Процессор

               Центральным устройством, во многом определяющим возможности компьютера, является процессор.

 Процессор – это блок, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.  

 Название «процессор» происходит от английского глагола «to process» – обрабатывать. Иными словами, процессор – это блок компьютера, который автоматически обрабатывает информацию по заданной программе. 

                 Процессор, изготовленный в виде большой или сверхбольшой интегральной схемы (БИС, СБИС), называется микропроцессором. 

                Любой процессор обязательно включает в себя две важные части, каждая из которых решает свои задачи: 

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее обработку данных, 
• устройство управления (УУ), которое управляет выполнением программы и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера. 

         Арифметико-логическое устройство

          АЛУ не только выполняет вычисления, но и анализирует полученный результат. Обычно проверяется два свойства: равенство нулю (совпадение всех разрядов сумматора с нулем) и отрицательность результата . Результаты этого анализа заносятся в определенные биты регистра состояния процессора. Используя эти значения, можно сделать вывод об истинности или ложности условий R = 0, R ≠ 0, R > 0, R < 0, R ≥ 0, R ≤ 0, где R обозначает результат операции. Это позволяет организовать ветвления в программе, например, для неотрицательного числа вычислять квадратный корень, а иначе – выдать сообщение об ошибке. 
       Как правило, АЛУ работает только с целыми числами. Операции с вещественными числами выполняются в математическом сопроцессоре, который встроен внутрь современных микропроцессоров.

        Устройство управления

         Главная задача устройства управления – обеспечить автоматическое выполнение последовательности команд программы в соответствии с основным алгоритмом работы процессора . УУ выполняет следующие действия: 

• извлечение из памяти очередной команды; 
• расшифровка команды, определение необходимых действий; 
• определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные; 
• занесение в АЛУ исходных данных; управление выполнением операции; 
• сохранение результата. 

          Таким образом, выполнение каждой машинной команды состоит из элементарных действий, которые называются микрокомандами. 
         В зависимости от сложности, машинная команда может быть выполнена за различное  число  микрокоманд.  Например,  пересылка  числа  из  одного  внутреннего  регистра микропроцессора требует значительно меньшего числа действий, чем умножение. Команды, работающие с оперативной памятью, выполняются дольше, чем команды, работающие только с регистрами процессора. 
       Каждая из микрокоманд машинной инструкции запускается с помощью управляющего импульса. Опорную последовательность импульсов для этих целей УУ получает от генератора тактовых импульсов. Интервал между двумя соседними импульсами называется тактом.
        Если две микрокоманды полностью независимы друг от друга, то их можно выполнить одновременно (за один такт), даже если они принадлежат к разным командам программы. Такая оптимизация широко применяется в современных процессорах для организации конвейерной обработки ради увеличения быстродействия.

           Регистры процессора  

            Кроме  регистров  АЛУ  и  УУ,  в  микропроцессоре  есть  много  других  регистров. Большинство из них – внутренние, они недоступны программисту. Однако есть несколько регистров, специально предназначенных для использования программным обеспечением. Их часто называют регистрами общего назначения (РОН), подчеркивая тем самым универсальность их функций. В РОН могут храниться не только сами данные (числа, коды символов и т.д.), но и адреса ячеек памяти, где эти данные находятся. 

          Основные характеристики процессора

              Как вы уже знаете, для организации выполнения команд в компьютере есть генератор импульсов, каждый из которых «запускает» очередной такт машинной команды. Очеdblyj, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполняться операция.  Следовательно,  тактовая  частота,  измеряемая  количеством  тактовых  импульсов в секунду, может быть характеристикой быстродействия процессора.  

     Тактовая частота – количество тактовых импульсов за одну секунду. 

               В настоящее время тактовая частота измеряется в гигагерцах, т.е. в миллиардах (109) импульсов за секунду. Эту частоту нельзя установить сколь угодно высокой, поскольку процессор может просто не успеть выполнить действие очередного такта до прихода следующего импульса. 
        Другая характеристика, позволяющая судить о производительности процессора, – это его разрядность.   
   Разрядность – это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обрабатывать за одну команду. 

          Чаще всего разрядность определяют как размер регистров процессора в битах. Однако, важны также разрядности шины данных и шины адреса, которые поддерживает процессор. Разрядность шины данных – это максимальное количество бит, которое может быть считано за одно обращение к памяти. Разрядность шины адреса – это количество адресных линий; она определяет максимальный объем памяти, который способен поддерживать процессор. Этот объем памяти часто называют величиной адресного пространства, он вычисляется по формуле 2R , где R – количество разрядов шины адреса.
        Все три разрядности могут не совпадать. Так, у процессора  Pentium II были 32- разрядные регистры, разрядность шины данных – 64 бита, а шины адреса – 36 бит.

   Система команд процессора 

          В системах команд разных процессоров есть много общего. Они обязательно включают следующие группы машинных команд:

•  команды передачи (копирования) данных;
•  арифметические операции;
•  логические операции, например, «НЕ», «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ»; 
• команды ввода и вывода;
• команды переходов. 

           Существует два основных подхода к построению системы команд процессора:

• процессоры с полным набором команд (англ.CISC=Complex Instruction Set Comput- er);
•  процессоры с сокращенным набором команд (англ. RISC = Reduced Instruction Set Computer). 

          CISC-процессоры  содержат  широкий  набор  разнообразных  команд.  При  этом  на скорость их выполнения обращают меньшее внимание, главное – удобство программиро- вания. При разработке RISC-процессоров набор команд, наоборот, весьма ограничен, но это позволяет значительно ускорить их выполнение. Многие современные процессоры (например, процессоры Intel) – гибридные, у них полный набор команд, которые выполняются RISC-ядром. Это позволяет совместить достоинства обоих подходов. 
              Почти все инструкции, входящие в систему команд компьютера, состоят из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть – код операции – указывает, какое действие необходимо выполнить. Адресная часть описывает, где хранятся исходные данные и куда поместить результат. Часто исходные данные для команды (содержимое регистра или ячейки памяти, константа) называют операндами. 
             Рассмотрим для примера одну из наиболее простых команд процессора Intel, которая состоит из четырех байт и имеет шестнадцатеричный код 81 C2 01 01. Она может быть разбита на три неодинаковые по длине части:

1.  код операции 81C обозначает  сложению регистра с константой; 
2. первый операнд 2 – это условное обозначение регистра DX;
3.  константа 0101, которая добавляется к регистру. 

    Отметим, что система команд процессоров Intel очень сложна и плохо подходит для изучения в школьном курсе информатики.