Микропроцессоры. 
Архитектура персонального компьютера

Микропроцессор, иначе, центральный процессор. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• § арифметико-логическое устройство;
• § шины данных и шины адресов;
• § регистры;
• § счетчики команд;
• § кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
• § математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

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 плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Структура микропроцессора Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Сюда включаются:

• § Регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
• § Дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
• § Постоянное запоминающее устройство микропрограмм — хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операции (в соответствии с кодом операции) считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
• § Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
• § Кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
• o выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
• o выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
• o расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
• o считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
• o считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
• o выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
• o записи результатов операции в память;
• o формирования адреса следующей команды программы.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2) — разрядность слова.

При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в Pr2 — второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т. е. только над целыми двоичными числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

Микропроцессорная память — память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами).

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.

Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.

Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода — вывода.

Порты ввода — вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536. Каждый порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и обмена управляющей информацией.

Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода — вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

• § формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
• § прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
• § организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода — вывода и МП.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данные системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта.

То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.