Характеристики производительности процессора

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

1. 1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
2. 2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
3. 2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
4. 2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…

Характеристики процессора

Тактовая частота указывает частоту, на которой работает ЦП. За $1$ такт выполняется несколько операций. Чем выше частота, тем выше быстродействие ПК. Тактовая частота современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц): $1$ ГГц = $1$ миллиард тактов в секунду.

Для повышения производительности ЦП стали использовать несколько ядер, каждое из которых фактически является отдельным процессором. Чем больше ядер, тем выше производительность ПК.

Процессор связан с другими устройствами (например, с оперативной памятью) через шины данных, адреса и управления. Разрядность шин кратна 8 (т.к. имеем дело с байтами) и отличается для разных моделей, а также различна для шины данных и шины адреса.

Разрядность шины данных указывает на количество информации (в байтах), которое можно передать за $1$ раз (за $1$ такт). От разрядности адресной шины зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым может работать ЦП.

От частоты системной шины зависит количество данных, которые передаются за отрезок времени. Для современных ПК за $1$ такт можно передать несколько бит. Важна также и пропускная способность шины, равная частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за $1$. Если частота системной шины равна $100$ Мгц, а за $1$ такт передается $2$ бита, то пропускная способность равна $200$ Мбит/сек.

Пропускная способность современных ПК исчисляется в гигабитах (или десятках гигабит) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше.
На производительность ЦП влияет также объем кэш-памяти.

Данные для работы ЦП поступают из оперативной памяти, но т.к. память медленнее ЦП, то он может часто простаивать. Во избежание этого между ЦП и оперативной памятью располагают кэш-память, которая быстрее оперативной. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш, а затем в ЦП. Когда ЦП требует следующее данное, то при наличии его в кэш-памяти оно берется из него, иначе происходит обращение к оперативной памяти. Если в программе выполняется последовательно одна команда за другой, то при выполнении одной команды коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно ускоряет работу, т.к. ожидание ЦП сокращается.

Замечание 1

Существует кэш-память трех видов:

• Кэш-память $1$-го уровня самая быстрая, находится в ядре ЦП, поэтому имеет небольшие размеры ($8–128$ Кб).
• Кэш-память $2$-го уровня находится в ЦП, но не в ядре. Она быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $1$-го уровня. Размер от $128$ Кбайт до нескольких Мбайт.
• Кэш-память $3$-го уровня быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти $2$-го уровня.

От объема этих видов памяти зависит скорость работы ЦП и соответственно компьютера.

ЦП может поддерживать работу только определенного вида оперативной памяти: $DDR$, $DDR2$ или $DDR3$. Чем быстрее работает оперативная память, тем выше производительность работы ЦП.

Следующая характеристика – сокет (разъем), в который вставляется ЦП. Если ЦП предназначен для определенного вида сокета, то его нельзя установить в другой. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для ЦП и он должен соответствовать типу этого процессора.

Параметры микропроцессоров

Основными параметрами микропроцессоров являются:

— разрядность;

— рабочая тактовая частота;

— размер кэш-памяти;

— состав инструкций;

— конструктив;

— рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);

L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Определение микропроцессора

Микропроцессор — центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или
вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические
операции, заданные программой преобразования информации, управляет
вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих,
сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной
системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы
называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение
одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными
характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность.
Быстродействие — это число выполняемых операций в секунду. Разрядность
характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну
операцию: 32-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 32 бит
информации, 64-разрядный — 64 бита. Скорость  работы микропроцессора во многом
определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных,
поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы,
также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами
различных мощностей. Основные функции которых обработка данных по заданной
программе путем выполнения арифметических и логических операций и программное
управление работой устройств компьютера.

Память микропроцессора

подробностями

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Логика микропроцессора

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение »
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Характеристики процессоров

Поколение и архитектура

Первым и, пожалуй, самым главным параметром является возраст процессора, а точнее, его архитектуры. Новые модели, произведенные на основе более тонкого техпроцесса, имеют меньшее тепловыделение при возросшей мощности, поддержку новых инструкций и технологий, дают возможность использовать быструю оперативную память.

