Устройство центрального процессора

Любой ЦП независимо от его предназначения располагает рядом функциональных устройств (ФУ): блоками целочисленных вычислений (Integer Execution Unit, E-box, арифметико-логическое устройство), обработки адресов (Address Translation Unit, A-box), контроллером системной шины (System Bus Controller, B-box), декодером команд (Instruction Decoding Unit, I-box). Для проведения вычислений и хранения промежуточных результатов используется так называемый файл регистров (их может быть несколько), состоящий из фиксированного количества записей определенной длины (регистров). Практически во всех современных ЦП реализованы и средства предсказания направления условных переходов. С начала 1990-х гг. общепринятой стала практика внедрения в ядро ЦП блока вещественных вычислений (Floating-Point Unit, F-box). Если дизайн определенной аппаратной платформы предполагал использование кэш-памяти с прямым доступом, то в ЦП вводился блок взаимодействия с кэш-памятью (Cache Memory Interface Unit, C-box). В современных ЦП нередко также реализованы контроллеры памяти, периферийных шин и т. Д

Центральный процессор. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) - «командный пункт». В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ - на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, - на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Центральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Большинство компьютерных программ содержит два вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов.

Компоненты типичного ЦП показаны на рисунке. Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров: один для использования ЦП, другой - для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовем счетчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдает управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше

ЦП типичного компьютера состоит из большого числа логических вентилей и триггеров. УУ использует много вентилей, чтобы выбрать способ обработки, которая должна быть выполнена в АЛУ, а также направить полученные результаты другим частям компьютера. Регистры, о которых мы рассказывали выше, представляют собой большей частью матрицы из триггеров. Наметился ряд тенденций в конструкции и производстве ЦП. В больших компьютерах и многих миникомпьютерах ЦП состоит из набора чипов, каждый из которых выполняет специальную функцию. В этих машинах каждый из основных блоков ЦП - АЛУ, УУ, микрокоманды для УУ - может находиться на одном или нескольких чипах. (Микрокоманды, по существу, сообщают УУ, какие проводники и вентили нужно соединить, чтобы выполнить команду.) Эти ЦП слишком сложны, чтобы их можно было уместить на одном чипе. Такой подход также позволяет вносить изменения в схему компьютера путем замены одного или двух чипов, а не всего ЦП.

В некоторых компьютерах выполняемая задача разделяется между несколькими ЦП. Этот метод известен как параллельная обработка. Некоторые ЦП работают непосредственно в терминах языка программирования (см. ниже), а не обычной архитектуры. Ожидается увеличение разнообразия конструкций и возможностей ЦП. Вероятен также отход от традиционной архитектуры по мере роста объема и скоростей обработки.

Возможно, самый большой скачок в конструировании ЦП был сделан с появлением в 1971 микропроцессора 4044 фирмы «Интел». Этот 4-разрядный микропроцессор представлял собой сравнительно медленный чип с ограниченным набором команд, но он и его наследники сделали возможным создание карманных калькуляторов и цифровых часов и привели к разработке микрокомпьютера. В 1974 появились 8-разрядные микропроцессоры, обрабатывающие по 8 бит информации одновременно.

Как упоминалось раньше, микропроцессор (или другой ЦП) принимает информацию в виде «слов». Например, память компьютера по командам УУ подает в сумматор сразу 8 бит. Затем УУ добавляет, например, число 00101101 к битам в сумматоре (снова сразу все). Теперь в сумматоре находится новый набор из 8 бит. Далее УУ передает эти 8 бит в память, все сразу. На каждом из этих шагов 8 бит обрабатываются или перемещаются одновременно, но индивидуальные действия - их ввод, сложение, копирование результата - выполняются последовательно. В принципе, чем больший размер слова доступен для обработки ЦП, тем больше информации он может «проглотить» сразу и тем быстрее он выполняет свои задачи.

Восьмиразрядные микропроцессоры дали жизнь микрокомпьютерам, сложным компьютерным терминалам и ряду «интеллектуальных» устройств; прогресс в вычислительной технике продолжается. В 1990-х годах имелись сотни миллионов 8- и 16-разрядных микропроцессоров, а в большинстве новых персональных компьютеров и рабочих станций использовались 32-разрядные микропроцессоры, выполняющие миллионы операций в секунду. В 1999 фирмой «Интел» выпущен высокопроизводительный микропроцессор «Пентиум III» с тактовой частотой 500 МГц, интегрированной кэш-памятью до 2 Мб и повышенными возможностями в таких сферах, как распознавание речи и трехмерная графика.

Типы многопроцессорных систем различаются прежде всего подходом к организации системной шины, связывающей, как и в однопроцессорных системах, ЦП и НМС. В настоящее время наиболее распространены три варианта архитектуры многопроцессорных систем:

общая шина (shared bus);

звездообразная топология (star topology), или топология «точка--точка» (point-to-point topology);

коммутируемая топология (switch-based topology). Наиболее простая -- топология общей шины.

Как следует из названия, все ЦП в системе подключаются последовательно к общей системной шине и соответственно вынуждены делить между собой ее полосу пропускания. Этим определяются как преимущества, так и недостатки этой архитектуры. Одновременно с экономией на количестве проводников и общей стоимости разработки возникает проблема пропускной способности системной шины, который столь существенен, что при большом количестве ЦП (начиная с восьми) такая топология просто неприменима, так как задержки при обращении к памяти слишком велики из-за очереди на обращение к шине. Компенсацией недостаточной пропускной способности системной шины может служить добавление значительных локальных объемов кэш-памяти к каждому ЦП. Общая шина наиболее оправданна в системах с двумя процессорами. В четырехпроцессорных системах объемы кэш-памяти каждого ЦП приходится увеличивать в 2-4 раза, что приводит к существенному росту стоимости конечной системы.

В звездообразной топологии каждый ЦП располагает выделенной системной шиной, а поэтому отсутствует необходимость в разделении доступа. Системные шины всех ЦП подключаются непосредственно к набору микросхем. Хотя такая архитектура и позволяет минимизировать зависимость производительности ЦП от пропускной способности системной шины, но налагает очень высокие требования на НМС и системную плату в целом, усложняя их проектирование и увеличивая стоимость производства. Тем не менее и этот подход не позволяет подключить большое количество ЦП -- звездообразная топология применяется, как правило, в системах с двумя или четырьмя процессорами.