Устройство центрального процессора

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

· Арифметико-логическое устройство;

· Шины данных и шины адресов;

· Регистры;

· Счетчики команд;

· Кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

· Математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП). Физически микропроцессор представляет собой интегральную систему – схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадь. Всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

2.1. Структура микропроцессора

 

Микропроцессор состоит из двух основных частей:

1. Операционной, содержащей устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

2. Интерфейсной, содержащей память, регистры общего назначения (РОН) и специальные регистры, порты ввода – вывода, схемы управления шинами и портами.

2.1.1. Операционная часть

А). УУ предназначено для выработки сигналов управления, поступающих по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки ЭВМ. В свою очередь УУ состоит из отдельных функциональных элементов:

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство микропрограмм;

ДО – дешифратор операций;

УФА – узел формирования адреса;

РК – регистр команд;

КША – кодовая шина адреса;

КШУ – кодовая шина управления.

Структурная схема УУ приведена на рис. 6.6.

 

Команда управления

КШИ

Адрес

ПЗУ От Памяти команды

От тактового МП

генератора ДО УФА

Управление

РК КША

Код операции Адрес операндов

КШУ

Рис. 6.6. Структурная схема устройства управления

Алгоритм работы УУ следующий:

1. Сигнал управления поступает через шину КШУ и в регистре команд РК определяет код операции управления, а также часть адреса куда отправлена будет команда управления.

2. Дешифратор ДО в соответствии с кодом операции выбирает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих импульсов, которую передает на КШИ, формируя тем самым команду управления (инструкцию).

3. Одновременно с этим узел УФА вычисляет полный адрес ячейки памяти по данным, поступающим из РК и Памяти МП, а затем по шине КША отправляет адрес команды.

Все эти операции происходит синхронно с импульсами тактового генератора и, в зависимости от команды управления, могут занимать по времени несколько импульсов тактового генератора.

Б). АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Состоит АЛУ из регистров Р1с разрядностью двойного слова и Р2 с разрядностью слова, схемы управления (СУ), сумматора и двух шин: кодовой шины инструкций (КШИ), кодовой шины данных (КШД). Структурная схема АЛУ приведена на рис.6.7.

 

Р1 – регистр 1-го числа

и результата

 

Р2 – регистр 2-го СУ

Числа

 

КШД Сумматор

КШИ

Рис. 6.7. Структурная схема АЛУ

АЛУ выполняет все виды арифметических операций только над целыми цифрами. Выполнение операций над дробными числами или числами с плавающей запятой осуществляется по специальным программам.

Алгоритм работы АЛУ следующий:

1. По инструкции, поступившей от КШИ через СУ в регистр Р1 (первое слово) поступает код первого числа из КШД, который загружается в сумматор.

2. Следующая инструкция от СУ загрузит код второго числа из КШД в регистр Р2 и затем отправит его в сумматор.

3. По команде СУ произойдет сложение двух чисел в сумматоре, результат которого будет отправлен в регистр Р1 (его второе слово).

4. По команде СУ результат сложения может быть отправлен в КЩД.

Все операции алгоритма работы выполняются по командам СУ, принимающей инструкции (команды) от КШИ.

2.1.2. Интерфейсная часть МП.

Память интерфейсной части является небольшой, но чрезвычайно быстродействующей: время обращения к ней составляет наносекунды, т.е. тысячные доли секунды. Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации. Память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Регистры памяти делятся на общие и специальные:

Регистры общего назначения (РОН) – предназначены для хранения любой информации и могут быть использованы при выполнении ряда процедур.

Специальные регистры (СР) – используются для хранения адресов и различных признаков выполнения команд, например: переполнения, переноса знака и др.

Порты ввода – вывода - это устройства обмена информацией с внешними устройствами. Каждый порт имеет свой адрес, соответствующий ячейкам памяти устройства, а не памяти МП. Сам порт имеет два регистра памяти (регистр адреса и регистр данных) и аппаратуру сопряжения.

Схема управления шинами и портами – обеспечивает связь с портами системной шины, шины адреса, шины инструкций, шины данных и т.д. При этом алгоритм управления следующий:

1. Посылается команда оповещения устройства, подключенного к порту.

2. Посылается адрес порта.

3. Происходит отзыв порта.

4. Идет обмен данными или информацией через порт.

 

2.2.Типы микропроцессоров

Все микропроцессоры можно разделить на две группы:

* МП с полным набором команд (CISC - Complex Instruction Set Computing);

* МП с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing).

Микропроцессоры с полным набором команд.

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП с полным набором команд (типа CISC); характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл. 6.1.

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. Процессоры, как и все электронные схемы, получили обозначение типов. Перед типом процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. За ним следует цифровое обозначение типа МП, которое при необходимости дополняется буквами или цифрами, указывающими его особенности и тактовую частоту. Например, i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой частотой 50 МГц. Обозначение «80» в имени процессора часто опускают.

 

 

 

Таблица 6. 1. Характеристики наиболее распространенных CISC МП

Модель МП	Разряд-ность данных, бит	Разряд-ность адреса, бит	Тактовая частота, МГц	Адресное пространство	Число команд	Число элементов	Год выпуска
			4.77 - 8	1 Мбайт		70 000
	8, 16		4.77 - 8	1 Мбайт		70 000
			10 - 33	16 Мбайт (вирт. 4 Гб)		180 000
			25 -50	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		275 000
			33 - 100	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		1.2*106
Pentium			60 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		3.1*106
Pentium Pro			133 - 200	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)		5.5*106
Pentium II			200 - 450	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	7*106
Pentium III, IV			333- 4000	4 Гбайт (вирт. 64 Тб)	~ 300	42*106

Процессор 8086/8088

Этот процессор применялся фирмой IBM в ее первых ПК. МП 8088 и 8086 работают внутри с 16-разрядными данными. Однако если процессор 8086 как передает, так и принимает 16 бит данных, то 8088 ограничен при обмене данными только 8 битами.

Процессор 80286

Процессор 80286 наряду с реальным режимом он мог также работать и в защищенном режиме. Он имел возможность обращаться уже к 16 Мб физической памяти и даже к 1 Гб виртуальной. Кроме того, МП 80286 переносит существенно более высокую тактовую частоту.

Процессор 80386

Первый компьютер с МП 80386 пришел к нам не от фирмы IBM, а от ее соперника – фирмы Compaq в 1986 г. процессор 386DX, в отличие от 16-разрядного МП 286, является 32-разрядным. Он обеспечивает 32-разрядные операции ввода-вывода и 32-разрядную адресацию. Такая разрядность внутреннего адреса обеспечивает адресацию физической памяти до 4 Гб и виртуальной до 64 Тб. Наиболее распространенная тактовая частота такого МП – 33 Мгц.

Процессор 80486

До недавнего времени в мире ПК этот процессор фактически являлся стандартом широко распространенных компьютеров. Типичная частота процессора 80486DX составляет 33 или 50 МГц. Различия между процессорами 80386 и 80486 значительны. Преимущество в быстродействии МП 486 определяется в первую очередь четырьмя факторами:

- МП 486 имеет расширенный набор команд.

- В микросхему интегрированы 8 Кб кэш-памяти, которая управляется через кэш-контроллер. Эта внутренняя кэш-память (кэш первого уровня) при совместной работе с внешней кэш-памятью (кэш второго уровня) значительно увеличивает быстродействие.

- Математический сопроцессор, выполняющий вычисления с плавающей точкой, интегрирован прямо в МП.

- Реализована конвейеризация вычислений, т.е. каждая последующая команда начинает выполняться сразу же после похождения первой ступени конвейера предыдущей командой.

Для выполнения любой команды программы МП должен выполнить определенную последовательность действий, каждое из которых начинается по сигналу (импульсу) тактового генератора.

У микропроцессоров МП 80386, 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и др. (80486SX, 80486DX), отличающиеся от базовой модели разрядностью шин, тактовой частотой, надежностью работы, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами:

* DX практически совпадает с базовой моделью;

* SX и SL имеют, в частности, меньшую разрядность шин;

* SL и особенно SLE - энергосберегающие, ориентированы на использование в портативных ПК (LapTop, NoteBook).

Микропроцессоры 80486 DX и все последующие модели могут работать с умножением внутренней частоты. Например, у МП 486DX2 внутренняя частота в 2 раза, а у МП 486DX4 в 3 раза выше тактовой. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, а внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой.

Процессор 80586 (Pentium)

Анонсирован корпорацией Intel в марте 1993 г., выпускался до конца 1997 г. МП Pentium работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В настоящее время существуют МП Pentium, работающие на частотах до 200 МГц.

Высокая производительность МП Pentium достигается усовершенствованием старых и применением новых технологий:

- увеличено до пяти количество ступеней конвейера; во-вторых, МП Pentium имеют уже два конвейера, т.е. могут обрабатываться параллельно две команды.

- новым средством МП Pentium является предсказание переходов. Переход – это изменение последовательности выполнения команд в соответствии с алгоритмом программы.

- в МП Pentium интегрировано 16 Кб кэш-памяти, разделенных на 8 Кб кэш-памяти команд и 8 Кб кэш-памяти данных. Благодаря подобному разделению исключается наложение команд и данных.

- МП оборудован сопроцессором, дающим 3-, 4-кратный выигрыш по скорости выполнения операций по сравнению с сопроцессором МП 486.

- Адресная шина МП Pentium 32-разрядная, в то время как шина данных является 64-разрядной.

Аналогами МП Pentium являются процессоры AMD K5 и Cyrix 6x86.

Процессор 80686 (Pentium Pro)

Первые рабочие образцы представлены в феврале 1995 г. обеспечивает более высокий уровень производительности за счет совершенствования старых и применения новых технологий:

- МП Pentium Pro имеет не пять, а четырнадцать ступеней при конвейерной обработке вычислений.

- Имеет не два, а три конвейера.

- Применяется более эффективный метод предсказания переходов, позволяющий повысить вероятность правильного прогноза до 90%.

- Одной из важнейших характеристик МП Pentium Pro является встроенная кэш-память второго уровня. Встроенная в МП и удаленная из материнской платы, эта кэш-память может теперь работать на частоте МП и не зависеть от более низкого быстродействия шины материнской платы.

Процессор Pentium MMX

Впервые анонсирован корпорацией Intel в январе 1997 г. Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных вычислений над целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие и др. программы, которые используют графику, звуки, трехмерное изображение, мультипликацию и т.п.

 

 

Наряду с поддержкой новых команд, в МП Pentium MMX, по сравнению с МП Pentium, внесено много схемотехнических и архитектурных решений, повышающих его производительность:

- Вдвое увеличен размер кэш-памяти первого уровня – 16 Кб для команд и 16 Кб для данных.

- Увеличена на один шаг длина конвейера, которая стала составлять 6 ступеней.

- Блок предсказания переходов заимствован у МП Pentium Pro.

- Имеется возможность исполнения двух команд ММХ одновременно.

- Улучшен механизм параллельной работы конвейеров.

- Процессор имеет встроенный тест.

Конкурирующие с корпорацией Intel компании AMD и Cyrix также выпустили ММХ-версии своих процессоров. Это Cyrix 6x86MX и AMD K6.

Процессор Pentium II

Процессор Pentium II представляет собой модификацию МП Pentium Pro с поддержкой ММХ. В отличие от МП Pentium Pro, в процессор Pentium II не интегрирована кэш-память второго уровня.

Конструктивно МП Pentium II, в отличие от всех других процессоров, располагается в специальном картридже, который устанавливается в разъем материнской платы. Этот разъем подобен слотам для установки модулей памяти. Увеличена тактовая частота процессора.

Общая архитектура Pentium - процессора представлена на рисунке 6.6.

Процессор Pentium III

Частота системной шины в зависимости от модели процессора может быть либо 100 МГц, либо 133 МГц. Последние версии процессоров рассчитаны только на 133 МГц шину. Процессор имеет два модуля ММХ. Конвейерный блок вычислений с плавающей точкой, 8 дополнительных регистров и 70 дополнительных инструкций SMID. Имеет возможность выполнения команд с изменением их последовательности.

