2.6 Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) — функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Арифметико-логическое устройство выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с контор­скую скрепку. АЛУ формирует по двум входным переменным одну — выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т. д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Отметим пока, что отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции («+» или «—»), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения). Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных.

Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами. Регистры составляют основу архитектуры процессора.

Среди обязательного набора регистров можно отметить следующие. Регистр данных — служит для временного хране­ния промежуточных результатов при выполнении операций. Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем фор­мируется результат выполнения команды умножения). Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т. е. с такой структурой данных, которая работает по принципу «последним вошел — первым вышел», т. е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки применяются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти, регистры-счетчики — для организации циклических участков в програм­мах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей; точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут служить для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также индексных, базовых и указа­тельных реестров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. С другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает про­граммирование и повышает гибкость программного обеспечения. Кроме перечисленных регистров, в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, недоступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления (УУ) — часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управ­ляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для АЛУ и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называются микрооперациями, а команды, формируемые устройством управления, — микрокомандами. Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.

В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства — регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения; программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды; регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, запись адреса в программный счет­чик, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т. д.

Память (ПАМ) — устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер, или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида опе­раций над данными — чтение с сохранением содержимого и за­пись нового значения со стиранием предыдущего. Как уже говорилось выше, каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо порции данных, либо команды. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемым элементом памяти является байт — поле из восьми бит. Совокупность бит, которые АЛУ может одновременно поместить в регистр или обработать, называется обычно машинным словом.

Оперативная память (ОП) — функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т. п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т. е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродей­ствием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее доступ к ней, так как время доступа (т. е. быстродействие) определяется вре­менем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоми­нающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием (табл.2.3).

Таблица 2.3

Оперативная память собирается на ферритовых сердечниках или полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Периферийные устройства (ПУ). В их число входят устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т. д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. «Порт» (от англ. port — ворота, дверь, отверстие) — абстрактное понятие. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать информацию в ПУ или, наоборот, прочитать ее из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.

Система шин. Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ; шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления, которая служит для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называется системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом. Состав и назначение шин, пра­вила их использования, виды передаваемых по шине сигналов и другие характеристики шины могут существенно различаться у разных видов ЭВМ.

Однако есть принципиально общие закономерности организации шин. Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической единице, а отсутствие импульса — нулю), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — логическая единица, низкий — нуль). Шириной шины называется количество линий (про­водников), входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памя­ти составит 20, т. е. немногим более 1 млн (точнее — 1 048 576) ячеек. Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое — исполнителем и выполняет операцию (формирует адреса и управляющие сигналы и принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является ЦП. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

Рис. 2.14. Обобщенный алгоритм фоннеймановской ЭВМ

Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рис. 2.14):

1. Инициализация: после включения ЭВМ или операции с некоторого устройства внешней памяти. Мы не будем здесь подробно останавливаться на механизмах загрузки операционной системы, тем более что они могут существен­но различаться для разных типов ЭВМ. Пока будем полагать, что в памяти некоторым образом оказалась первая из подлежащих выполнению программ. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше.

2. Центральный процессор производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.

3. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управления приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю команды операции из первого слова команды устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

4. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

5. Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т. д.).

6. Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи, для того чтобы поместить результат выполнения команды в память.

7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.

Большинство мини- и микроЭВМ имеют шинную организацию, и их поведение описывается приведенным выше алгоритмом. В различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться. Так, например, по-разному может осуществляться синхронизация задатчиков и исполнителей, процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд. Команды и данные, часто используемые программой, могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и т. д. Таким образом, функционирование любой фон-неймановской ЭВМ описывается алгоритмом, близким к рассмотренному выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий.

Дополнительные функции и технологии процессора

В 1959 г. инженеры фирмы «Texas Instruments» разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой - родилась первая интегральная микросхема (ИМС). По сравнению с функционально теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п.. ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширяться. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительно большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.

Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя.

История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания «Busicom», разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму «Intel». К тому времени «Intel» просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме «Busicom» как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы «Intel» М.Хофф. Он познакомился с разработками «Busicom» и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную - микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма «Intel» получила контракт на производство первого в мире микропроцессора.

Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму «Zilog», создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который и сейчас успешно работает во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 г. «Intel 4004» - так назвали процессор -был представлен общественности.

Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр «8» и «9»), «Intel 4004» был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель «Intel 8008» стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1982 г. По-прежнему этот процессор был заменой «аппаратной логики», но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.

А в апреле 1974 г. компания «Intel» совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой «Intel 8080» стало первым в мире процессором, походившим на «настоящую» вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор. и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым! Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом.

Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной техники. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 64-разрядной архитектуре. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!). Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, МП 8080 - 4800, МП «Intel 80486» - около 1,2 миллиона.

История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. Здесь упомянем только, что пионер в создании процессорных микросхем фирма «Intel» по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, «Pentium») являются «мозгом» значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры.

Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы «Motorola»: ее изделия работают в известных компьютерах «Apple», а также в более простых - «Atari», «Commador», «Amiga» и др. Процессоры «Motorola» ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией «Intel». Но на стороне последней - огромные производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами.

В 1993 г. фирма «Motorola» совместно с IBM и «Apple» разработала новый процессор «PowerPC». Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем - он может эмулировать работу компьютеров и «Apple», и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров.

Завершая краткий исторический экскурс, попробуем определить некоторые новые направления развития МП в ближайшем будущем. Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ. Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным числом команд). Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор «PowerPC». Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства «Intel» достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП.

И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время, прежде чем они смогут быть практически реализованы.

Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрыватели, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многие другие. Очевидно, что число таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать.

Перечислим основные функции микропроцессора:

• выборка команд из ОЗУ;

•декодирование команд (т.е. определение назначения команды, способа ее исполнения и адресов операндов);

• выполнение операций, закодированных в командах;

• управление пересылкой информации между своими внутренними регистрами, оперативной памятью и внешними (периферийными) устройствами;

• обработка внутрипроцессорных и программных прерываний;

• обработка сигналов от внешних устройств и реализация соответствующих прерываний;

• управление различными устройствами, входящими в состав компьютера.

Внутреннее устройство микропроцессоров очень сложно (вспомним три миллиона транзисторов в «Pentium»). Даже если попытаться рассмотреть наиболее общую схему основных функциональных узлов, и то получится достаточно сложная картина. К тому же внутреннее устройство МП сильно зависит от его марки, а стало быть, изучение структуры одного процессора не обязательно помогает понять работу другого. Следует признать нецелесообразным для пользователя (и даже, может быть, для программиста) изучение инженерных деталей процессора современной ЭВМ, и ограничиться, как это принято делать, только теми функциональными узлами, которые доступны программно. При таком подходе оказывается, что МП имеют много общего, и становятся отчетливо видны некоторые закономерности их внутреннего устройства. Кроме того, исчезает пугающая сложность и возникает приятное и полезное чувство, что компьютер - это не какая-то там «вещь в себе» и его поведение можно понять.

Итак, что же представляет собой микропроцессор с точки зрения программиста? Рассмотрение начнем в наиболее общем виде, не конкретизируя пока тип МП.

Ответ на поставленный вопрос, как ни странно, будет чрезвычайно прост: для программиста любой процессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил. Конечно, программисту доступна не вся внутренняя память процессора: есть множество рабочих (программно-недоступных) регистров, использующихся только во время выполнения команд и т.п.; их мы рассматривать не будем.

Обсуждение внутренних регистров микропроцессора начнем с наиболее важных: счетчика адреса команд, указателя стека и регистра состояния. Наличие счетчика адреса команд, как уже говорилось выше, было предложено еще в работах фон Неймана. Роль счетчика состоит в сохранении адреса очередной команды программы и автоматическом вычислении адреса следующей. Благодаря наличию программного счетчика в ЭВМ реализуется основной цикл исполнения последовательно расположенных команд программы. Заметим, что не во всех МП счетчик команд программно доступен.

В указателе стека хранится адрес начала специальным образом организуемого участка памяти стека, описанного в следующем параграфе; роль указателя стека в функционировании процессора достаточно велика.

