Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера

Для того чтобы процессор мог обрабатывать  данные,  ему  нужны  команды.  Он

должен  знать, что следует сделать с  теми байтами,  которые  хранятся  в  его

регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти,  но

не из тех областей, где хранятся массивы  данных,  а  оттуда,  где  хранятся

программы. Команды тоже представлены в виде байтов.  Самые  простые  команды

укладываются  в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два,  три

и более  байтов.  В  большинстве  современных  процессоров  шина  команд  32-

разрядная (например,  в процессоре  Intel  Pentium),  хотя  существуют  64-

разрядные процессоры и даже 128-разрядные. 

Система команд процессора 

В  процессе  работы  процессор  обслуживает  данные,   находящиеся   в   его

регистрах, в  поле  оперативной  памяти,  а  также  данные,  находящиеся  во

внешних портах процессора. Часть данных  он  интерпретирует  непосредственно

как данные, часть данных — как адресные  данные,  а  часть  —  как  команды.

Совокупность  всех возможных команд, которые может  выполнить  процессор  над

данными, образует так  называемую  систему  команд  процессора.  Процессоры,

относящиеся  к  одному  семейству,  имеют  одинаковые  или  близкие  системы

команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по  системе

команд  и невзаимозаменяемы. 

Процессоры  с расширенной и сокращенной  системой команд 

Чем шире набор системных команд процессора,  тем  сложнее  его  архитектура,

тем  длиннее  формальная  запись  команды  (в  байтах),  тем  выше   средняя

продолжительность исполнения  одной  команды,  измеренная  в  тактах  работы

процессора. Так,  например,  система  команд  процессоров  Intel  Pentium  в

настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры

называют  процессорами с  расширенной  системой  команд  —  CISC-процессорами

(CISC —  Complex Instruction Set Computing).

В  противоположность  CISC-процессорам  в  середине  80-х  годов   появились

процессоры  архитектуры RISC с сокращенной системой команд  (RISC  —  Reduced

Instruction Set  Computing).  При такой архитектуре количество  команд  в

системе намного меньше, и каждая из них  выполняется намного  быстрее.  Таким

образом,  программы,  состоящие  из  простейших  команд,  выполняются  этими

процессорами  много быстрее. Оборотная  сторона  сокращенного  набора  команд

состоит в  том,  что  сложные  операции  приходится  эмулировать  далеко  не

эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя  подходами  к  архитектуре  процессоров

сложилось следующее распределение их сфер применения:

- CISC-процессоры  используют в универсальных вычислительных  системах;

- RISC-процессоры  используют в специализированных  вычислительных  системах

   или  устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров  платформы  IBM  PC  долгое  время  выпускались

только CISC-процессоры, к  которым  относятся и все процессоры  семейства

Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD  приступила  к выпуску

процессоров семейства  AMD-K6,  в  основе  которых  лежит  внутреннее  ядро,

выполненное  по  RISC-архитектуре,  и внешняя структура,  выполненная   по

архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились  процессоры,  совместимые

по системе  команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру. 

Совместимость процессоров 

Если два  процессора  имеют  одинаковую  систему  команд,  то  они  полностью

совместимы на программном уровне. Это означает,  что программа,  написанная

для одного процессора, может исполняться и  другим  процессором.  Процессоры,

имеющие разные системы команд, как  правило,  несовместимы  или  ограниченно

совместимы на программном уровне.

Группы  процессоров, имеющих ограниченную  совместимость,  рассматривают  как

семейства  процессоров.  Так,  например,  все   процессоры   Intel   Pentium

относятся к так называемому семейству  х86. Родоначальником  этого  семейства

был 16-разрядный  процессор Intel 8086, на базе  которого  собиралась  первая

модель  компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались  процессоры  Intel  80286,

Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60, 66, 75, 90, 100, 133;  несколько

моделей процессоров Intel Pentium  MMX,  модели  Intel  Pentium  Pro,  Intel

Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие.  Все  эти

модели, и  не только они, а также многие модели процессоров  компаний  AMD  и

Cyrix относятся к семейству х86  и обладают  совместимостью  по  принципу

«сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз»  —  это  пример  неполной  совместимости,

когда каждый новый процессор «понимает» все  команды своих  предшественников,

но не наоборот. Это естественно, поскольку  двадцать лет  назад  разработчики

процессоров не могли предусмотреть систему  команд,  нужную  для  современных

программ. Благодаря такой  совместимости  на  современном  компьютере  можно

выполнять любые программы, созданные в  последние десятилетия для  любого  из

предшествующих  компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе. 

