Процессор. 
Информатика и информационные технологии

Процессор — функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации (рис. 3.7), выполненное в виде одной (или нескольких) сверхбольшой интегральной схемы (размером в несколько сантиметров), «кристалл» из слоев полупроводника, чрезвычайно плотно насыщенных электронными элементами (несколько десятков миллионов микротранзисторов и переключателей).

На процессорном кристалле расположены:

• • процессор — главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными;
• • сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей запятой», который применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с графическими программами;
• • кеш-память первого уровня — сверхбыстрая память для хранения промежуточных результатов вычислений;
• • кеш-память второго уровня.

Центральный процессор — основное рабочее устройство в компьютере, которое выполняет заданные программами вычислительные и логические преобразования данных, координирует работу всех устройств компьютера. Выполняя операции «под руководством» программ, процессор размещает программы и данные в памяти, посылает сигналы управления, обменивается данными с другими внутренними и внешними устройствами компьютера.

Центральный процессор персонального компьютера (микропроцессор) определяет поколение, производительность компьютера: от процессора во многом зависит быстродействие, количество операций в секунду. Микропроцессоры отличаются и задачами, под которые оптимизирована схема.

К основным характеристикам микропроцессора относятся:

• система команд;

Рис. 3.7. Процессор.

• • степень интеграции;
• • разрядность обрабатываемых данных;
• • тактовая частота;
• • размер кеш-памяти (внутренней памяти).

Система команд. Множество элементарных операций, выполняемых процессором. Процессоры с одинаковой системой команд позволяют создавать совместимые компьютеры, на которых программы выполняются одинаково.

Микропроцессоры в зависимости от системы команд делят на четыре группы.

• 1. Микропроцессор типа CISC (Complex Instruction Set Computer) — процессор с полным набором команд. В персональных компьютерах типа IBM PC впервые использованы микропрограммы для выполнения набора всех необходимых команд. CISC-процессоры содержат неоднородный состав внутренних регистров, широкий набор команд, что усложняет их декодирование, поэтому на выполнение даже короткой команды тратится несколько машинных тактов. Системы команд усложнялись, но для практического использования в подавляющем большинстве случаев из всего набора команд требовалась лишь небольшая его часть. В середине 1970;х гг. корпорация IBM приняла решение о разработке процессора с усеченным набором команд.
• 2. Микропроцессор типа RISC (Reduced Instruction Set Computer) — с упрощенным набором команд (иногда ошибочно переводят как «сокращенный»). Работает с упрощенным набором команд одинаковой длины, выполняющихся, как правило, за один такт процессора. Имеет очень высокое быстродействие. Микропроцессоры Power PC (Performance Optimized With Enhanced RISC PC) применяются в серверах, а также в персональных компьютерах типа Macintosh.
• 3. Микропроцессор типа MISC (Minimum Instruction Set Computer) с минимальным набором команд отличается высоким быстродействием. Как и процессор RISC, характеризуется небольшим набором часто встречающихся команд. За счет увеличения разрядности в процессорах несколько команд укладывается в одно машинное слово размером 16 байт, что позволяет обрабатывать несколько команд.
• 4. Микропроцессор типа VLIW (Very Long Instruction Words) работает с системой команд сверхбольшой разрядности. Сверхдлинная команда процессора состоит из нескольких, обычно RISC-команд, каждая из которых выполняет действия на своем исполнительном устройстве. Число таких команд равно числу вычислительных устройств и, как правило, равно 8−20. Перед выполнением прикладной программы проводится ее анализ специальным компилятором и выстраиваются несколько ветвей операций, выполняющихся параллельно. Каждая группа образует одну сверхдлинную команду. Отличается от суперскалярных процессоров тем, что отбор команд осуществляется заранее, а не в ходе выполнения прикладной программы, что усложняет структуру суперскалярного процессора и замедляет его работу. Технология VLIW позволяет, с одной стороны, в течение одного такта выполнить группу коротких (обычных) команд, а с другой — упростить структуру процессора. Большинство мультимедийных процессоров с производительностью более 1 млрд операций в секунду базируется на VLIW-архитектуре.
• 5. Многоядерные процессоры. Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности. На данный момент массово доступны двух-, четырехи шестиядерные процессоры (Intel Core, Celeron, Xeon, Itanium, AMD Phenom X4 и др.).

Степень интеграции микросхемы процессора показывает, какое число транзисторов на ней умещается. Процессоры первых персональных ЭВМ содержали около 30 тыс. транзисторов, в современных процессорах размещается свыше миллиарда транзисторов.

Разрядность процессора определяется количеством бит данных, которые он может одномоментно принять на обработку. Первые процессоры Intel для персональных компьютеров были 16-разрядными, т. е. могли принимать и передавать данные группами по 16 бит (по 2 байта). Для сложения двоичных чисел длиной 32 бита такому процессору приходилось выполнять в два раза больше команд. Большинство микропроцессоров современных ПК 64-разрядные.

