"Процессоры персонального компьютера"

1.3 Архитектура процессора

Под архитектурой процессора подразумевают количественную составляющую компонентов микро архитектуры процессора ПК, которую рассматривают IT-специалисты в аспекте прикладной деятельности.

Рассмотрим архитектуру процессора как аппаратную составляющую.
Во-первых, центральным компонентом персонального компьютера является процессор или по-другому ЦП (центральный процессор), который реализует команды и считывает их из памяти, обрабатывая при этом данные и управляя работой всего ПК. С другими устройствами компьютера процессор связан шинами. Выделяют такие шины как шину данных, адресную шину, и командную шину. Для функционирования ЦП необходимы регистры данных, управляющие регистры, операционный (обрабатывающий) блок, управляющий блок и система команд, которую процессор распознаёт и исполняет.
Работу процессора синхронизирует внешний генератор тактов. В соответствии с этими сигналами происходит считывание и исполнение команд. Частота процессора определяет быстродействие процессора. Однако, это не единственный параметр для оценки производительности процессора. В первых в 8-битных процессорах тактовая частота была ~4 MHz. В современных процессорах она измеряется гигабайтами.
Описание различных частей процессора:
- Управляющий блок (Control Unit) декодирует команды в микрооперации и даёт другим частям процессора соответствующие указания для исполнения команды и отвечает за передачу результатов в память. Управляющий блок использует специальные регистры: счётчик команд (Program Counter) и регистр команд (Instruction Register).
- Операционный блок (Processing Unit) содержит арифметико-логическое устройство (ALU - Arithmetic Logic Unit), которое способно выполнять вычислительные действия с указанными данными или исполнять логические операции. Операционный блок может комбинировать эти действия и выполнять такие сложные операции как умножение с плавающей точкой в соответствующем устройстве (FPU - Floating Point Unit), которые невозможно выполнить в арифметико-логическом устройстве. Операционный блок использует специальные регистры: регистр состояния (Status Register) и аккумуляторный регистр (Accumulator Register).
Регистры являются внутренней памятью процессора и подразделяются следующим образом:
- Регистры общего пользования, которые предназначены для запоминания данных и/или операндов при исполнении команд.
- Специальные регистры, на которые возлагается выполнение специальных функций при работе процессора.
Специальными являются следующие регистры:
- Аккумулятор (A - Accumulator Register) запоминает промежуточные результаты вычислений
- Счётчик команд (PC - Program Counter) содержит адрес следующей команды. Он увеличивается автоматически с каждым новым циклом. Подпрограммы и прерывания изменяют этот порядок, записывая в счётчик команд новое значение
- Регистр команд (IR - Instruction Register) содержит считанную из памяти команду Регистр состояния (SR - Status Register) содержит настоящее состояние, отражающее ход исполнения команды
- Указатель стека (SP - Stack Pointer) содержит адрес следующей свободной ячейки стековой памяти.
Стековую память используют для запоминания состояний регистров. Например, это нужно при обработке прерывания, когда надо запомнить содержимое регистров до прерывания, чтобы восстановить их содержание для продолжения работы после обработки прерывания. Стек организован по принципу «последним зашёл, первым вышел» (LIFO - Last In First Out).
Архитектура процессоров делится на два вида: CISK и RISK .
CISC — это концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующими свойствами:
- нефиксированным значением длин команды;
- арифметические действия кодируются в одной команде;
- содержанием небольшим числом регистров, которые выполняют строго заданные функции.
RISC — это архитектура процессора, где прирост быстродействия происходит за счёт упрощения инструкций, для более простого их декодирования, делая время выполнения короче.
Характерные черты RISK процессоров:

• 
  Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
  
• 
  Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).
  
• 
  Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
  
• 
  Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными Рассмотрим конвейеры.
  

Конвейер является методом организации вычислений, который используется в современных процессорах и контроллерах для прироста их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых за единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров.
Идея конвейера заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательные независимые стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.
Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.
Рассмотрим содержание кэш памяти процессора.
Кэш-память – это сверхбыстрая память, которая используется процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются.
Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.
Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Она находится, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.
Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из двух или трех уровней.
Рассмотрим каждый уровень:
1. Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.
2. Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3
3. Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что от архитектуры процессора зависит работа всей вычислительной системы персонального компьютера. Архитектура процессоров, c точки зрения программистов, является совместимостью с определенным набором команд, структурной совместимостью (примером служит система адресации или организации памяти регистра) и метода выполнения (различные счетчики команд). Архитектура с точки зрения аппаратной составляющей, представляет собой некоторый набор определенных качественных свойств, которые характерны заданному семейству процессоров как по организации, так и по значению