Процесор

Процесор – основна мікросхема комп'ютера, в якій і проводяться всі обчислення|підрахунки|.

Конструктивно процесор складається з осередків, схожих на елементи оперативної пам'яті, але в цих осередках дані можуть не тільки зберігатися, але і змінюватися. Внутрішні осередки процесора називають регістрами. Важливо також відзначити, що дані, що потрапили в деякі регістри, розглядаються не як дані, а як команди, керівники обробкою даних в інших регістрах. Серед регістрів процесора є і такі, які залежно від свого змісту здатні модифікувати виконання команд. Таким чином, управляючи засиланням даних в різні регістри процесора, можна управляти обробкою даних. На цьому і засновано виконання програм.

З рештою пристроїв комп'ютера, і насамперед з оперативною пам'яттю, процесор зв'язаний декількома групами провідників, званих шинами. Основних шин три: шина даних, адресна шина і командна шина.

Адресна шина. У процесорів Intel Pentium адресна шина 32-розрядна, тобто складається з 32 паралельних ліній. Залежно від того, є напруга на якійсь з ліній чи ні, говорять, що на цій лінії виставлена одиниця або нуль. Комбінація з 32 нулів і одиниць утворює 32-розрядну адресу, вказуючу на один з елементів оперативної пам'яті. До неї і підключається процесор для копіювання даних з осередку в один зі своїх регістрів.

Шина даних. По цій шині відбувається копіювання даних з оперативної пам'яті в регістри процесора і назад. У комп'ютерах, зібраних на базі процесорів Intel Pentium, шина даних 64-розрядна, тобто складається з 64 ліній, по яких за один раз на обробку поступають відразу 8 байтів.

Шина команд. Для того, щоб процесор міг обробляти дані, йому потрібні команди. Він повинен знати, що слід зробити з тими байтами, які зберігаються в його регістрах. Ці команди поступають в процесор теж з оперативної пам'яті, але не з тих областей, де зберігаються масиви даних, а звідти, де зберігаються програми. Команди теж представлені у вигляді байтів. Найпростіші команди укладаються в один байт, проте є і такі, для яких потрібно два, три і більш за байти. У більшості сучасних процесорів шина команд 32-розрядна (наприклад, в процесорі Intel Pentium), хоча існують 64-розрядні шини і навіть 128-розрядні.

Система команд процесора. В процесі роботи процесор обслуговує дані, що знаходяться в його регістрах, в поле оперативної пам'яті, а також дані, що знаходяться в зовнішніх портах процесора. Частину даних він інтерпретує безпосередньо як дані, частина даних – як адресні дані, а частина — як команди. Сукупність всіх можливих команд, які може виконати процесор над даними, утворює так звану систему команд процесора. Процесори, що відносяться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. Процесори, що відносяться до різних сімейств, розрізняються за системою команд і не взаємозамінні.

Процесори з розширеною і скороченою системою команд. Чим ширше набір системних команд процесора, тим складніше його архітектура, тим довше формальний запис команди (у байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, зміряна в тактах роботи процесора. Так, наприклад, система команд процесорів Intel Pentium в даний час налічує більше тисячі різних команд. Такі процесори називають процесорами з розширеною системою команд — CISC-процесорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В протилежність CISC-процесорам в середині 80-х років з'явилися процесори архітектури RISC з скороченою системою команд (RISC – Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд в системі набагато менша, і кожна з них виконується набагато швидше. Таким чином, програми, що складаються з простих команд, виконуються цими процесорами багато швидше. Оборотна сторона скороченого набору команд полягає в тому, що складні операції доводиться емулювати далеко не ефективною послідовністю простих команд скороченого набору.

В результаті|унаслідок| конкуренції між двома підходами до архітектури процесорів склався наступний|слідуючий| розподіл їх сфер застосування|вживання|:

CISC-процессори використовують в універсальних обчислювальних системах;

RISC-процессори використовують в спеціалізованих обчислювальних системах або пристроях, орієнтованих на виконання одноманітних операцій.

Для персональних комп'ютерів платформи IBM РС довгий час випускалися тільки CISC-процесори, до яких відносяться і всі процесори сімейства Intel Pentium. Проте останнім часом компанія AMD приступила до випуску процесорів, в основі яких лежить внутрішнє ядро, виконане по RISC -архитектуре, і зовнішня структура, виконана по архітектурі CISC. Таким чином, сьогодні з'явилися процесори, сумісні за системою команд з процесорами х86, але що мають гібридну архітектуру.

Сумісність процесорів. Якщо два процесори мають однакову систему команд, то вони повністю сумісні на програмному рівні. Це означає, що програма, написана для одного процесора, може виконуватися і іншим процесором. Процесори, що мають різні системи команд, як правило, несумісні або обмежено сумісні на програмному рівні.

Принцип сумісності зверху «вниз» — це приклад|зразок| неповної сумісності, коли кожен новий процесор «розуміє» всі команди своїх попередників, але|та| не навпаки. Це природно, оскільки двадцять років тому розробники процесорів| не могли передбачити систему команд, потрібну для сучасних програм. Завдяки такій сумісності на сучасному комп'ютері можна виконувати будь-які програми, створені в останні десятиліття для будь-якого з попередніх комп'ютерів, що належить тій же апаратній платформі.

Основні параметри процесорів. Основними параметрами процесорів є: робоча напруга, розрядність, робоча тактова частота, коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти і розмір кеш-пам'яті.

Робочу напругу процесора забезпечує материнська плата, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати (їх треба вибирати спільно). У міру розвитку процесорної техніки відбувається поступове пониження робочої напруги. Ранні моделі процесорів х86 мали робочу напругу 5 Ст. З переходом до процесорів Intel Pentium воно було знижене до 3, 3 В, а в даний час воно складає менше 3 В. Причому ядро процесора харчується зниженою напругою 2, 2 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити відстані між структурними елементами в кристалі процесора до десятитисячних доль міліметра, не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується і тепловиділення в процесорі, а це дозволяє збільшувати його продуктивність без загрози перегріву.

Розрядність процесора показує, скільки битий даних він може прийняти і обробити в своїх регістрах за один раз (за один такт). Перші процесори х86 були 16-розрядними. Починаючи з процесора 80386 вони мають 32-розрядну архітектуру. Сучасні процесори сімейства Intel Pentium є 32- і 64-розрядними, хоча перші з них і працюють з 64-розрядною шиною даних (розрядність процесора визначається не розрядністю шини даних, а розрядністю командної шини).

У основі роботи процесора лежить той же тактовий принцип, що і в звичайному|звичному| годиннику. Виконання кожної команди займає|позичає| певна кількість тактів. У електронному годиннику для цього є коливальний контур, задаючий такти строго|суворий| певної частоти. У персональному комп’ютері| тактові імпульси задає одна з мікросхем, що входить в мікропроцесор­ний| комплект (чіпсет), розташований|схильний| на материнській платі. Чим вище частота тактів, що поступають|надходять| на процесор, тим більше команд він може виконати в оди­ницю| часу, тим вище його продуктивність. Перші процесори х86| могли працювати з|із| частотою не вище 4, 77 Мгц, а сьогодні робочі частоти про­цесорів| вже перевершують 3000 мільйонів тактів в секунду (3 Ггц).

Тактові сигнали процесор отримує від материнської плати, яка, на відміну від процесора, є не кристал кремнію, а великий набір провідників і мікросхем. По чисто фізичних причинах материнська плата не може працювати з такими високими частотами, як процесор. До недавнього часу її межа складала 100-133 Мгц. Для отримання вищих частот в процесорі відбувається внутрішнє множення частоти на коефіцієнт 3; 3, 5; 4; 4, 5; 5 і більш.

Обмін даними усередині процесора відбувається у декілька разів швидше, ніж обмін з іншими пристроями, наприклад з оперативною пам'яттю. Для того, щоб зменшити кількість звернень до оперативної пам'яті, усередині процесора створюють буферну область – так звану кеш-пам'ять. Це як би «надоперативна пам'ять». Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається в кеш-пам'ять, і лише якщо там потрібних даних немає, відбувається його звернення в оперативну пам'ять. Приймаючи блок даних з оперативної пам'яті, процесор заносить його одночасно і в кеш-пам'ять. «Вдалі» звернення в кеш-пам'ять називають попаданнями в кеш. Відсоток попадань тим вище, чим більше розмір кеш-пам'яті, тому високопродуктивні процесори комплектують підвищеним об'ємом кеш-пам'яті. Кеш-пам'ять ділиться на дві частини – Data RAM і Tag RAM. У першій розташовуються дані, а в другій міститься інформація про знаходження цих даних в кеш-пам'яті.

