Как устроен процессор...

Процессоры (микропроцессоры)

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

До появления первого PC

Обратите внимание, что первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC. Он был разработан компанией Intel, назван Intel 4004, а его выпуск состоялся 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц!). Этот процессор содержал 2 300 транзисторов и производился по 10-микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда и позволяла адресовать 640 байт памяти. Процессор 4004 использовался в схемах управления светофоров, анализаторах крови и даже на межпланетной научно-исследовательской станции NASA Pioneer 10!

15 ноября 2001 года исполнилось 30 лет со дня появления первого микропроцессора. За эти годы быстродействие процессора увеличилось более чем в 18 500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц).

Параметры процессоров

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие.

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора — довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Разрядность процессора — параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

• шина ввода и вывода данных;

• внутренние регистры;

• шина адреса памяти.

Шина данных

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В).

Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая Pentium 4, Athlon и даже Itanium, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бит данных.

Для ясности...

Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения.

Разрядность шины данных процессора определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium, включая, Celeron, Pentium 4, Athlon, считывают из памяти или записывают в память 64 бит одновременно. Разрядность модулей памяти DIMM равна 64, поэтому в системах класса Pentium устанавливают по одному модулю, что облегчает процесс конфигурирования системы, так как эти модули можно устанавливать или удалять по одному. Каждый модуль DIMM имеет такую же производительность, как и целый банк памяти в системах Pentium.

Шина адреса

Шина адреса представляет собой набор проводников; по ним передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

Для ясности...

Представьте себе следующее. Если шина данных сравнивалась с автострадой, а ее разрядность — с количеством полос движения, то шину адреса можно ассоциировать с нумерацией домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере дома. Например, если на какой-то гипотетической улице номера домов не могут состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на ней не может быть больше ста (от 00 до 99), т. е. 102. При трехзначных номерах количество возможных адресов возрастает до 103 (от 000 до 999) и т. д.

В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому при двухразрядной адресации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00, 01, 10 и 11), т. е. 22, при трехразрядной — восемь (от 000 до 111), т. е. 23.

Например, в процессорах 8086 и 8088 используется 20-разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать 220 (1048 576) байт, или 1 Мбайт, памяти. Объемы памяти, адресуемой процессорами Intel, приведены в табл.

Шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядность по своему усмотрению, но, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией, а разрядность шины адреса — объем памяти, с которым он может работать.

Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. Регистр — это, по существу, ячейка памяти внутри процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух различных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных, а также характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых чипом.

Для ясности...

Чтобы понять, как работает микропроцессор, давайте рассмотрим шаг за шагом, как микросхема выполнит несложную задачу сложения двух чисел. Решается она в четыре простых действия, причем за каждым шагом можно проследить столько раз, сколько захотите. Помните о том, что каждый компонент процессора решает свою конкретную задачу.

Нажатие клавиши с цифрой "2" приводит микропроцессор в состояние готовности и подает блоку предварительной выборки сигнал на запрос в системной памяти компьютера инструкции в отношении вновь поступивших данных, поскольку командная кэш-память такой инструкции не содержит.

.

Новая инструкция по работе с данными поступает из системной памяти компьютера через блок шины в микропроцессор и записывается в командную кэш-память, где ей присваивается код "2=X".

Вслед за этим блок предварительной выборки запрашивает из кэш-памяти копию кода "2=X", которую направляет для дальнейшей обработки в блок декодировки.

.

Блок декодировки раскодирует инструкцию "2=X", преобразуя ее в цепочку двоичных символов, которая пересылается в управляющий блок и в кэш данных, давая им указание о том, как с полученной инструкцией поступать дальше.

Поскольку блоком декодировки принято решение о сохранении цифры 2 в кэш данных, управляющий блок выполняет соответствующую инструкцию для кода "2=X": цифре 2 в кэш-памяти данных присваивается адрес "Х", здесь она и будет находиться в ожидании дальнейших указаний

Нажав клавишу с цифрой "3", Вы дадите блоку предварительной выборки команду на запрос в системной памяти компьютера и в командной кэш-памяти инструкций о действиях в отношении вновь поступивших данных. Поскольку командная кэш-память таких инструкций не содержит, они поступят из системной памяти.

.

Аналогично команде "2=X," новые инструкции по данным поступают из системной памяти компьютера в микропроцессор и записываются в командную кэш-память, где получают код адресации "3=Y".

После этого копия кода "3=Y" поступает из командной кэш-памяти в блок предварительной выборки, откуда переправляется в декодирующий блок для дальнейшей обработки.

.

Декодирующий блок раскодирует инструкцию "3=Y", преобразуя ее в цепочку двоичных символов, которую направляет в управляющий блок и в кэш-память данных, давая им указание о том, как с данной инструкцией поступать дальше.

Поскольку декодирующий блок принимает решение о сохранении цифры 3 в кэш-памяти данных, то он выполняет соответствующую инструкцию для кода "3=Y": цифре 3 присваивается в кэш-памяти данных адрес "Y", где она, аналогично цифре 2, и будет находиться в ожидании дальнейших указаний.

