Микропроцессор: зачем нужен и как устроен

Что это такое? Микропроцессор – блок управления, способный выполнять операции ALU и взаимодействовать с подключенными устройствами. Именно эта деталь обрабатывает основной массив данных.

На что обратить внимание? Микропроцессоры отличаются по своей архитектуре и параметрам, таким как мощность, надежность, помехоустойчивость, требования к питанию. Именно их оценивают при выборе блока для покупки.

Задачи микропроцессора

Когда говорят о центральном процессоре (CPU, ЦП), имеют в виду прежде всего микропроцессор. Простыми словами, это устройство обработки информации. Оно ответственно за аппаратный контроль системы. Также именно ЦП выполняет арифметические и логические операции, считанные из машинного кода.

Микропроцессор в более широком смысле решает несколько ключевых задач. Он нужен для передачи данных между оперативной памятью и другими компонентами персонального компьютера. Так же с помощью CPU синхронизируется информация между внутренними и внешними накопителями, обеспечивается бесперебойная многопоточная и многопрограммная работа системы, выполняется дешифрация машинного кода. Даже без знания этой специфики уже становится понятно, что ЦП — это самый главный элемент любого компьютера.

Примечательно, что с момента своего возникновения и до нынешних времен микропроцессоры выполняют в целом одинаковые задачи. Несмотря на то, что производительность современных схем в тысячи раз превосходит скорость работы первых моделей, основные цели использования данных элементов в компьютерах остались прежними.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 32546

Если подытожить вводную часть, то через управление микропроцессором решаются следующие задачи:

• чтение и интерпретация команд из разных разделов памяти, регистров и адаптеров внешних устройств;
• обработка запросов, поступающих для обслуживания компонентов ПК;
• синхронизация информации между накопителями;
• генерация сигналов управления различными элементами компьютера.

Устройство микропроцессора

Далее рассмотрим состав стандартного модуля ЦП.

• Арифметико-логическое устройство. Необходимо для выполнения всех арифметических и логических операций над данными соответствующих типов.
• Устройство управления. Координирует взаимодействие разных компонентов ПК.
• Блок памяти микропроцессорного модуля. Требуется для краткосрочного хранения, записи и передачи данных, которые в свою очередь используются при компьютерных тактовых вычислениях. Эта временная память имеет структуру регистров, что позволяет обеспечивать необходимое быстродействие компьютера. Главный модуль основной памяти справиться с такой задачей зачастую не может.
• Интерфейс микропроцессора. Обеспечивает обмен информацией с другими модулями ПК.

Читайте также!

Объектно-ориентированное программирование: суть и задачи

Подробнее

Последний компонент в свою очередь состоит из следующих частей:

• узел внутреннего интерфейса ЦП;
• набор буферных запоминающих регистров.

Также существует устройство управления системной шиной и портами ввода-вывода. Под последними тут понимается механизм сопряжения, обеспечивающий другим устройствам возможность подключаться к микропроцессору.

К микропроцессорному модулю и системной шине можно подключать не только стандартные внешние модули, но и дополнительные платы расширения с интегральными микросхемами. Это позволяет улучшить функционал всего микропроцессорного модуля. В частности, доступно подключение математического сопроцессора, контроллеров прерываний и прямого доступа к памяти, сопроцессора оптимизации ввода-вывода и т. д.

Рассмотрим функции некоторых подключаемых компонентов.

Математический сопроцессор ускоряет выполнение операций над бинарными числами с плавающей точкой, а также над десятичными числами, переведенными в двоичную форму. Также решаются тригонометрические функции. Данный сопроцессор обладает собственной системой команд и способен работать параллельно основному микропроцессорному модулю под управлением последнего. Как результат, многократно увеличивается быстродействие ЦП. По этой причине многие современные процессоры уже содержат встроенный математический сопроцессор.

Сопроцессор ввода-вывода функционирует параллельно с центральным процессором, ускоряя тем самым обмен данными в процессе обслуживания внешних модулей. При этом ресурсы микропроцессора освобождаются от выполнения процедур по вводу и выводу информации, в том числе в режиме прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний нужен для реализации процедур прерывания программы (то есть, когда программа временно прекращает выполнение, высвобождая ресурсы для другой, более важной задачи). Соответствующий запрос принимается контроллером от внешних модулей. Затем определяется уровень приоритета полученного запроса, и выдается сигнал прерывания центральному процессору.

Виды микропроцессоров

RISC

Данную аббревиатуру можно расшифровать как «компьютер с сокращенным набором команд». Время выполнения последних сокращается благодаря их упрощенному набору. В RISC-процессорах каждая инструкция направлена на выполнение какого-либо результата лишь в течение одного такта. При этом увеличивается объем кода и, как следствие, несколько снижается быстродействие компьютера. В итоге под хранение инструкции необходимо выделять больший объем оперативной памяти. Для преобразования языка высокого уровня в машинный код компилятор также выполняет больше действий.

Дарим скидку от 60%
на курсы от GeekBrains до 05 января

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

Приведем некоторые модели RISC-процессоров:

• Мощность ПК: 601, 604, 615, 620
• DEC Alpha: 210642, 211066, 21068, 21164
• MIPS: TS (R10000) RISC-процессор
• PA-RISC: HP 7100LC

Перечислим характерные особенности RISC-архитектуры:

• простые инструкции;
• поддержка нескольких типов данных;
• использование простых режимов адресации, а также инструкций определенной длины для конвейерной обработки;
• поддержка регистра для использования в любом контексте;
• быстрое выполнение одного цикла;
• использование инструкций «LOAD» и «STORE» для доступа к ячейкам памяти;
• увеличенное число регистров;
• уменьшенное количество транзисторов.

