2.1.1. Процессор

В ПК устройством, которое обрабатывает все виды информацию (числовую, текстовую, графическую, видео- и звуковую), является МИКРОПРОЦЕССОР или ПРОЦЕССОР.

Процессор это сердце ПК. Он вызывает данные с диска в ОЗУ, забирает их к себе, обрабатывает, а потом опять отправляет в ОЗУ и сохраняет в виде файлов на жестком диске. Микропоцессор аппаратно реализуется в виде сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) плоской полупроводниковой пластины размером примерно 5х5 см. Есть ПК, где интеграция элементов на кристалле 0,78 мкм, 0,15 мкм, 0,13 мкм. Такая микросхема – один из самых сложных технических объектов, когда-либо созданных человеком. Современный микроПр проектируется несколько лет, составлен из миллионов элементов и может производиться тиражами десятки и млн. штук в год. Фирмы-производители Пр: Intel (лидер); AMD; VIA; Motorola; Transmeta.

Системы начального уровня – Intel Celeron, AMD duron, VIA Cyrix; высокопроизводительные Пк – Intel Pentium IV, AMD Athlou, Motorola. Так как процессор является электронным устройством, то различные виды информации должны обрабатываться в нем в форме последовательностей электрических импульсов. Такие последовательности электрических импульсов можно записать в виде последовательностей 0 и 1 (есть импульс 1, нет импульса 0), которые называются МАШИННЫМ ЯЗЫКОМ, состоящем из МАШИННЫХ КОМАНД ИНСТРУКЦИЙ процессора. Полный список инструкций процессора называется СИСТЕМОЙ КОМАНД ПРОЦЕССОРА (СКПр). Разные процессоры имеют разные системы команд. Если процессоры относятся к одному семейству, то более новые модели могут выполнять все инструкции своих предшественников. Это называется СОВМЕСТИМОСТЬЮ СВЕРХУ ВНИЗ.

Процессор обращается к ОЗУ с помощью ШИНЫ АДРЕСА, а данные получает по ШИНЕ ДАННЫХ. Внутри процессора данные содержатся в специальных ячейках РЕГИСТРАХ. РАЗРЯДНОСТЬ количество битов, воспринимаемое как единое целое. Процессор с регистром в 1 байт (8 бит) называют 8-разрядным, 2 байта 16-разрядным, 4 байта 32-разрядным, 8 байт 64-разрядным, 16 байт – 128-разрядными, 32 байт – 256-разрядными и т.д. Чем выше разрядность процессора, тем больше байтов данных он обрабатывает за одну операцию. Разные регистры процессора имеют разное назначение.

РЕГИСТРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ используются для операций с данными.

АДРЕСНЫЕ РЕГИСТРЫ служат для хранения в них адресов, по которым процессор находит данные в памяти. Данные, участвующие в операции называются ОПЕРАНДАМИ. Операнды могут находиться в регистрах процессора, храниться в ОЗУ или поступать от внешних устройств по шине данных. Операция состоит в том, что к операндам применяется ИНСТРУКЦИЯ, с помощью которой происходит обмен данными между регистрами, между регистрами и ОЗУ, а также преобразование данных в регистрах. Для выполнения основных арифметических и логических операций, предусмотренных в СКПр, процессор имеет арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ – основной блок процессора. Координацию работы ПК осуществляет устройство управления (УУ), которое является составной частью процессора. Именно УУ контролирует все процессы обработки информации, выполняемые в ПК, на него возложена ответственная задача координировать работу всех устройств, подключенных к ПК. Инструкции для работы с данными Пр получает от программ. Программы, как и данные, представлены байтами и хранятся на жестком диске в виде файлов. Во время работы программы она размещается в ОЗУ. Выполнение одной инструкции происходит в несколько приемов (этапов). Отдельные этапы работы процессора называются ТАКТАМИ. Количество тактов инструкций, выполняемых процессором в единицу времени, называется ТАКТОВОЙ ЧАСТОТОЙ. Тактовая частота измеряется в МЕГАГЕРЦАХ (МГц). 1 МГц соответствует 1 млн. тактов в сек. Чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность. Для старых ПК типичной была частота 8-12 МГц, до сих пор многие машины работают в диапазоне 25-66 МГц. Однако современные ПК имеют частоты 133, 166, 200, 233, 333 МГц, 1 Ггц, 1,3 Ггц, 1,5 Ггц, 2 Ггц ... Обычно процессор работает с целыми положительными числами. Для арифметических операций, требующих учета знака числа, он применяет специальные инструкции ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ДВОИЧНОЙ АРИФМЕТИКИ. Действительные числа в ПК хранятся в 10 байтной (80-разрядной) форме.

Для работы с действительными числами используется МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СОПРОЦЕССОР. Процессор быстро производит операции внутри себя, но медленно работает с внешними устройствами, например ОЗУ. Для ускорения работы данные КЭШИРУЮТ, т.е., запоминают на время работы во внутренней КЭШ-ПАМЯТИ процессора. Разрядность процессора и его тактовая частота основные характеристики процессора, от которых зависит его ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ.

7 ПОКОЛЕНИЙ ПРОЦЕССОРОВ INTEL 

I поколение (1971-1979гг..) 16-разрядные процессоры типа XT 8086, 8088 и математический сопроцессор 8087. Тактовая частота 4.77, 8, 10 МГц. Производительность 330, 660, 750 тыс. операций в сек. Адресуемое пространство 1 Мбайт. 29000 транзисторов.

II поколение (1982-1984 гг..) 16-разрядные процессоры типа AT 80286 и сопроцессор 80287. Тактовая частота 6, 8, 12 МГц. Производительность 900 тыс., 1.5 млн. операций в сек. Адресуемое пространство 16 Мбайт. 134000 транзисторов.

III поколение (1985 г.) 32-разрядные процессоры типа DX 80386 и сопроцессор 80387. Тактовая частота 4, 25, 33 и 40МГц. Адресуемое пространство 4 Гбайт. 275000 транзисторов.

IV поколение (1989 г.) 32-разрядные процессоры типа DX 80486 (процессор 80386 и сопроцессор 80387 в одном корпусе и добавлена кэш-память). Тактовая частота 25 и 40 МГц. Производительность до 20 млн. операций в сек. 1.2 млн. транзисторов.

V поколение (1993 г.) 32-разрядные процессоры типа PENTIUM 60, 66. Производительность 100, 112 млн. операций в сек. Адресуемое пространство 4 Гбайт. 3.1 млн. транзисторов.

VI поколение (1994-1996 гг..) Pentium 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200. Рабочее напряжение снижено с 5 В до 3.3 В. Введено внутренне умножение частоты. Тактовая частота 150, 166, 180 и 200 МГц. Производительность 220 млн. операций в сек. 5.5 млн. транзисторов.

VII поколение (1997- ... гг..) – Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II,III,IV Тактовая частота 166, 200, 233, 266, 300, 350, 400, 500 МГц., 2000Мгц и т.д. Имеют дополнительные инструкции в системе команд и несколько новых 64-разрядных регистра. Контрольные вопросы. 1. Откуда процессор получает инструкции по обработке данных? 2. Где хранятся программы, управляющие работой процессора? Где хранятся данные в то время, когда процессор с ними работает? 3. Что такое система команд процессора? 4. Перечислите все виды операций, которые выполняет АЛУ. 5. В чем достоинство совместимости сверху вниз? 6. От чего зависит производительность процессора? 7. Какие приемы повышения производительности процессора применяют инженеры и ученые? 8. С какими числами может работать процессор? С какими числами работает математический сопроцессор?