Здесь нужно определить, что есть «новая модель». Например, если у вас Core i7 2700K, то переход на следующее поколение (i7 3770K) не даст какой-нибудь значимой прибавки в производительности. А вот между i7 первого поколения (i7 920) и восьмого или девятого (i7 8700 или i79700K) разница уже будет весьма ощутимой.

Определить «свежесть» архитектуры можно, введя ее название в любой поисковой системе.

Количество ядер и потоков

Количество ядер десктопного процессора может варьироваться от 1 до 32 во флагманских моделях. Впрочем, одноядерные CPU сейчас уже встречаются крайне редко и только на вторичном рынке. Не вся многоядерность «одинаково полезна», поэтому при выборе процессора по этому критерию, необходимо руководствоваться задачами, которые планируется с его помощью решать. В целом, «камни» с большим количеством ядер и потоков работают шустрее, чем менее оснащенные.

Подробнее: На что влияют ядра процессора

Тактовая частота

Следующим важным параметром является тактовая частота CPU. Она определяет, с какой скоростью выполняются вычисления внутри ядер и передается информация между всеми компонентами.

Чем больше частота, тем выше производительность процессора по сравнению с моделью с тем же количеством физических ядер, но с низкими гигагерцами. Параметр «Свободный множитель» показывает, что модель поддерживает разгон.

Подробнее: На что влияет тактовая частота процессора

Кэш

Кэш процессора – это встроенная в кристалл сверхбыстрая оперативная память. Она позволяет получать доступ к хранящимся в ней данным с гораздо большей скоростью, чем при обращении к обычной ОЗУ.

L1, L2 и L3 – это уровни кэша. Существуют процессоры и с L4, построенные на архитектуре Broadwell. Здесь есть простое правило: чем выше значения, тем лучше. Особенно это касается уровня L3.

Оперативная память

Скорость ОЗУ влияет на работу всей системы. В каждом современном процессоре есть встроенный контроллер памяти, имеющий собственные характеристики.

Здесь нас интересует тип поддерживаемых модулей, максимальная частота и количество каналов. Допустимый объем также важен, но только в том случае, если планируется сборка мощной рабочей станции на платформе, способной «потянуть» такое количество памяти. Правило «больше – лучше» работает и в отношении параметров контроллера ОЗУ.

Подробнее: Как выбрать оперативную память для компьютера

Заключение

Остальные характеристики больше указывают на особенности конкретной модели, а не ее мощность. Например, параметр «Тепловыделение (TDP)» показывает, как сильно греется процессор при работе и помогает подобрать систему охлаждения.

Подробнее:Как выбрать кулер для процессораКачественное охлаждение процессора

Внимательно подбирайте комплектующие для своих систем, не забывая про поставленные задачи и, конечно про бюджет.

Помогла ли Вам статья?

Нет

Инструкции микропроцессора

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Система команд микропроцессора

Несмотря на бурную
эволюцию вычислительной техники, основной набор команд довольно слабо
изменился. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы
команд обработки информации.

Команды передачи
данных (перепись), копирующие информацию из одного
места в другое.

Арифметические
операции, к которым в основном относят операции сложения
и вычитания. Умножение и деление обычно реализуется с помощью специальных
программ.

Логические
операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой
информации. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить
сравнение, а также известные логические операции и, или, не.

Сдвиги двоичного
кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются
для реализации умножения и деления.

Команды ввода и
вывода информации для обмена с внешними устройствами.
В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами
памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

Команды
управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда
относят условный и безусловный переходы, а также команды обращения к подпрограмме
(переход с возвратом). Часто к этой группе относят операции по управлению
процессором типа останов или нет операции.

Любая команда ЭВМ
обычно состоит из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть
называемая также кодом операции указывает, какое действие необходимо выполнить
с информацией. Операционная часть имеется у любой команды. Адресная часть
описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат. В
некоторых командах управления работой машины адресная часть может
отсутствовать.

Код операции можно
представить себе как некоторый условный номер в общем списке команд. В основном
этот список построен в соответствии с определенными внутренними
закономерностями.