Нерідко|незрідка| кеш-пам'ять розподіляють по декількох рівнях. Кеш першого рівня виконується в тому ж кристалі, що і сам процесор, і має об'єм|обсяг| близько десятків Кбайт. Кеш другого рівня знаходиться|перебуває| або в кристалі процесора, або в тому ж вузлі, що і процесор, хоча і виконується на окремому кристалі. Кеш-пам'ять першого і другого рівня працює на частоті, узгодженій|погодженій| з|із| частотою ядра процесора.

Кеш-пам'ять третього рівня виконують на швидкодіючих мікросхемах типу SRAM і розміщують на материнській платі поблизу процесора. Її об'єми можуть досягати декількох Мбайт, але працює вона на частоті материнської плати.

Мікросхема ПЗП і система BIOS|

У момент включення|приєднання| комп'ютера в його оперативній пам'яті немає нічого – ні даних|, ні програм, оскільки оперативна пам'ять не може нічого зберігати без заряджання осередків|чарунок| більш сотих доль секунди, але|та| процесору потрібні команди, у тому числі і в перший момент після|потім| включення|приєднання|. Тому відразу після|потім| включення|приєднання| на адресній шині процесора виставляється старто­ва| адреса. Це відбувається|походить| апаратний, без участі програм (завжди однаково). Процесор звертається|обертається| за виставленою адресою за своєю першою командою і далі починає|розпочинає| працювати по програмах.

Ця початкова адреса не може указувати на оперативну пам'ять, в якій поки нічого не немає. Він указує на інший тип пам'яті – постійний пристрій, що запам'ятовує (ПЗП). Мікросхема ПЗП здатна тривалий час зберігати інформацію, навіть коли комп'ютер вимкнений. Програми, що знаходяться в ПЗП, називають «зашитими» – їх записують туди на етапі виготовлення мікросхеми.

Комплект програм, що знаходяться в ПЗП, утворює базову систему введення-виводу (BIOS — Basic Input Output System). Основне призначення програм цього пакету полягає в тому, щоб перевірити склад і працездатність комп'ютерної системи і забезпечити взаємодію з клавіатурою, монітором, жорстким диском і дисководом гнучких дисків. Програми, що входять в BIOS, дозволяють нам спостерігати на екрані діагностичні повідомлення, супроводжуючі запуск комп'ютера, а також втручатися в хід запуску за допомогою клавіатури.

Незалежна пам'ять CMOS|

Робота таких стандартних пристроїв, як клавіатура, може обслуговуватися програмами, що входять в BIOS, але такими засобами не можна забезпечити роботу зі всіма можливими пристроями. Так, наприклад, розробники BIOS абсолютно нічого не знають про параметри жорстких і гнучких дисків ЕОМ, їм не відомі ні склад, ні властивості обчислювальної системи. Для того, щоб почати роботу з іншим устаткуванням, програми, що входять до складу BIOS, повинні знати, де можна знайти потрібні параметри. По очевидних причинах їх не можна зберігати ні в оперативній пам'яті, ні в постійному пристрої, що запам'ятовує.

Спеціально для цього на материнській платі є мікросхема «незалежної пам'яті», за технологією виготовлення звана CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) або КМОП. У цій мікросхемі знаходиться годинник реального часу (Real-Time Clock – RTC), а також як мінімум 64 байт (включаючи дані годинника) незалежного ОЗУ (Non-Volatile RAM – NVRAM). Ця мікросхема офіційно називається мікросхемою RTC/NVRAM, але зазвичай її іменують мікросхемою CMOS, або CMOS-память. Такі мікросхеми споживають живлення від батареї і можуть зберігати інформацію декілька років.

Від оперативної пам'яті вона відрізняється тим, що її вміст не стирається під час виключення комп'ютера, а від ПЗП вона відрізняється тим, що дані в неї можна заносити і змінювати| самостійно, відповідно до того, яке устаткування|обладнання| входить до складу системи. Ця мікросхема постійно живиться| від невеликої батареї, розташованої| на материнській платі. Заряду цієї батареї вистачає на те, щоб|аби| мікро­схема| не втрачала|розгублювала| дані, навіть якщо комп'ютер не включатимуть декілька років.

У мікросхемі CMOS зберігаються дані про гнучкі і жорсткі диски, про процесор, про деяких інших пристроях материнської плати. Той факт, що комп'ютер чітко відстежує час і календар (навіть і у вимкненому стані), теж пов'язаний з тим, що показання системних годинників постійно зберігаються (і змінюються) в CMOS.

Таким чином, програми, записані в BIOS, прочитують дані про склад устаткування комп'ютера з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть виконати звернення до жорсткого диска, а у разі потреби і до гнучкого, і передати управління програмам, які там записані.