Нажатие клавиши со значком "+" заставляет блок предварительной выборки запросить из главной памяти компьютера и командной кэш-памяти инструкции в отношении вновь поступивших данных. Как и в предыдущих случаях, эти инструкции должны быть получены из системной памяти.

.

Поскольку речь идет о не использовавшейся ранее инструкции, "плюс" поступает в микропроцессор из системной памяти компьютера и записывается в командную кэш-память с присвоением адресного кода "X+Y=Z", обозначающего операцию сложения.

Вслед за этим блок предварительной выборки запрашивает из командной кэш-памяти копию кода "X+Y=Z" и пересылает ее блоку декодировки для дальнейшей обработки.

Блок декодировки раскодирует инструкцию "X+Y=Z", преобразуя ее в цепочку двоичных символов, которую направляет в управляющий блок и в кэш-память данных, давая им указание о том, как с данной инструкцией поступать дальше. Одновременно арифметическое логическое устройство (ALU) получает указание на выполнение операции СЛОЖЕНИЯ.

.

Управляющий блок расчленяет код, а арифметическое логическое устройство (ALU) выполняет по команде операцию СЛОЖЕНИЯ чисел, закодированных как "X" и "Y" и извлеченных из кэш-памяти данных. После этого ALU, "посовещавшись" со своими "партнерами" — регистрами, пересылает им полученное число 5 для записи по одному из адресов.

.

После нажатия клавиши со значком "=" блок предварительной выборки в очередной раз проверяет командную кэш-память на предмет наличия инструкций, относящихся к вновь поступившим данным. Как и прежде, такие инструкции там отсутствуют.

.

Инструкция для значка "=" поступает в микропроцессор из системной памяти компьютера через блок шины и записывается в командную кэш-память, получив код адресации "Print Z" ("отобразить на экране символ Z").

Вслед за этим блок предварительной выборки запрашивает из командной кэш-памяти копию кода "Print Z", которую пересылает декодирующему блоку для дальнейшей обработки.

.

Декодирующий блок раскодирует инструкцию "Print Z", преобразуя ее в цепочку двоичных символов, которая затем пересылается управляющему блоку с указанием на то, как с полученной инструкцией поступать дальше.

Теперь, когда значение величины, представленной кодом Z, уже вычисленно и записано в позиции № 5 блока регистров, для завершения операции сложения 2+3 остается выполнить команду вывода содержания регистра 5 на экран дисплея. На этом работа микропроцессора заканчивается.

.

Во всех современных процессорах внутренние регистры являются 64-разрядными (но часто еще встречаются 32-разрядные). В некоторых процессорах разрядность внутренней шины данных (а шина состоит из линий передачи данных и регистров!) больше, чем разрядность внешней. Так, например, в процессорах 8088 и 386SX разрядность внутренней шины только вдвое больше разрядности внешней шины. Такие процессоры (их часто называют половинчатыми или гибридными) обычно являются более дешевыми вариантами исходных.

Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания.

В процессорах Pentium шина данных 64-разрядная, а регистры 32-разрядные. Такое построение на первый взгляд кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации служат два 32-разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом подобен двум 32-разрядным процессорам, объединенным в одном корпусе, а 64-разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной.

Современные процессоры, имеют от шести внутренних конвейеров для выполняющихся команд. Хотя некоторые из указанных внутренних конвейеров специализированы (т. е. предназначены для выполнения специальных функций), эти процессоры могут все же выполнять три команды за один цикл. В последних версиях процессоров используются 10-ступенчатые параллельные конвейеры, которые позволяют выполнять до 20 операций в течение одного такта.

Режимы процессора

Все 32-разрядные и более поздние процессоры Intel, начиная с 386-го, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных режимах возможности чипа неодинаковы, потому что команды выполняются по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами.

Процессоры могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном реальном режиме (реальном внутри защищенного).

Реальный режим

В первоначальном IBM PC использовался процессор 8088, который мог выполнять 16-разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, и адресовать только 1 Мбайт памяти, используя 20 разрядов для адреса. Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора; оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт. Например, DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до 3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на 16-разрядные команды. Эти 16-разрядные операционные системы и приложения были разработаны для выполнения на первоначальном процессоре.

Более поздние процессоры, например 286, могли также выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный 8088, но намного быстрее. Другими словами, процессор 286 был полностью совместим с первоначальным 8088 и мог выполнять все 16-разрядные программы точно так же, как 8088, но, конечно же, значительно быстрее. Шестнадцатиразрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и 286, был назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды, 20-разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт.

Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, т. е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционной системы другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или останову).

Защищенный режим

Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для PC, был 386-й. Этот чип мог выполнять абсолютно новую 32-разрядную систему команд. Чтобы полностью использовать преимущество 32-разрядной системы команд, были необходимы 32-разрядная операционная система и 32-разрядные приложения. Этот новый режим назывался защищенным, так как выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи своих областей памяти другими программами. Такая защита делает систему более надежной, поскольку ни одна программа с ошибками уже не сможет так легко повредить другие программы или операционную систему. Кроме того, программу, "потерпевшую крах", можно довольно просто завершить без ущерба для всей системы.

