Центральний процесор (ЦП) - функціонально-яке закінчила програмно-керований пристрій виконане на одній або декількох НВІС, призначене для виконання арифметичної і логічної обробки інформації програмного управління роботою пристроїв. У сучасних персональних комп'ютерах різних фірм застосовуються процесори двох основних архітектур:
повна система команд змінної довжини - Complex Instruction Set Computer (CISC);
скорочений набір команд фіксованої довжини - Reduced Instruction Set Computer (RISC).
Процесор дозволяє виконувати програмний код, що знаходиться в пам'яті і керує роботою всіх пристроїв комп'ютера. Швидкість його роботи визначає швидкодію комп'ютера. Конструктивно, процесор - це кристал кремнію дуже маленьких розмірів. Процесор має спеціальні комірки, які називаються регістрами. Саме в цих регістрах містяться команди, які виконуються процесором, а також дані, якими оперують команди. Робота процесора полягає у виборі з пам'яті в певній послідовності команд та даних і їх виконанні. На цьому і базується виконання програм.
У ПК обов'язково має бути присутній центральний процесор (Central Rpocessing Unit - CPU), який виконує всі основні операції. Часто ПК оснащений додатковими сопроцессорами, орієнтованими на ефективне виконання специфічних функцій, такі як, математичний співпроцесор для обробки числових даних у форматі з плаваючою точкою, графічний співпроцесор для обробки графічних зображень, співпроцесор введення / виведення для виконання операції взаємодії з периферійними пристроями.
Основними параметрами процесорів є:
· Коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти,
· Розмір кеш пам'яті.
Тактова частота визначає кількість елементарних операцій (тактів), що виконуються процесором за одиницю часу. Тактова частота сучасних процесорів вимірюється в МГц (1 Гц відповідає виконанню однієї операції за одну секунду, 1 МГц = 10 6 Гц). Чим більше тактова частота, тим більше команд може виконати процесор, і тим більше його продуктивність. Перші процесори, які використовувалися в ПК працювали на частоті 4,77 МГц, а сьогодні робочі частоти найсучасніших процесорів досягли позначки в 2 ГГц (1 ГГц = 10 3 МГц).
Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю командної шини, тобто кількістю провідників у шині, по якій передаються команди. Сучасні процесори сімейства Intel є 32-розрядними.
Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Зараз робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити розміри процесорів, а також зменшити тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.
Коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти - це коефіцієнт, на який слід помножити тактову частоту материнської плати, для досягнення частоти процесора. Тактові сигнали процесор отримує від материнської плати, яка з чисто фізичних причин не може працювати на таких високих частотах, як процесор. Для отримання більш високих частот у процесорі відбувається внутрішнє множення на коефіцієнт 4, 4.5, 5 і більше.
Весь ряд процесорів фірми Intel. встановлюваних в персональні комп'ютери IBM. мають архітектуру CISC. а процесори Motorola. використовувані фірмою Apple для своїх персональних комп'ютерів, мають архітектуру RISC. Обидві архітектури мають свої переваги і недоліки. Так CISC-процесори мають великий набір команд (до 400), з яких програміст може вибрати команду, найбільш підходящу йому в даному випадку. Недоліком цієї архітектури є те, що великий набір команд ускладнює внутрішній устрій управління процесором, збільшує час виконання команди на микропрограммном рівні. Команди мають різну довжину і час виконання.
RISC-архітектура має обмежений набір команд і кожна команда виконується за один такт роботи процесора. Невелике число команд спрощує пристрій управління процесора. До недоліків RISC-архітектури можна віднести те, що якщо необхідної команди в наборі немає, програміст змушений реалізувати її за допомогою декількох команд з наявного набору, збільшуючи розмір програмного коду.
Спрощена схема процесора, що відображає основні особливості архітектури мікрорівня, наведена на рис. 5. Найбільш складним функціональним пристроєм процесора є пристрій керування виконанням команд. Воно містить:
· Буфер команд. який зберігає одну або кілька чергових команд програми; читає такі команди з пристрою, що запам'ятовує, поки виконується чергова команда, зменшуючи час її вибірки з пам'яті;
Мал. 5. Архітектура процесора
· Управління вибіркою черговий мікрокоманд є невеликим процесор, що працює за принципом фон Неймана, має свій лічильник мікрокоманд, який автоматично вибирає чергову мікрокоманду з ПЗУ мікрокоманд;
· Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) микрокоманд - це пристрій, що запам'ятовує, в яке інформація записується одноразово і потім може тільки зчитуватися; відмінною рисою ПЗУ є те, що записана в нього інформація зберігається як завгодно довго і не вимагає постійного напруги живлення.