Наконец, регистр состояния процессора. Для разных МП он может называться по-разному (например, слово состояния процессора, регистр флагов и т.п.), но суть его всегда одна: в этом регистре хранятся сведения о текущих режимах работы процессора. Сюда же помещается информация о результатах выполняемых команд, например, равен ли результат нулю, отрицателен ли он, не возникли ли ошибки в ходе операции и т.п. Использование и анализ информации в этом очень важном регистре происходит побитно; иными словами, каждый бит регистра состояния имеет самостоятельное значение. Содержание регистра состояния МП всегда старается сохранить в первою очередь сразу после значения командного счетчика.

Помимо рассмотренных выше, каждый МП имеет набор рабочих регистров, в которых хранятся текущие обрабатываемые данные или их адреса в ОЗУ. У некоторых процессоров регистры функционально равнозначны (классическим примером служит процессор машин семейства PDP). в других (к ним принадлежит все интелловское семейство МП) назначение регистров достаточно жестко оговаривается. В последнем случае выделяется особый регистр, который принято называть аккумулятором.. В нем производятся все основные операции и сохраняется их результат

Завершая разговор о регистрах, укажем на существование определенных связей между ними: информация из одного может передаваться в другой. Для машин с равноправными регистрами передача данных возможна между любыми регистрами, для остальных - между строго определенными парами. Так или иначе (в худшем случае за несколько машинных команд) информацию из одного регистра МП всегда можно перенести в другой.

Разрядность регистров МП существенно влияет на возможности всей ЭВМ. Поэтому уточним понятие «разрядность ЭВМ». Оно включает

• разрядность внутренних регистров микропроцессора (m);

• разрядность шины данных (n);

• разрядность шины адреса (k).

Рис. 2.15. Обмен информацией между процессором и основной памятью

Схема обмена информацией между микропроцессором и ОЗУ представлена на рис. 2.1. Данные поступают из ОЗУ в регистры процессора и наоборот по шине данных; по шине адреса передается информация о месте хранения данных в ОЗУ. Разрядности этих шин могут не совпадать: например, упомянутый выше МП «Intel 8088» характеризовался значениями m/n/k = 16/8/20. Когда говорят, не вникая в детали, «16-разрядная ЭВМ», то имеют в виду значение т. Поскольку объем адресного пространства ОЗУ, контролируемого МП, равен 2k, то понятно стремление увеличить разрядность шины адреса.

Классификация и типовая структура микропроцессора

Поскольку процессор является основным устройством ЭВМ и именно в нем выполняются все вычисления и обработка информации, то его основные характеристики определяют эффективность использования ЭВМ в целом. К важнейшим характеристикам процессора, определяющим его вычислительные свойства, относятся:

• разрядность;

• емкость адресуемой памяти;

• длина конвейера;

• назначение (универсальный или специализированный);

• число внутренних регистров;

• способ управления;

• число уровней прерывания;

• тип стековой памяти;

• состав резидентного и программного обеспечения.

Эти же характеристики определяют и вычислительные свой­ства микропроцессора. Но для оценки области использования и особенностей разработки вычислительной техники на основе МП важными являются также характеристики микропроцессора как интегральной схемы. Основными из них являются:

• быстродействие;

• потребляемая мощность;

• масса и габаритные размеры;

• число источников питания;

• надежность;

• эксплуатационная стойкость;

• стоимость.

Классификация МП по наиболее существенным из перечисленных характеристик служит основой для выбора эффективной области применения того или иного типа МП.

По назначению МП подразделяются на универсальные и специализированные.

К универсальным относятся МП, имеющие широкое применение в различных областях при выполнении самых разных задач. В персональных компьютерах используются именно универсальные МП.

Специализированные МП предназначены для конкретных применений, их характеристики наиболее соответствуют определенному кругу задач. Например, в ранних моделях компьютеров применялись в основном универсальные МП (модели фирмы Intel 8088, 80286, 80386), в которых не была предусмотрена специальная команда для обработки чисел с плавающей запятой. При необходимости работы с такими числами МП выполнял каждую операцию очень медленно — за несколько десятков тактов. Поэтому на материнской плате было предусмотрено место для установки дополнительного специализированного МП, так называемого математического сопроцессора (модели фирмы Intel 8087, 80287, 80387).

