Процессоры: назначение, структура и разновидность

Автор: Тлупов З.А.

Микропроцессор (МП), или central processing unit (CPU) – функционально- законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Функции микропроцессора:

вычисление адресов операндов или команд;
выборка и дешифрация команд из оперативной памяти (ОП);
выборка данных из ОП, регистров микропроцессорной памяти (МПП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
переход к следующей команде.

Основные параметры микропроцессоров:

разрядность (определяется разрядностью внутренних регистров, над которыми одновременно могут выполняться операции);
адресное пространство (максимальное количество ячеек основной памяти которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором);
рабочая тактовая частота (частота исполнения тактов команд микропроцессором – определяет внутреннее быстродействие МП);
кэш-память (память внутри ПМ работающая с частотой ядра МП);
состав инструкций (перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП);
конструктив (размеры и разъемные соединения);
рабочие напряжения (напряжение питания ядра и периферии ПМ).

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel(США) – МП I4004. В настоящее время разными фирмами выпускаются разные процессоры и их разбивают на 4 группы:

МП типа CISC (Complex Instruction Set Command) – с полным набором системы команд. Большинство персональных компьютеров использует CISC микропроцессоры. Большое разнообразие команд упрощает программирование, но с другой стороны усложняет структуру самого микропроцессора и ограничивает быстродействие.
МП типа RISC (Reduced Instruction Set Command) – с усеченным набором системы команд. Процессор содержит только набор простых наиболее часто исполняемых команд. Сложные команды реализуются группами простых инструкций. Такая организация помогает упростить структуру ПМ и тем самым повысить быстродействие. Используются в машинах серверах.
МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) – со сверхбольшим командным словом. Большое машинное слово позволяет выполнять инструкции с одновременно, что увеличивает производительность. Сложность и высокая стоимость позволяет использовать такие архитектуры в больших и супер ЭВМ.
МП типа MISC (Minimum Instruction Set Command) – с минимальным набором системы команд. Идея заключается в создании сверхбыстродействующих простых МП параллельная организация работы которых позволяет получить ЭВМ с высоким быстродействием. Применяется при создании супер ЭВМ.

Рисунок 1 – Упрощенная структура микропроцессора

Устройство управления (УУ) – является функционально наиболее сложным устройством микропроцессора. Оно вырабатывает управляющие сигналы во все блоки МП и компьютера с целом для исполнения заданной команды.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Микропроцессорная память (МПП) – сверхбыстродействующая память, выполненная на регистрах и используемая микропроцессорам при непосредственном выполнении команд. Количество регистров МПП составляет несколько десятков.

Узел формирования адреса - блок, отвечающий за формирования адресов для выбора следующих команд или данных.

Интерфейсная система – выводы и схемы сопряжения, предназначенные для эффективной передачи адресов, данных, команд и управляющих сигналов.

Внутренняя шина МП – обеспечивает связь составляющих частей микропроцессора.

При включении микропроцессора интерфейсная система вводит команду по системной шине в устройство управления. В устройстве управления код команды дешифрируется и создается последовательность микрокоманд. Устройство управления согласно микрокомандам переключает (управляет) блоками процессора и компьютера заставляя им выполнять необходимые действия для исполнения заданной команды. Одновременно с этим формируется адрес для загрузки следующей команды или данных, если это необходимо.

Такая организация выполнения команд по одной цепочке имеется в скалярных микропроцессорах. Начиная с процессоров Pentium, и им совместимые относятся к суперскалярным МП и способны выполнять несколько команд параллельно.

В действительности структура процессора довольна сложна. В помощь процессору может использоваться кэш-память, математический сопроцессор, графический сопроцессор, сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных операций взаимодействия с устройствами. В современных процессорах может находиться несколько ядер работающих параллельно на уровне оперативной памяти.

Процессоры персональных компьютеров за время развития прошли несколько этапов эволюционирования от 16 разрядных до 32 и 64 битных структур. Для обеспечения их совместимости МП обеспечивают различные режимы работы: реальный, виртуальный, защищенный, 64 битный режим, режим совместимости. Так же в самых последних процессорах имеются инструкции всех предыдущих поколений.

Для уменьшения выделяемого тепла и потребляемой мощности, в последних моделях микропроцессоров введены блоки управления производительностью в зависимости от загруженности.