Вибірка черговий мікрокоманд здійснюється через певний інтервал часу, який, в свою чергу, залежить від часу виконання попередньої мікрокоманд. Частота, з якою здійснюється вибірка мікрокоманд, називається тактовою частотою процесора. Тактова частота є важливою характеристикою процесора, так як визначає швидкість виконання процесором команд, і, в кінцевому підсумку, швидкодія процесора. Іншими словами тактова частота показує кількість елементарних операцій, виконуваних центральним процесором в секунду. Під елементарної операцією розуміється будь-яка найпростіша операція типу додавання, пересилання, порівняння і т. Д.
Арифметико-логічний пристрій (АЛП) призначено для виконання арифметичних і логічних операцій перетворення інформації. Функціонально АЛП складається з декількох спеціальних регістрів, полноразрядного суматора і схем місцевого управління.
Основними параметрами процесорів є: робоча напруга. розрядність. робоча тактова частота. коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти і розмір кеш-пам'яті.
Робоча напруга процесора забезпечує материнська плата, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати (їх треба вибирати спільно). Ранні моделі процесорів x86 мали робочу напругу 5 В. З переходом до процесорів Intel Pentium він знижений до 3,3 В, а в даний час складає менше 3 В. Зверху мікропроцесора завжди встановлюють вентилятор (кулер) для його охолодження під час роботи.
Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один раз (за одні такт) і визначається розрядністю цих регістрів. Перші процесори x86 були 16-розрядними. Починаючи з процесора 80386, вони мають 32-розрядну архітектуру. Сучасні процесори сімейства Intel Pentium залишаються 32 розрядними, хоча і працюють з 64 розрядної шиною даних.
Обмін даними всередині процесора відбувається в кілька разів швидше, ніж обмін з іншими пристроями, наприклад, з оперативною пам'яттю. Для того щоб зменшити кількість звернень до оперативної пам'яті, всередині процесора створюють буферну область - так звану кеш-пам'ять. Це як би «сверхоперативная пам'ять». Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається в кеш-пам'ять, і тільки якщо там потрібних даних немає, відбувається його звернення в оперативну пам'ять. Беручи блок даних з оперативної пам'яті, процесор заносить його одночасно і в кеш-пам'ять. Високопродуктивні процесори мають підвищений об'єм кеш-пам'яті.
Розглянемо апаратну архітектуру фізичної пам'яті і організацію управління нею на прикладі останніх поколінь процесорів Intel Pentium. Для управління пам'яттю в процесор включений спеціальний модуль управління пам'яттю, або, інакше, контролер пам'яті (Memory Controller). У цьому контексті схема обміну даними в комп'ютерній системі може бути представлена так, як показано на рис. 6. Дана схема відображає обмін даними в комп'ютерній системі, в якій використовується процесор Intel Pentium 4. Всі операції з обміну даними з пристроями з боку процесора виконує контролер пам'яті.
Процесор Intel Pentium 4 має два кеша даних, які називаються кешем 1-го рівня (L1 Cache) і кешем 2-го рівня (L2 Cache). Для серверних платформ розроблені модифікації процесора, що містять і кеш 3-го рівня, реалізується на окремих швидкодіючих мікросхемах із розташуванням на материнській платі і мають обсяг один і більше Мб. Відзначимо важливу обставину - процесори Intel Pentium 4 мають також і кеш команд 1-го рівня (він називається Trace Cache), специфіка роботи якого відрізняється від особливостей роботи кешей даних.
Кеш 1-го рівня має дуже маленький розмір (8 Кбайт), але має дуже високою швидкістю вибірки даних, поступаючись тільки процесору. Конструктивно розташовується на одному кристалі з процесором. Кеш 2-го рівня називають іноді універсальним кешем, оскільки в ньому можуть перебувати як дані, так і команди. Кеш 2-го рівня має розмір 256 Кбайт і працює в 3 рази повільніше, ніж кеш 1-го рівня. Розміщується на окремому кристалі, але в межах процесора.
При обміні даними з оперативною пам'яттю ключову для ефективної роботи програми роль грає кеш 1-го рівня, оскільки практично всі дані ефектів у програмному забезпеченні проходять через нього і через буфери запису (write buffers).