится с сентября 1999 года. Он является развитием Xeon, но, несмотря на это, с его приходом планируется внедрение Slot 2 на рынок ПК среднего уровня. Тактовая частота от 6ХХ Мгц, шина - 133 Мгц. И самое интересное - 256 Кб кэш памяти второго уровня на одном кристалле с ядром микропроцессора. Соответственно, KNI, MMX, 32 Кб L1 кэша. Технология 0.18 микрон, а следовательно размеры кристалла и его цена будут невысокими.

Willamete - возможно, один из последних представителей IA32, должен появиться в четвертом квартале 1999 года для Slot 1. Планируется до 50% прирост скорости по сравнению с Deschutes на той же частоте. Выпускать его будут по 0.18, а позже по 0.13-микронной технологии. Диапазон тактовых частот 800-1200, частота шины как минимум 100 Мгц, а учитывая дату выпуска так и 133-200Мгц. Соответственно, будет поддерживать MMX и KNI + усовершенствованный сопроцессор (FPU). Кэш второго уровня от 1Мб.

Foster - ожидается в конце 2000-го начале 2001-го года. Это будет последний микропроцессор в линейке IA32. Значительно больший (по сравнению с сегодняшним) объем кэш памяти первого и второго уровней, вначале 0.18-ти, а затем и 0.13-микронный технологический процесс и скорости от 1 Ггц и выше. Будет использовать шину от Merced, и выпускаться для Slot M.

Merced - первый процессор архитектуры IA64, аппаратно совместим с архитектурой IA32, будет включать трехуровневую кэш память, включая память 0-го уровня. Производительность будет примерно в три раза выше чем у Tanner. Технология изготовления 0.18 микрон, тактовая частота начиная с 800 Мгц, частота системной шины - 200 Мгц. Также 4 блока для работы с "плавающей точкой". Будет превосходить Pentium Pro по операциям FPU в 20 (!!!) раз. Физический интерфейс: Slot M. По умолчанию: MMX, KNI.

McKinley - планируется к выходу в третьем/четвертом квартале 2001 года, второе поколение процессоров архитектуры IA64, тактовая частота начиная 1000 Мгц. Удвоение мощности по сравнению с Merced. А также втрое увлеченная пропускная способность шины данных, увеличенный (по сравнению с Merced) объем кэша второго уровня и скорости за 1 ГГц. Как водится 0.18-ти и позже 0.13-микронная технология изготовления. Физический интерфейс - Slot M.

Madison - преемник McKinley, планируется к выходу в 2002 году, другими словами это будет тот же McKinley, но построенный по медной, 0.13-микронной технологии.

Deerfield - процессор, который ожидается к выходу в 2003 году. Изготовляться будет по 0.13 микронной медной технологии Motorola. Является преемником Foster'a. Как и все новые процессоры будет выпускаться для Slot M. Позиционируется как недорогой процессор архитектуры IA64 для массового рынка, эдакий Celeron IA64.