Процессоры: назначение, структура и разновидность.
Микропроцессор (МП), или central processing unit (CPU) – функционально- законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Функции микропроцессора:
- вычисление адресов операндов или команд;
- выборка и дешифрация команд из оперативной памяти (ОП);
- выборка данных из ОП, регистров микропроцессорной памяти (МПП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
- прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
- выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
- переход к следующей команде.
Основные параметры микропроцессоров:
- разрядность (определяется разрядностью внутренних регистров, над которыми одновременно могут выполняться операции);
-адресное пространство (максимальное количество ячеек основной памяти которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором);
- рабочая тактовая частота (частота исполнения тактов команд микропроцессором – определяет внутреннее быстродействие МП);
- кэш-память (память внутри ПМ работающая с частотой ядра МП);
- состав инструкций (перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП);
- конструктив (размеры и разъемные соединения);
- рабочие напряжения (напряжение питания ядра и периферии ПМ).
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel(США) – МП I4004. В настоящее время разными фирмами выпускаются разные процессоры и их разбивают на 4 группы:
- МП типа CISC (Complex Instruction Set Command) – с полным набором системы команд. Большинство персональных компьютеров использует CISC микропроцессоры. Большое разнообразие команд упрощает программирование, но с другой стороны усложняет структуру самого микропроцессора и ограничивает быстродействие.
- МП типа RISC (Reduced Instruction Set Command) – с усеченным набором системы команд. Процессор содержит только набор простых наиболее часто исполняемых команд. Сложные команды реализуются группами простых инструкций. Такая организация помогает упростить структуру ПМ и тем самым повысить быстродействие. Используются в машинах серверах.
- МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) – со сверхбольшим командным словом. Большое машинное слово позволяет выполнять инструкции с одновременно, что увеличивает производительность. Сложность и высокая стоимость позволяет использовать такие архитектуры в больших и супер ЭВМ.
- МП типа MISC (Minimum Instruction Set Command) – с минимальным набором системы команд. Идея заключается в создании сверхбыстродействующих простых МП параллельная организация работы которых позволяет получить ЭВМ с высоким быстродействием. Применяется при создании супер ЭВМ.
Упрощенная структура микропроцессора:
Устройство управления (УУ) – является функционально наиболее сложным устройством микропроцессора. Оно вырабатывает управляющие сигналы во все блоки МП и компьютера с целом для исполнения заданной команды.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Микропроцессорная память (МПП) – сверхбыстродействующая память, выполненная на регистрах и используемая микропроцессорам при непосредственном выполнении команд. Количество регистров МПП составляет несколько десятков.
Узел формирования адреса - блок, отвечающий за формирования адресов для выбора следующих команд или данных.
Интерфейсная система – выводы и схемы сопряжения, предназначенные для эффективной передачи адресов, данных, команд и управляющих сигналов.
Внутренняя шина МП – обеспечивает связь составляющих частей микропроцессора.
При включении микропроцессора интерфейсная система вводит команду по системной шине в устройство управления. В устройстве управления код команды дешифрируется и создается последовательность микрокоманд. Устройство управления согласно микрокомандам переключает (управляет) блоками процессора и компьютера заставляя им выполнять необходимые действия для исполнения заданной команды. Одновременно с этим формируется адрес для загрузки следующей команды или данных, если это необходимо.
Такая организация выполнения команд по одной цепочке имеется в скалярных микропроцессорах. Начиная с процессоров Pentium, и им совместимые относятся к суперскалярным МП и способны выполнять несколько команд параллельно.
В действительности структура процессора довольна сложна. В помощь процессору может использоваться кэш-память, математический сопроцессор, графический сопроцессор, сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных операций взаимодействия с устройствами. В современных процессорах может находиться несколько ядер работающих параллельно на уровне оперативной памяти.
Процессоры персональных компьютеров за время развития прошли несколько этапов эволюционирования от 16 разрядных до 32 и 64 битных структур. Для обеспечения их совместимости МП обеспечивают различные режимы работы: реальный, виртуальный, защищенный, 64 битный режим, режим совместимости. Так же в самых последних процессорах имеются инструкции всех предыдущих поколений.
Для уменьшения выделяемого тепла и потребляемой мощности, в последних моделях микропроцессоров введены блоки управления производительностью в зависимости от загруженности.