Наличие дополнительного специализированного МП позволило уменьшить время выполнения некоторых операций (например, извлечение корня или вычисление тригонометрических функций) в десятки и сотни раз. Однако для большого числа пользователей, которым подобные вычисления не требуются, вполне достаточно только основного МП.

По разрядности МП подразделяют на МП с фиксированной и изменяемой разрядностью слова (модульные). Постоянное совершенствование микроэлектронных технологий позволяет непрерывно увеличивать разрядность МП. Для многокристальных секционированных МП характерно то, что операционная часть, содержащая АЛУ и регистры, разделена (секционирована) на равные части, представляющие собой 2-, 4- или 8-разрядные слои со своими адресными и информационными шинами. Управление выполнением операций осуществляется от отдельного кристалла микропрограммного управления, причем микропрограммное слово поступает на все секции. В зависимости от требуемой разрядности может быть выбрано число секций, обеспечивающее 16, 32 и более разрядов.

Число внутренних регистров служит одним из показателей вычислительных возможностей МП. Этот показатель также непрерывно возрастает: 2 — в самых простых МП, 8 и 16 — в достаточно распространенных, 64 и более — в МП типа Пентиум и других новых моделях. Число регистров МП фактически характеризует объем сверхоперативной памяти МП с малым временем обращения.

Современные МП имеют кэш-память (или кэш) нескольких уровней. Объем кэш-памяти первого уровня от 8 до 128 Кб. Кэш-память первого уровня - это блок высокоскоростной памяти, расположенный прямо на ядре процессора. В него копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора за счет более высокой скорости обработки данных (обработка из кэша быстрее, чем из оперативной памяти). Емкость кэш-памяти первого уровня невелика и исчисляется килобайтами. Обычно "старшие" модели процессоров обладают большим объемом кэша L1.

Для многоядерных моделей указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра.

Объем кэш-памяти второго уровня от 128 до 16384 Кб. Кэш-память второго уровня - это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1 (см. "Объем кэша L1"), однако имеющий более низкую скорость и больший объем. Если вы выбираете процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша L2 будет предпочтительнее.

Для многоядерных процессоров указывается суммарный объем кэш-памяти второго уровня.

Объем кэш-памяти третьего уровня от 0 до 30720 Кб. Интегрированная кэш-память L3 в сочетании с быстрой системной шиной формирует высокоскоростной канал обмена данными с системной памятью. Как правило, кэш-памятью третьего уровня комплектуются только топовые процессоры и серверные решения. Кэш-памятью третьего уровня обладают, например, такие линейки процессоров, как AMD Opteron, AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon.

Производительность МП является его интегральной характеристикой, которая зависит от тактовой частоты работы процессора, его разрядности, а также от особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.).

Производительность МП нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения МП определенных операций в какой-либо программной среде.

По способу управления МП подразделяются на микро- и макро-программируемые. Микропрограммное управление позволяет пользователю установить свой собственный набор команд, который будет наилучшим образом соответствовать решению конкретных задач.

Обычно в микропроцессорных секциях с наращиваемой разрядностью применяется именно такой способ управления. Макропрограммное управление использует набор неизменных команд, определяемых схемой МП, поэтому такое управление называют также жестким аппаратным.

Число необходимых источников питания определяет сложность монтажа вычислительного устройства с МП и влияет на габаритные размеры, надежность и стоимость этого устройства. Обычно требуются два-три источника питания, но при некоторых технологиях изготовления удается обойтись одним.

Сегодня уже никого не удивишь двух- и четырехядерными процессорами. В одном корпусе (или даже на одном кристалле кремния) размешены два ядра процессора. Это позволяет параллельно (т.е. одновременно) выполнять несколько задач. Таким образом, достигается повышение производительности. Прежде производительность повышали за счет увеличения частоты. Можно рассматривать двухядерный процессор как два процессора, но в некоторых типах таких процессоров оба ядра имеют общую кэш-память первого уровня, распределяя ее ресурсы по необходимости.