Второе задание

4. Центральный процессор, его состав, основные функции

Центральный процессор – устройство, управляющее ходом вычислительного процесса и выполняющее арифметические и логические действия. Функциональные возможности ПК определяются прежде всего используемым микропроцессором.

Центральный процессор – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. 1

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 с золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

История микропроцессоров начинается с создания кристалла Intel-4004 и насчитывает чуть менее 30 лет. Однако вычислительная мощь этих устройств постоянно растет и сегодня достигла таких высот, до которых несколько лет назад добирались лишь супер-ЭВМ.

Однако суперЭВМ, используемые в основном для решения сложных научных и производственных задач, оказались недоступны для отечественной науки и промышленности: собственная электронная индустрия переживает не лучшие времена, а соответствующая зарубежная техника в нашу страну по различным причинам не поступает. Вот и получилось, что самые мощные компьютеры в нашей стране (за редким исключением) - персональные. Благо по своим вычислительным возможностям они оставляют далеко позади вчерашние БЭСМ и ЕС ЭВМ и позволяют рассчитывать буквально все: от домашнего бюджета до космического аппарата.

На Западе областью применения ПК является, как правило, офис и дом. Соответственно и все многочисленные тестовые программы для них ориентированы на эти довольно несложные задачи. Отметим, что в машинах этого сегмента рынка мощность процессора как раз и не играет определяющей роли, ибо офисным приложениям гораздо важнее скорость жесткого диска и объем оперативной памяти, а играм - характеристики графического ускорителя.

Безусловным лидером на рынке микропроцессоров для персональных компьютеров является компания Intel. Впрочем, всегда были и остаются возмутители ее спокойствия. Так, для 386-х машин фирма Cyrix выпустила арифметические сопроцессоры, существенно превосходящие сопроцессоры Intel 80387 по скорости. В это же время специально для вычислений с плавающей запятой предлагались сопроцессоры Weitek 3167, программно не совместимые с рядом x87, но работавшие даже быстрее устройств Cyrix. Перенеся блок сопроцессора внутрь 486-го кристалла, фирма Intel навсегда избавилась от конкурентов в этой области. С той поры компания Cyrix переключилась на выпуск собственно процессоров (в частности, появились несколько усовершенствованные аналоги кристалла 386 - процессоры 486DLC и 486SLC). Одновременно компания AMD начала поставлять процессоры 386 по лицензии Intel, что не мешало ей, впрочем, вести и свои перспективные разработки. Чехарда с числовыми кодами в названиях процессоров* побудила Intel отказаться от цифр и присвоить процессору имя собственное. Так появился Pentium. 1

Следующий шаг Intel, призванный усложнить жизнь конкурентам, - объявление архитектуры Socket 7, что называется, persona non grata и переход на архитектуру Pentium II - Slot 1, защищенную серией патентов. Идея проста: если раньше производители системных плат выпускали продукцию, одинаково пригодную как для процессоров Intel, так и для их конкурентов, то теперь им, производителям, приходится «считать деньги», планируя объемы выпускаемых плат для обеих архитектур. Ради того, чтобы побыстрее расстаться с Socket 7, Intel даже сняла с производства еще далеко не исчерпавшую себя модель Pentium MMX. Результат оказался прямо противоположным. Позиции конкурентов лишь укрепились, поскольку процессоры Pentium II были еще слишком дороги, а производство плат со Slot 1 не было "обкатано" до такой же степени, как устройств Socket 7, что также влияло на стоимость. Разница в цене складывалась не в пользу Intel.

Тем не менее корпорация осталась монополистом в области наиболее мощных и дорогих компьютеров с архитектурой x86. Очевидное нежелание терять сектор средних и дешевых систем побудило корпорацию спешно выпустить облегченный вариант Pentium II, лишив его кэша второго уровня. Новый процессор получил название Celeron. Остается непонятным, почему специально выпущенный для Celeron чипсет 443EX не допускал поддержки внешнего кэша, как это было у предыдущих моделей процессоров. В результате Celeron при мощном процессорном ядре остался без кэша второго уровня, что весьма пагубно сказалось на его производительности. На некоторых задачах она оказывалась даже ниже, чем у Pentium MMX, с гораздо более низкой тактовой частотой. Исправить положение компания Intel решила, снабдив кэшем второго уровня "старшие", если говорить о тактовых частотах, модели Celeron. И хотя этот кэш вчетверо меньше своего собрата, установленного в Pentium II, работает он на полной частоте процессора, тогда как для Р II кэш использует частоту вдвое меньшую.

