Сердце компьютера

Компьютер, с помощью которого вы прямо сейчас читаете эту страницу, использует микропроцессор. Микропроцессор — сердце любого нормального компьютера, будь то персональный компьютер, сервер или ноутбук. Да что там говорить, микропроцессоры используются даже в таких тривиальных устройствах, как калькуляторы, электронные часы и «говорящие» игрушки.

Понятие микропроцессора

Микропроцессор — также известный как ЦПУ, или центральное процессорное устройство — цельное вычислительное устройство, которое выполнено на одном чипе. Иначе говоря, процессор, реализованный в виде одной микросхемы.

В наше время понятия процессор, центральный процессор и микропроцессор синонимичны, так как практически все процессоры сегодня являются системами на кристалле. Но рассматривая процессоры раньше легендарного Intel 4004 понятия процессор и микропроцессор нельзя забывать о том, что до него процессоры реализовывались в виде электрической схемы на материнской плате.

История

Краткая историческая справка. Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году под маркой Intel 4004. Intel 4004 не был особо функциональным и мощным — он мог лишь складывать и вычитать числа и обрабатывать с частотой 4 бита за такт. Но, несмотря на все свои недостатки, Intel 4004 стал прорывом, так как все основные элементы и блоки процессора были расположены на одном кристалле. До 4004 инженеры собирали компьютеры либо из набора чипов, либо вообще из отдельных компонентов. Из-за преимуществ сборки микропроцессоров на едином кристалле, они впервые стали использоваться в портативных микрокалькуляторах.

Но что сделало микропроцессоры настолько популярными, что их стали применять практически везде, где требовалась автоматизация? Дело в том, что составные элементы процессора расположены на кристалле из чистейшего кремния. Допустимый уровень примесей в таком кремнии — 1 атом на 109-1010 атомов кремния (чистота «девять или десять девяток»). Для пущей наглядности: представьте, что вы находитесь на пляже 10 метров шириной и длиной в километр; пляж полностью покрыт белым песком; и на этом пляже вы сможете найти всего лишь одну черную песчинку.

Машина фон Неймана

Чтобы лучше понимать принципы, стоящие за работой процессора, полезно будет рассмотреть абстракцию, предложенную Джоном фон Нейманом, так называемую «машину фон Неймана».

Машину фон Неймана можно назвать абстрактной моделью ЭВМ, так как все современные процессоры в той или иной степени построены под вдохновлением этой схемы. Из рисунка видно, что машина состоит из 4 узлов — памяти, ЦП (центрального процессора), устройства ввода и устроства вывода. ЦП, в свою очередь, состоит из УУ (управляющего устройства) и АЛУ (арифметико-логического устройства). Вскользь разберемся с каждым из компонентов.

Память машины фон Неймана — однородная и упорядоченная последовательность элементов, называемых ячейками. Собственно, в ячейках и хранится вся информация, необходимая для работы процессора. Содержимое ячейки называют машинным словом. Машинное слово — минимальный объем данных, который может быть пройден по одной из толстых стрелок на схеме. Чтобы передать машинное слово в другое устройство компьютера, из ячейки памяти можно считать копию машинного слова, оригинал при этом остается неизменным. Естественно, что при записи новой информации в ячейку, старая информация в ней стирается.

Устройство управления координирует работу всех остальных устройств ЭВМ и обеспечивает отправление управляющих сигналов, которые непосредственно влияют на работу отдельных узлов ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство может выполнять три функции:

1. Прочитать машинное слово из ячейки памяти и скопировать его в один из своих регистров (ячейку памяти, расположенную непосредственно в АЛУ).

2. Содержимое регистра, в свою очередь, может быть перезаписано в ячейку памяти вне АЛУ

3. Наконец, данные в регистрах могут быть обработаны АЛУ, то есть АЛУ может произвести над ними операцию (банальное сложение или вычитание). Числа для сложения или вычитания хранятся на специальных регистрах первого R1 и второго R2 операндов, а результат сложения записывается на сумматор S.

Устройства ввода вывода предназначены, соответственно, для ввода информации в память, а устройство вывода — для пересылки информации другим элементам компьютера (видеокарта монитор, аудиокарта и т.д.)

Ключевыми в работе микропроцессора являются взаимодействия между этими четырьмя элементами. Но основные события происходят именно в центральном процессоре, в таких его элементах, как УУ и АЛУ. Рассмотрим их устройство и взаимодействие немного подробнее.

Устройство управления так же, как и АЛУ, имеет свои собственные регистры и может считывать с ячеек памяти команды, которые УУ помещает в специальный регистр команд. На регистре команд хранится текущая команда. Второй по счету регистр УУ называется регистром адреса, в который записывается адрес команды в памяти.

Как все это работает

Для получения интуитивного представления о работе процессора, разберем простейший пример со сложением двух чисел и записью результата в память:

x,y и z здесь следует понимать как адреса ячеек памяти, куда будет помещена сумма, и из которых будут извлекаться числа.

Сначала сама команда сложения копируется из ячейки основной памяти на регистр команд устройства управления. УУ, в свою очередь, на основании пришедшей команды отправляет управляющие сигналы в АЛУ, как бы приказывая ему прочитать ячейки по адресам x и y и поместить операнды на регистры R1 и R2. Второй управляющий сигнал из УУ говорит АЛУ сложить эти два числа и записать результат на регистр S. Следующий, третий, сигнал командует АЛУ скопировать регистр сумматора в ячейку памяти с адресом z.

Если перевести словесное описание операции суммирования на командный язык, сложение будет выглядеть так:

Заключение

Вышерассмотренные механизмы слишком упрощены, была затронута лишь вершина айсберга. На самом деле, даже за простейшим сложением стоят трудно поддающиеся осознанию логические цепочки, состоящие из логических вентилей, реализующих одну из логических операций.

В понимании работы чего-то, особенно архитектуры компьютера, очень полезно абстрагироваться и затрагивать лишь интересуемый уровень. Рассмотренный нами уровень является уровнем микроархитектуры компьютера (промежуточный между уровнем электронных схем и машинных команд). В следующей статье мы копнем немного глубже, до уровня электронных схем, и разбермся, как набор транзисторов может может автоматически различные операции над данными.

#Наука #Техника #Компьютеры #Микропроцессоры