Тема 2.2. Центральный процессор ПК

Понятие ЦП. Основные составляющие ЦП. Характеристики ЦП

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК. Предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

· устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти. Используемых выполняемой операцией, и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов

· арифметико–логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический процессор)

· микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. VGG строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывая информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие)

· интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода – вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (Interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода – вывода (I/O – Input / Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор Intel Pentium 4 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2001 г. с тактовой частотой до 2 Гигагерц. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Скорость процессора измеряется в мегагерцах (MHz). Это дает приблизительное представление о том, сколько операций он выполняет в секунду. Хотя можно с уверенностью сказать, что 200 MHz Pentium MMX работает быстрее, чем 166 MHZ Pentium MMX. Подобные сравнения возможны только внутри семьи процессоров. Сравнение скоростей в мегагерцах Pentium MMX и Pentium II или чипа от другого производителя невозможны, поскольку инструкции обрабатываются по-разному.

Главный соперник процессора Intel Pentium III - AMD Athlon, который во многом превосходит Pentium, в том числе и по скорости. В Apple Mac используются процессоры под названием G3 и G4, выпущенные компанией Motorola. Считается, что они тоже превосходят Pentium III по скорости.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является "большой" по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20х20 мм., заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является "большой" по количеству элементов.

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,13 микрон (1 микрон = 10-6 метра).

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой - генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов.

Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). 1 МГц - миллион тактов в секунду. За 20 с небольшим лет тактовая частота процессора увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 2,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2002 год) - см. таблицу.

Тип	Год выпуска	Частота (МГц)	Шина данных	Шина адреса	Адресуемая память
		5-10			1 Мб
		6-12,5			16 Мб
		16-33			4 Гб
		25-50			4 Гб
Pentium		60-166			4 Гб
Pentium II		200-300			64 Гб
Pentium III		450-1000			64 Гб
Pentium 4		1000-2400			64 Гб

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

В первом отечественном школьном компьютере "Агат" (1985 год) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно одновременно он обрабатывал 8 битов, а его адресное пространство составляло 64 килобайта.

Современный процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/36, то есть одновременно процессор обрабатывает 64 бита, а адресное пространство составляет 68 719 476 736 байтов - 64 гигабайта.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.