Процессор Pentuum 64/Athlon64, появившийся не так давно, сталb первенцем мира 64-разрядных возможностей. Этоти процессоры также совместим со всем существующим 32-разрядным программным обеспечением. Но для того, чтобы воспользоваться свойствами процессора в полном объеме, потребуются полноценные 64-разрядные операционные системы и приложения. Microsoft уже выпустила 64-разрядные версии операционной системы Windows XP, в то время как различными компаниями создаются 64-разрядные приложения для серверов и рабочих станций.

Виртуальный реальный режим

Для обратной совместимости 32-разрядная система Windows 9x использует третий режим в процессоре — виртуальный реальный режим. Виртуальный реальный, по существу, является режимом выполнения 16-разрядной среды (реальный режим), которое реализовано внутри 32-разрядного защищенного режима (т. е. виртуально, а не реально). Выполняя команды в окне подсказки DOS внутри Windows 95/98, вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реального режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение работает на виртуальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во время работы других 32-разрядных программ.

Обратите внимание, что любая программа, выполняющаяся в виртуальном окне реального режима, может обращаться только к памяти объемом до 1 Мбайт, причем для каждой такой программы это будет первый и единственный мегабайт памяти в системе. Другими словами, если вы выполняете приложение DOS в виртуальном реальном окне, ему будет доступна память только объемом до 640 Кбайт. Так происходит потому, что имеется только 1 Мбайт общей оперативной памяти в 16-разрядной среде, а верхние 384 Кбайт зарезервированы для системы.

Виртуальное реальное окно полностью имитирует среду процессора 8088, и, если не учитывать быстродействие, программное обеспечение будет выполняться так, как оно выполнялось первым PC в реальном режиме. Каждая виртуальная машина получает собственный 1 Мбайт адресного пространства и собственный экземпляр реальных аппаратных подпрограмм управления аппаратурой (базовую систему ввода-вывода), причем при этом эмулируются все регистры и возможности реального режима.

Виртуальный реальный режим используется при выполнении программ в окне DOS, а также при выполнении 16-разрядных программ, написанных для DOS или Windows 3.x, в Windows 95/98. При запуске приложения DOS операционная система Windows 9х создает виртуальную машину DOS, на которой это приложение может выполняться.

Важно отметить, что все процессоры Intel (а также Intel-совместимые AMD и Cyrix) при включении питания начинают работать в реальном режиме. При загрузке 32-разрядная операционная система автоматически переключает процессор в 32-разрядный режим и управляет им в этом режиме.

Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. В этом разделе вы узнаете о быстродействии процессоров вообще и процессоров Intel в частности.

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой.

Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц — одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т. е. в миллионах циклов в секунду.

Замечание
Единица измерения частоты названа герцем в честь немецкого физика Генриха Герца. В 1885 году Герц экспериментальным путем подтвердил правильность электромагнитной теории, согласно которой свет является разновидностью электромагнитного излучения и распространяется в виде волн.

Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)

Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т. е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется в производительности.

Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium — в два раза меньше тактов, чем 486-му. Pentium III — приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов (не беру в сравнения современные процессоры, ибо главное принцип действия).

Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее.

Тактовая частота процессора и маркировка тактовой частоты системной платы

На сегодня тактовая частота шин процессоров AMD Athlon 64 и Intel 64 повысилась от 400 до 1066 МГц. Как правило, быстродействие шины процессора выбирается в соответствии с типом памяти, поддерживаемой процессорами Intel или AMD. В основном тактовая частота шин современных процессоров зависит от быстродействия самого процессора, а также от используемых модулей памяти SDRAM, DDR SDRAM или RDRAM.

В современных компьютерах используется генератор переменной частоты, обычно расположенный на системной плате; он генерирует опорную частоту для системной платы и процессора. На большинстве системных плат процессоров Pentium можно установить одно из трех или четырех значений тактовой частоты. Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах, в зависимости от тактовой частоты конкретной системной платы. Например, быстродействие большинства процессоров Pentium в несколько раз превышает быстродействие системной платы.

При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это следует осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов, в частности от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти. Например, компьютер с более низкой тактовой частотой может работать быстрее, чем вы ожидаете, а быстродействие системы с более высоким значением номинальной тактовой частоты будет ниже, чем следовало бы. Определяющим фактором при этом является архитектура, конструкция и элементная база оперативной памяти системы.

Во время изготовления процессоров проводится тестирование при различных тактовых частотах, значениях температуры и давления. После этого на них наносится маркировка, где указывается максимальная рабочая частота во всем используемом диапазоне температур и давлений, которые могут встретиться в обычных условиях. Система обозначений довольно проста, так что вы сможете в ней самостоятельно разобраться.

Материал на странице >>>