Тактовая частота. Скорость выполнения команд связана с тактовой частотой. Генератор тактовой частоты (ГТЧ) — электронное устройство на материнской плате, которое генерирует импульсные сигналы, определяющие согласованный темп и временны? е интервалы выполнения процессором операций, работы других устройств. В генераторе тактовой частоты применяется кристалл кварца (по типу используемого в электронных часах), придающий работе генератора высокую стабильность. Частота тактовых импульсов генератора в современных ПК составляет несколько ГГц.

Время, затрачиваемое на одну операцию, например передачу данных от одной части системы к другой, занимает несколько тактов машины и называется машинным циклом. Чем выше частота тактов, тем больше команд может выполнить процессор за секунду. Чем совершеннее процессор, тем меньше тактов требуется для выполнения одной операции.

Тактовая частота — важная характеристика быстродействия, но не единственный показатель производительности компьютера. Хотя импульсы тактовой частоты задают процессору ритм вычисления, быстродействие не прямо пропорционально этой частоте. На быстродействие влияют тип процессора, виды обрабатываемых процессором команд, объем оперативной памяти, характеристики линии связи между устройствами — шины передачи данных.

Более совершенные процессоры выполняют за машинный цикл не одну, а несколько команд. Разрядность микропроцессора — возможность обработки цифровых сообщений разной длины (но не превышающей разрядность). Компьютер с 64-разрядным процессором работает быстрее 32-разрядного. Поэтому нет простых соотношений между продолжительностью временно? го цикла, разрядностью шины и миллионами команд (инструкций), обрабатываемых в секунду. Если просто увеличить от заданной тактовую частоту генератора (выполнить «разгон» процессора), не меняя устройств компьютера, то скорость выполнения вычислений не обязательно увеличится на столько же. В то же время «учащение сердцебиения» ведет к перегреву процессора, нарушению временной синхронизации работы устройств ПК, т. е. сбоям и неустойчивой работе.

В современных ПК несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на разных частотах. Частота системы ПК определяется частотой системной шины, а тактовые частоты остальных компонентов компьютера кратны ей.

Кеш-память (англ. cash — тайник) — промежуточная «сверхоперативная» память для обмена данными между двумя устройствами, работающими с разной скоростью, с разной тактовой частотой. Регистровая кеш-память обменивается данными с быстродействующим устройством часто и быстро, а со сравнительно медленным устройством — реже и медленнее. Кеш дает выгоду в быстродействии, когда данные требуются быстродействующему устройству несколько раз за короткий интервал времени, а давно не востребованные данные из кеш-памяти заменяются на более актуальные.

Современные процессоры имеют в своей схеме (на одном кристалле) два уровня кеш-памяти, позволяющие процессору увеличить производительность и иметь тактовую частоту в несколько раз выше, чем частота остальной части компьютерной системы. Часть обрабатываемых данных и кодов процессор хранит в своей кеш-памяти, имеющей не только большую скорость предоставления данных, но и возможность хранения команд и данных, которые вот-вот потребуются.

В процессоре есть центральная часть — ядро процессора, функционирующее с частотой в несколько раз более высокой, чем частота работы остальных устройств. Встроенный в процессор кеш 1-го уровня (внутренние блоки памяти) работает на частоте ядра процессора и выполняет более одной команды за один цикл связи с обычной оперативной памятью. Частота работы ядра процессора 2 ГГц соответствует 2 млрд импульсов тактового генератора в секунду. Обмен процессора данными с оперативной памятью происходит по шине заметно реже, например с частотой 833 МГц.

Поколения процессоров. Первый микропроцессор выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США). С тех пор сменилось несколько поколений процессоров, развитие процессоров идет в основном в соответствии с законом Г. Мура, одного из основателей фирмы Intel: «Производительность CPU удваивается каждые полтора года» .

Процессоры первого и второго поколений были представлены CPU 8086/80 286. Процессор 80 286 имел адресное пространство 16 Мб и работал с тактовой частотой 20 МГц.

Процессоры третьего поколения типа 80 386 обеспечивали адресацию физической памяти до 4 Гб и работали уже на частоте 33 МГц.

В процессорах четвертого поколения 80 486 интегрировались сопроцессор и кеш-память, была реализована конвейеризация вычислений.

Процессоры пятого поколения типа Pentium поддерживали 64-разрядную системную шину, имели технологию предсказания переходов и параллельную конвейерную обработку данных. Процессоры Pentium принято подразделять по поколениям в соответствии с техническими характеристиками и хронологией выхода на компьютерный рынок.

Первый процессор шестого поколения получил имя торговой марки Pentium Pro, имел 14 ступеней конвейерной обработки и поддерживал работу многопроцессорных систем. Процессор Pentium II был ориентирован на массового пользователя ПК, версия под названием Celeron предназначалась для ускорения перехода пользователей на новое поколение процессоров. Процессор Pentium III значительно расширил возможности обработки изображений, потоков аудиои видеоданных, распознавания речи. Имел частоту процессора до 1,3 ГГц и частоту системной шины 133 МГц.

Процессоры седьмого-восьмого поколений имеют собственную частоту 1−3 ГГц и выше.