Центральный процессор

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.

Современные ЦП, выполняемые  в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х  последние практически вытеснили  прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова  «микропроцессор».

В современных компьютерах  процессоры выполнены в виде компактного  модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в сокет. Большая часть современных  процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего  времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими  подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

Первоначально перед  разработчиками ставится техническое  задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

В настоящее время  Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Но, несмотря на это, два наиболее известных в конце 1970_х годов процессора, используемых в ПК, не принадлежали Intel (один из них, правда, являлся прямым аналогом процессора Intel).

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц (в документе говорится, что цикл инструкции длится 10,8 микросекунд, а в рекламных материалах Intel — 108 кГц) и стоил 300 долл. Стоит отметит, что первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC.

За годы существования  технологии микропроцессоров было разработано  множество различных их архитектур. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, реализованные в процессорах компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы  Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium («пень», «пенёк», «второй пень», «третий пень» и т. д. Наблюдается также возврат названий: Pentium III называют «тройкой», Pentium 4 — «четвёркой»), Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 — Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

Параметры процессоров

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:

1.шина ввода и  вывода данных;

2.шина адреса памяти;

3.внутренние регистры.

Шина данных процессора также называется передней шиной (FrontSide Bus — FSB), внутренней шиной процессора (Processor Side Bus — PSB) или просто шиной ЦП. Все эти термины обозначают шину, соединяющую процессор с основными компонентами набора микросхем системной платы (северный мост (North Bridge) или Memory Controller

Hub). Компания Intel отдает предпочтение терминам FSB или PSB, в то время как в AMD используют исключительно обозначение FSB. Безусловно, можно использовать и просто название “шина процессора/ЦП” — менее сложный и в то же время достоверный термин.

Разрядность современных  процессоров также может вызвать  некоторые затруднения. Все процессоры имеют 64_разрядную шину данных, однако это не делает процессоры действительно 64_разрядными. Такие процессоры, как  Pentium 4 и Athlon XP, являются 32 разрядными из-за наличия внутренних регистров с аналогичной разрядностью. В то же время шины ввода вывода процессора являются 64 разрядными, а шины адреса — 32 разрядными. Процессоры семейства Itanuim, AMD Opteron и Athlon 64 являются полноценными 64 разрядными процессорами, поскольку имеют также 64 разрядные внутренние регистры.

Быстродействие —  это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по разному. 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.

Процессор для ноутбука отличается от процессора стационарного  компьютера. Главное отличие заключается  в энергопотреблении.

В современных ноутбуках  используются настольные или мобильные  процессоры, устанавливаемые в плоское  гнездо. Обычно центральные процессоры устанавливаются в гнезда ZIF (Zero Insertion Forse) , в которых применяется механизм замка для удержания или извлечения процессора. Вместо использования рычага для приподнимания разъема, как это происходит в настольных компьютерах, в ноутбуках применяется специальный шуруп.

Сегодня существуют различные  варианты ноутбучных процессоров, в приведенной ниже таблице вы можете увидеть все серии отсортированные таким образом, чтобы наиболее производительные модели находились выше в списке.

Архитектура процессора.

Процессор состоит  из ячеек, в которых обрабатываются данные. Ячейки процессора называют регистрами. Регистры могут быть восьмиразрядные (в такой регистр помещаются 8 бит, т.е. 1 байт), шестнадцатиразрядные (в такой регистр помещается два  байта или говорят машинное слово), 32-разрядные (помещается двойное слово). Разные регистры процессора имеют разное назначение. Для сохранения данных и результатов используются регистры данных . Для хранения адреса команды - счётчик команд. Для хранения команды - регистр команд. Для хранения адреса данных адресный регистр. Существуют специальные регистры для самопроверок процессора. Например флажковый. Каждый процессор имеют свою систему команд. У каждой команды есть свой код, который называют код операции.

Машинные команды, которые обрабатывает процессор состоят из двух основных частей:

Код операции показывает, какую именно операцию из системы  команд процессора надо выполнить, а  в адресной части содержится адрес  данных над которыми будет выполняться эта операция.

К процессору подходят магистрали передачи сигналов:

*    адресная  шина - соединяет процессор с оперативной  памятью; 

*    шина данных - по ней в регистры процессора  передаётся содержимое ячеек  памяти и отправляются результаты обработки назад в оперативную память;

*    шина управляющих  сигналов.

Процессор содержит тактовый генератор - устройст