Основные  параметры процессоров 

Основными   параметрами   процессоров    являются:    рабочее    напряжение,

разрядность, рабочая тактовая  частота,  коэффициент  внутреннего  умножения

тактовой  частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее  напряжение  процессора  обеспечивает  материнская  плата,   поэтому

разным  маркам процессоров соответствуют  разные материнские  платы  (их  надо

выбирать  совместно).  По  мере  развития  процессорной  техники  происходит

постепенное понижение рабочего напряжения.  Ранние  модели  процессоров  х86

имели рабочее  напряжение 5В. С переходом к  процессорам  Intel  Pentium  оно

было понижено до 3,3В, а в настоящее время оно составляет менее 3В.  Причем

ядро процессора питается пониженным  напряжением  2,2В.  Понижение  рабочего

напряжения  позволяет уменьшить расстояния между  структурными  элементами  в

кристалле  процессора  до  десятитысячных  долей миллиметра,  не   опасаясь

электрического  пробоя. Пропорционально  квадрату  напряжения  уменьшается  и

тепловыделение   в   процессоре,   а   это   позволяет    увеличивать    его

производительность  без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит  данных  он  может  принять  и

обработать  в своих регистрах за один раз (за один такт).  Первые  процессоры

х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386  они  имеют  32-разрядную

архитектуру. Современные процессоры семейства  Intel  Pentium  остаются  32-

разрядными,  хотя  и  работают  с  64-разрядной  шиной  данных  (разрядность

процессора  определяется  не  разрядностью  шины  данных,   а   разрядностью

командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что  и  в  обычных

часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.  В

настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических  часах

их  задает  пружинный  маятник;  в  электронных   часах   для   этого   есть

колебательный  контур,  задающий  такты  строго  определенной   частоты.   В

персональном  компьютере  тактовые  импульсы  задает  одна   из   микросхем,

входящая   в   микропроцессорный   комплект   (чипсет),   расположенный   на

материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих  на  процессор,  тем

больше  команд  он  может  исполнить  в  единицу  времени,  тем   выше   его

производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не  выше

4,77МГц,  а сегодня рабочие частоты   некоторых  процессоров  уже   превосходят

500 миллионов  тактов в секунду (500МГц).

Тактовые  сигналы  процессор  получает  от  материнской  платы,  которая,  в

отличие от процессора, представляет собой  не  кристалл  кремния,  а  большой

набор проводников  и микросхем.  По  чисто  физическим  причинам  материнская

плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор.  Сегодня

ее предел составляет  100-133МГц.  Для  получения  более  высоких  частот  в

процессоре происходит внутреннее умножение частоты на  коэффициент 3;  3,5;

4; 4,5; 5 и  более.

Обмен данными  внутри процессора происходит  в  несколько  раз  быстрее,  чем

обмен с  другими устройствами,  например  с  оперативной  памятью.  Для  того

чтобы  уменьшить  количество  обращений   к   оперативной   памяти,   внутри

процессора  создают буферную область — так  называемую кэш-память. Это как  бы

«сверхоперативная  память».  Когда  процессору  нужны  данные,  он   сначала

обращается  в кэш-память, и только если там  нужных  данных  нет,  происходит

его обращение  в оперативную память.  Принимая  блок  данных  из  оперативной

памяти,  процессор  заносит  его  одновременно  и  в  кэш-память.  «Удачные»

обращения в кэш-память называют попаданиями  в  кэш.  Процент  попаданий  тем

выше,  чем  больше   размер   кэш-памяти,   поэтому   высокопроизводительные

процессоры  комплектуют повышенным объемом  кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням.  Кэш  первого  уровня

выполняется в том же кристалле, что и сам  процессор, и имеет  объем  порядка