Адресная часть
обладает значительно большим разнообразием. Основу адресной части составляет
операнд. В зависимости от количества возможных операндов команды могут быть
одно- и двухадресные. В двухадресных командах результат записывается либо в
специальный регистр (сумматор), либо вместо одного из операндов.

Характеристики микропроцессоров

Микропроцессор
характеризуется:

1) тактовой частотой: указывает,
сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду.
Тактовая частота измеряется в Мгц. Следует заметить, что разные модели МП
выполняют одни и теже операции (например, сложение и умножение) за разное число
тактов. Чем выше модель, тем, как правило, меньше тактов требуется для
выполнения одних и тех же операций;

2) разрядностью, т. е. максимальным
числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и
включает:

m – разрядность внутренних регистров,
определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n – разрядность шины данных,
определяет скорость передачи информации;

k – разрядность шины адреса,
определяет размер адресного пространства.

Например, МП i8088 характеризуется
значениями m/n/k=16/8/20;

3) объемом кэш-памяти, которая имеет
два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы
микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 –
память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с
ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или
половинной частоте микропроцессора.

4) архитектурой. Понятие архитектуры
микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность
совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в
составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия
микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура
микропроцессора– это
аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры,
управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и
связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура– это система команд, типы
обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы
микропроцессора.

Назначение и область применения микропроцессоров

Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:

1. Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
2. Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
3. Синхронизация данных на накопителях данных.
4. Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:

1. Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
2. Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
3. Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
4. Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

Структура базового микропроцессора

Функционально микропроцессор можно
разделить на две части (смотри рисунок):

—  операционную (устройство
управления и устройство обработки данных), содержащую арифметико-логическое
устройство, микропроцессорную память (за исключением сегментных регистров), блок
микропрограммного управления, объединенных в устройство обработки данных, и
устройство управления;

—  интерфейсную (или устройство
связи с магистралью), содержащую блок сегментных регистров микропроцессорной
памяти, блок регистров команд (регистры памяти для хранения кодов команд,
выполняемых в ближайшие такты работы) и сумматор адреса.

Устройство обработки данных
предназначено для выполнения команд. Устройство управления обеспечивает
синхронизацию работы устройств микропроцессора, выработку управляющих сигналов и
сигналов состояния для обмена с другими устройствами, анализ и соответствующую
реакцию на сигналы других устройств ЭВМ.

Устройство связи с магистралью
обеспечивает формирование физического адреса памяти и адреса внешнего
устройства, выбор команд из памяти, обмен данными с запоминающими устройствами,
внешними устройствами, другими процессорами по магистрали.

Обе части микропроцессора работают
параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка
очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный
анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды.
Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной
части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнить
операции в конвейерном режиме. Такая организация микропроцессора позволяет
существенно повысить его эффективное быстродействие.

Рис. Упрощенная структурная схема
микропроцессора(на примере i8086)

На внешних выводах микропроцессора
широко используется принцип мультиплексирования сигналов – передача разных
сигналов по общим линиям с разделением времени. Кроме того, одни и те же выводы
могут использоваться для передачи разных сигналов в зависимости от режима
(минимальный или максимальный).

Микропроцессоры с RISC архитектурой.

RISC (Reduced
Instruction Set Computer) — Компьютер с сокращенной системой
команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждая
инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась
структура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие. Все команды
работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется
с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и
небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение
и эффективный конвейер при небольшом объёме оборудования. Арифметику RISC —
процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет
увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем
более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше
частота его работы. RISC — процессоры с самого начала ориентированны на
реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их
конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC — процессорах.
В результате чего, RISC — процессоры в 2 — 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую
частоту CISC — процессоров с обычной системой команд и высоко производительней,
несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин
сформулировали 4 основных принципа RISC :

1.Любая операция
должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.

2.Система команд
должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших
инструкций одинаковой длины.

3.Операции
обработки данных реализуются только в формате “регистр — регистр“ (операнды
выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции
записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью
выполняется только с помощью команд загрузки\записи).

4.Состав системы
команд должен быть “удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня.

Пример
микропроцессора с RISC-аpхитектуpой — Power PC. Микропроцессор Power PC начал
разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM, Motorola, Apple.