Максимальный разгон – 200-250 МГц. Коэффициент Умножения, как правило, заблокирован, поэтому остается только разгон с использованием повышения

Процессор Pentium 4

Процессор использует 400 Мгц шину чипсет-процессор с пропускной способностью 3, 2 Гб/с., что в три раза больше чем у аналогичных систем на базе Pentium III. Кэш первого уровня – 12000 инструкций (8 Кб), кэш второго уровня – 256 Кб, работает на частоте процессора.

Дополнительные наборы команд и применяемые технологии: блок целочисленных операций процессора работает на удвоенной частоте ядра. Добавлены 144 новых SMID инструкций – набор SMID (всего 214 инструкций). Улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования.

Хороший процессор для высокопроизводительных профессиональных систем.

УстройствА памяти.

Оперативная память является неотъемлемым компонентом любого компьютера и вносит решающий вклад в его производительность. Причем, если совсем недавно чуть ли не единственной характеристикой памяти был ее объем, то сегодня не менее важными характеристиками являются также ее пропускная способность и время отклика (или латентность).

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов, в которых содержатся биты информации, объединенные в группы по 8 битов, которые называют байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединятся в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использование ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило, в одном машинном слове может быть предоставлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице 6. 2.

Таблица 6. 2. Разбиение памяти.

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО
СЛОВО	СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производительные единицы объема памяти: килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объему хранимой информации и стоимости хранения одинакового объема информации.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память - оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память случайного доступа RAM развивается уже довольно долгое время, и к настоящему моменту сформировались две основные ее разновидности – статистическая (Static RAM, или SRAM) и динамическая (Dynamic RAM, или DRAM). Их отличие заключается в способе хранения данных. Динамическая память требует постоянного обновления записанной информации с периодом порядка десятков миллисекунд. При этом она проста и дешева в производстве. Статическая память, наоборот, достаточно дорога за счет более сложного устройства ячеек. Поэтому SRAM не получила большого распространения в модулях оперативной памяти, зато активно применяется в процессорах в качестве кэша второго уровня. Подавляющее же большинство компьютеров оснащается динамической памяти.

В одной из первых разновидностей DRAM под названием EDO RAM применялся асинхронный режим доступа. Это выражалось в том, что процессор при считывании данных приостанавливал свою работу, что приводило к существенной потере производительности.

Но несколько лет назад появился новый тип динамической памяти – SDRAM (Synchronous DRAM), который быстро набрал популярность и остается самым массовым по настоящее время.

Память SDRAM представляет собой набор элементарных ячеек, в каждой из которых может быть записан 1 бит информации. Они объединяются в матрицы, по номерам строк и столбцов, относительно которых производится адресация.

Модули SDRAM (рис.6.9) имеют 64-разрядную шину данных и работают на частотах 100 и 133 МГц. Отсюда видно, что пропускная способность памяти SDRAM составляет 800 и 1067 Мб/с соответственно.

Рис. 6.9. Внешний вид модулей SDRAM.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ. Объем ОЗУ обычно составляет 64 – 512 Мбайт, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 128 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM – динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро заряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Современные микросхемы имеют емкость 1 –16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее распространенны модули типа SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с исходным расположением микросхем). Существуют SIMM с разъемами на различное число контактов.

Кэш -пАМЯТЬ

Кэш (английское слово cache - тайник), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма недоступное пользователю, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Оптимальный объем КЭШ зависит от объема оперативной памяти. Отсутствие КЭШ может существенно (на 20-30 %) снизить общую производительность компьютера.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контролер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как " попадания ", так и " промахи ". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8–16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

3.2. Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, английское обозначение ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “ зашивается ” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Микросхема постоянной или Flash-памяти является модуль

BIOS рис.6.10.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;
• загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны — важный модуль любой операционной системы (Software).

Разновидность постоянного ЗУ может быть и модуль CMOS RAM, см.рис.6.10.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Рис. 6.10. Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) является разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.