Корпорация Intel по-прежнему на рынке не одна. Кроме AMD Cyrix и IBM на свою долю парка x86-совместимых машин в средней и низшей ценовых категориях сейчас претендует и компания IDT, предлагающая процессор WinChip C6 (разработчик - дочернее подразделение IDT компания Centaur Technology Inc.).

Микропроцессор 80386 дает разработчику систем большое

число новых и эффективных возможностей, включая производительность  от 3 до 4 миллионов операций в секунду, полную 32-битную архитектуру, 4 гигабитное (2 байт) физическое адресное пространство и внутреннее обеспечение работы со страничной виртуальной памятью.

Несмотря на введение в него последних достижений микропроцессорной техники, 80386 сохраняет совместимость по объектному коду с программным обеспечением, в большом количестве написанным для его предшественников, 8086 и 80286. Особый интерес представляет такое свойство 80386, как виртуальная машина, которое позволяет 80386 переключаться в выполнении программ, управляемых различными операционными системами, например, UNIX и MS-DOS. Это свойство позволяет производителям оригинальных систем непосредственно вводить прикладное программное обеспечение для 16-битных машин в системе на базе 32-битных микропроцессоров.

Объединяя в себе производительность супермини ЭВМ и низкую стоимость и функциональную гибкость микропроцессора, 80386 может открыть новые рынки для микропроцессорных систем.

Применения, недопустимые прежде из-за невысокого быстродействия микропроцессоров или не экономности использования супермини ЭВМ, стали теперь практически осуществимы благодаря 80386. Такие новейшие применения, как машинное зрение, распознавание речи, интеллектуальные работы и экспертные системы, бывшие до недавнего времени в основном на стадии эксперимента, теперь могут быть предложены на рынке.

Для того, чтобы удовлетворить требованиям будущих применений, мало иметь 32-битные регистры, команды и шины. Эти основные свойства являются лишь отправной точкой для 80386.

32-битная архитектура 80386 обеспечивает программные ресурсы, необходимые для поддержки «больших» систем, характеризуемых операциями с большими числами, большими структурами данных, большими программами (или большим числом программ) и т.п. Физическое адресное пространство 80386 состоит из 2 байт или 4 гбайт; его логическое адресное пространство состоит из 2 байт или 64 терабайт (тбайт). Восемь 32-битных общих регистров 80386 могут быть взаимозаменяемо использованы как операнды команд и как переменные различных способов адресации.

Типы данных включают в себя 8-, 16- или 32-битные целые и порядковые, упакованные и неупакованные десятичные, указатели, строки бит, байтов, слов и двойных слов. Микропроцессор 80386 имеет полную систему команд для операций над этими типами данных, а также для управления выполнением программ. Способы адресации 80386 обеспечивают эффективный доступ к элементам стандартных структур данных: массивов, записей, массивов записей и записей, содержащих массивы.

32-битная архитектура не гарантирует высокой производительности. Реализация потенциала архитектуры требует новейшей микроэлектронной технологии, точного разделения функций и внимания к внешним операциям кристалла, в особенности к взаимодействию процессора с памятью. Включение этих свойств обеспечивает 80386 самую высокую производительность по сравнению с любым другим существующим микропроцессором.

Микропроцессор 80386 реализован с помощью технологии фирмы Intel CH MOSIII - технологического процесса, объединяющего в себе возможности высокого быстродействия технологии HMOS с малым потреблением технологии кмоп. Использование геометрии 1,5 мкм и слоев металлизации дает 80386 более 275000 транзисторов на кристалле. 1

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами.