Центральный процессор

Центральный процессор предназначен для пошагового выполнения хранящейся в памяти компьютера программы. Программа, выполняемая центральным процессорам, состоит из записанных в двоичном виде машинных команд. Совокупность всех машинных команд, которые могут быть “поняты” и выполнены процессором, называется системой команд процессора. Систему команд процессора можно также назвать его языком машинных команд. Машинные команды обычно соответствуют элементарным операциям, например, поместить данные в заданную ячейку оперативной памяти, считать данные из ячейки, выполнить арифметическую или логическую операцию над данными, дать сигнал некоторому устройству к обмену данными с оперативной памятью. Система команд процессора является важной частью архитектуры компьютера. Если системы команд двух процессоров различны, то машинная программа, предназначенная для одного процессора, не сможет быть выполнена другим, исключение составляет тот случай, когда одна система команд является подмножеством другой.

Пример: Процессоры AMD Athlon и IntelPentium 4 имеют совместимые системы команд, и поэтому программы на машинном языке для компьютера с одним из этих процессоров будут выполняться и на компьютере с другим процессором. Процессоры Power PC, используемые в компьютерах Macintosh и процессоры IntelPentium 4 имеют несовместимые системы команд, следовательно, программа на машинном языке для Macintosh не сможет быть выполнена на компьютере с IntelPentium и наоборот.

Цикл работы центрального процессора состоит из следующих шагов:

· чтение очередной команды из оперативной памяти;

· анализ считанной команды (определение типа команды, адресов для чтения данных и записи результата);

· чтение данных из оперативной памяти, необходимых для выполнения команды;

· выполнение команды;

· запись результатов в оперативную память;

· вычисление адреса очередной команды.

В современных компьютерах центральный процессор обычно представляет собой кристалл сложной структуры, содержащий десятки миллионов взаимодействующих простейших функциональных элементов.

Значительная часть машинных команд представляет собой арифметические и логические операции. Для их выполнения в процессоре предусмотрено арифметико-логическое устройство – вычислительная подсистема процессора.

Для временного хранения данных в процессоре имеется своя сверхбыстрая внутренняя память, состоящая из ячеек, называемых регистрами. Поскольку регистры расположены внутри кристалла процессора, скорость доступа к ним намного больше, чем к ячейкам оперативной памяти компьютера. Регистров в процессорах обычно немного, от нескольких штук до нескольких десятков, в зависимости от конструкции процессора. Информационный объем регистра подбирается так, чтобы в нем целиком помещалось двоичное компьютерное представление целого или вещественного числа. Размер регистра современного процессора: 32, 64 или 128 бит. Сравнительно небольшое количество регистров в процессоре объясняется высокой стоимостью размещения в кристалле дополнительных функциональных элементов.

Работой центрального процессора управляет специальное устройство, которое так и называется – устройство управления. В его функции входит организация обмена данными процессора с оперативной памятью, координация работы всех логических компонент процессора при выполнении команды, определение адреса следующей выполняемой команды.

Современные процессоры оснащены так называемой буферной или кэш-памятью. В кэш-память центрального процессора копируются фрагменты оперативной памяти, содержащие наиболее часто используемые команды и данные. Это позволяет минимизировать обмен информацией процессора с оперативной памятью и, в результате, повысить быстродействие компьютера. Кэш-память является более быстрой, чем оперативная, но ее объем обычно не превосходит нескольких мегабайт. Во многих процессорах реализованы алгоритмы, пытающиеся предсказать, какие данные в ближайшем будущем могут понадобиться процессору, и следовательно должны быть заранее перенесены из оперативной в буферную память.

Продолжительность операций, выполняемых центральным процессором, измеряется в тактах. Одному такту соответствует время выполнения элементарной операции обработки данных. Число выполняемых за секунду тактов называется тактовой частотой процессора. Чем выше тактовая частота, тем больше операций за единицу времени выполняет процессор, тем больше его быстродействие. Тактовая частота современных процессоров достигает нескольких гигагерц (ГГц). Один гигагерц соответствует миллиарду тактов в секунду.

Производительность процессора определяется тактовой частотой, количеством регистров, объемом кэш-памяти, быстродействием арифметико-логического устройства, эффективностью алгоритмов устройства управления и другими особенностями архитектуры процессора. Все эти факторы следует учитывать при сравнении быстродействия процессоров различной конструкции. Говорить о том, что один процессор быстрее другого, поскольку у него больше тактовая частота, можно лишь в том случае, если этот процессор не уступает по остальным показателям.

Пример. Пусть тактовая частота первого процессора 1 ГГц, второго – 2 ГГц, а выполнение арифметических операций, в силу особенностей конструкции процессоров, требует в четыре раза больше тактов второго процессора, чем первого. В этом случае вычислительная программа выполнится быстрее на компьютере с первым процессором.