Процессор. Рис. 2. Микропроцессор: слева – вид сверху, справа – вид снизу

Рис. 2. Микропроцессор: слева – вид сверху, справа – вид снизу.

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор – электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации (рис. 2). Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

На первый взгляд процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

Основные функции любого процессора следующие:

– выборка (чтение) выполняемых команд;

– ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

– вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

– обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

– адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

– обработка прерываний и режима прямого доступа.

Для увеличения скорости выполнения математических операций (операций с плавающей запятой) в ПК используется специальное устройство – математический сопроцессор, работающий во взаимодействии с центральным процессором.

В настоящее время в компьютерах используются процессоры, разработанные фирмами Intel, AMD и IBM. Основными характеристиками центрального процессора являются тактовая частота, разрядность, объём встроенной кэш-памяти. Тактовая частота определяет количество операций в секунду, выполняемых процессором, и характеризует производительность процессора. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена процессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц).

Разрядность процессора – это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором за один такт работы. Таким образом, разрядность центрального процессора определяется разрядностью двоичного числа, которое может быть обработано за один такт работы процессора. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8 бит, где 1 байт = 8 бит). Если регистр имеет разрядность 4 байта, то разрядность процессора равна 32. Если регистр имеет разрядность 8 байтов, то разрядность процессора равна 64.

Все х86-процессоры, вплоть до Pentium 4, являлись CISC-процессорами.
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

- нефиксированное значение длины команды;

- кодирование арифметических действий в одной инструкции;

- небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию.

Принцип «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее» соответствует RISC-архитектуре процессоров. RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращённым набором команд. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения. Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50–100) набор команд.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы.

Системой команд может обладать только «исполнитель», то есть устройство, способное выполнять команды. В компьютере это процессор и контроллеры дополнительных устройств.