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?