CISC

В аббревиатуре зашифровано название «комплексная компьютерная инструкция». Процессоры данной архитектуры разрабатывались с целью минимизировать количество инструкций для одной программы и обеспечить построение сложных инструкций непосредственно аппаратными средствами.

На долю компилятора остается небольшая часть работы, заключающаяся в компиляции языка высокого уровня в машинный код. Инструкции при этом могут храниться в достаточно малом объеме оперативной памяти.

Некоторые модели CISC-процессоров приведены ниже.

• IBM 370/168
• VAX 11/780
• Intel 80486

Данный тип микропроцессоров, как уже говорилось, предназначен для снижения стоимости памяти, ведь тяжелые программы требуют больше места в ячейках этой памяти, что приводит к ее «удорожанию». В качестве решения проблемы реализовано уменьшение количества команд на одну программу путем вмещения нескольких операций в одну инструкцию.

Вот основные характеристики архитектуры CISC:

• большой выбор режимов адресации
• множество инструкций;
• изменяемая длина форматов команд;
• необходимость в нескольких циклах для выполнения одной инструкции;
• сложность декодирования инструкций;
• достаточность лишь одной инструкции для поддержки нескольких режимов адресации.

Параметры микропроцессоров

Центральный процессор подобно любой электронной плате обладает несколькими параметрами. Ниже приведем важнейшие из них.

• Максимальная частота микропроцессора и стабильность синхронизации.
• Номинальные значения источников питания, а также требования к их стабильности. Ради сокращения тепловыделения схем производители стремятся уменьшать напряжение питания. При этом повышается частота работы процессора. Если ранее требовалось напряжение в районе 15 Вольт, то теперь некоторым схемам достаточно менее 1 Вольта.
• Мощность потерь (рассеяния) на выходе схемы. Эта мощность преобразуется в тепло, которое нагревает транзисторы выходного каскада. По данному параметру можно определить степень тепловыделения БИС, определяющую требования к конструктивному исполнению всего микропроцессорного блока. Особую важность эта характеристика имеет во встраиваемых системах.

Только до 2.01

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

• Уровни сигналов логических нуля и единицы. Определяются номиналами источника питания.
• Тип корпуса ЦП. Разрабатывается под конкретные условия эксплуатации. По этой характеристике также можно определить совместимость схемы при замене БИС.
• Рабочая температура окружающей среды. Существуют коммерческий и расширенный температурные диапазоны. В первом случае принимаются значения от 0 до +70 градусов Цельсия, во втором — от -40 до +85 градусов Цельсия.
• Помехоустойчивость. Характеризует способность ЦП исправно функционировать в условиях создаваемых помех. В качестве параметра оценки используется интенсивность помех, приводящих к нарушению функций в допустимых пределах. Таким образом, чем выше показатель помехоустойчивости, тем сильнее помехи, в условиях которых схема будет продолжать работать.

• Коэффициент разветвления по выходу. Определяет нагрузочную способность схемы и вычисляется как количество подобных схем, каждую из которых можно подключить к выходу данной схемы, не нарушив тем самым ее работоспособность. С увеличением этого коэффициента расширяются логические способности процессора и одновременно снижается число микросхем, требуемых для создания сложного вычислительного устройства. Однако при этом также снижаются показатели помехоустойчивости и быстродействия ЦП.
• Надежность схемы. Иными словами, это способность процессора функционировать на заложенном уровне качества при определенных условиях и в течение определенного времени. При производстве микропроцессоров, как правило, задается такой параметр, как интенсивность отказов либо средний период наработки на отказ. Но производители современных крупных интегральных схем данный показатель чаще всего не указывают. Лишь по другим характеристикам процессора можно косвенно оценить этот параметр. Например, используют паспортное значение надежности всего изделия.
• Параметры технологического процесса. Главной характеристикой здесь является разрешающая способность процесса. Номинальное значение в современных схемах составляет 5 нм.

Часто задаваемые вопросы о микропроцессорах

Чем отличаются цифровые сигнальные процессоры?

Под этим названием понимается целый класс микропроцессоров, объединенных общим предназначением — обработкой цифровой информации (звуков, изображений и т. д.). В частности ЦСП используются для распознавания образов. У этих схем присутствуют и черты, характерные для универсальных RISC-процессоров — организация работы по типу конвейера, наличие функций для выполнения вычислительных операций с плавающей запятой, поддержка умножения и других сложных специализированных вычислений на аппаратном уровне.

Читайте также!

Абстрактный класс: примеры и правила использования

Подробнее

В чем заключаются недостатки быстрых МП?

Платой за быстродействие являются:

• повышенное энергопотребление;
• необходимость в использовании нескольких микросхем и, как следствие, увеличение габаритов и повышение стоимости процессора.

В каком году выпустили первый микропроцессор?

Эдвард Хофф, будучи сотрудником крупного отдела разработки компонентов для ЭВМ, однажды представил руководству компании Intel интегральную схему размером меньше человеческой ладони. Это произошло в 1970 году. Данная схема фактически являлась полноценным чипом ЭВМ, обрабатывая 4 бита информации в секунду, и при этом была в тысячу раз дешевле существовавших тогда процессоров.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование