Процесор

Процесор, односно централни процесор (енгл. central processing unit — CPU, централна процесорска јединица) је извршна јединица рачунарског система која прима и извршава инструкције прочитане из одговарајуће меморије. Сам по себи процесор не чини рачунар, али је један од најважнијих делова сваког рачунара.

Као посебна категорија могу се дефинисати микропроцесори. Микропроцесор је интегрисано коло великог степена интеграције компонената. Функционише као централна процесорска јединица рачунара на једном интегрисаном колу. Микропроцесор је свестрано употребљив програмабилни уређај који прихвата дигиталне податке као улаз, обрађује их према инструкцијама смештеним у меморији дајући резултат на излазу. Обрађује бројеве и симболе представљене бинарним бројним системом. Микропроцесори опште намене у персоналним рачунарима користе се за израчунавања, обраду текста, приказ мултимедијалних садржаја и комуникацију преко интернета. Постоје и микропроцесори који се налазе у саставу уграђених система (енгл. embedded system) обезбеђујући дигиталну контролу над милионима објеката, од кућних уређаја до аутомобила, мобилних телефона и контролера индустријских процеса. Такви системи, са уграђеним микропроцесором, називају се микроконтролери.

Ми ћемо, углавном, под појмом процесор подразумевати микропроцесор, зато што се у савременим персоналним рачунарима уграђују микропроцесори, а овај предмет изучава првенствено структуру персоналних рачунара.

Основне карактеристике процесора

Три основне карактеристике процесора су:

1. Скуп инструкција: листа наредби које процесор може да извршава.

2. Ширина магистрале података: Број битова који се обрађује једном наредбом.

3. Брзина рада: одређује колико наредби у секунди процесор може да изврши. Даје се у милионима инструкција у секунди (MIPS). Код савремених процесора као јединица за брзину рада дефинише се FLOPS – број операција у покретном зарезу у секунди.

Компоненте процесора су, слично као и компоненте рачунарског система, повезане (унутрашњим) магистралама. И унутрашње магистрале процесора састоје се од три група линија:

1. Линије за податке (магистрала података): обезбеђују двосмеран проток информација различите ширине. Ширина магистрале података је обично степен броја 2 (4, 8, 16, 32, 64). Ширина магистрале података (број линија за податке) одређује највећи број који је могуће поставити на линије за податке и може бити 2N-1 где је N ширина магистрале (за 4 је 15, за 8 је 255, за 16 је 65535 итд.)

2. Линије за адресирање (адресна магистрала): обезбеђују приступ локацијама у спољној меморији и меморијски мапираним улазно/излазним уређајима (то су уређаји којима се приступа као да су део меморијског простора – спољашње меморије). Ради уштеде броја линија за повезивање које на себи има кућиште процесора произвођачи понекад део линија користе и за проток података и за адресирање (мултиплексиране линије). Када ће линије имати једну или другу функцију одређује се линијама за контролу.

3. Линије за контролу (управљачка магистрала): обезбеђују синхронизацију догађаја унутар процесора са догађајима ван (приступ меморији, улазно/излазним уређајима и др.).

Организација процесора

Централни процесори обично садрже:

1. Управљачку јединицу (енгл. control unit), која управља радом осталих компоненти, у првом реду операционе јединице. Као део ове јединице обично се подразумева и генератор такта (иако је углавном засебна јединица) који генерише синхронизационе импулсе који усклађују рад свих компоненти рачунарског система. Фреквенција ових импулса представља радну фреквенцију процесора и изражава се у GHz.

2. Операциону јединицу (енгл. execution unit), која типично садржи:

Аритметичко-логичку јединицу (енгл. ALU – Arithmetic logic unit), која врши аритметичке и логичке операције.

Регистре, који служе за привремено складиштење података при извршавању програма (регистри опште намене), као и за чување информација о тренутном стању програма који се извршава (програмски бројач, показивач стека, прихватни регистар инструкције, програмска статусна реч и др.)

– Подсистем за везивање са меморијом и периферијама (унутрашње магистрале)

Савремени процесори имају и јединице за рад са бројевима у покретном зарезу, брзу интерну меморију (унутрашња кеш меморија, односно кеш меморија нивоа 1) итд. Постоје и тзв. суперскаларни процесори који имају више операционих јединица, што им омогућава да извршавају неколико инструкција истовремено, али је услов да те инструкције буду међусобно независне.

Архитектура процесора

Најзначајније разлике међу процесорима су у броју регистара, њиховој намени и међусобним везама. Број регистара и њихова организација директно утичу на листу наредби.

Најмањи скуп регистара потребних при програмирању био би:

  • Акумулатор: Регистар преко којег иду све аритметичко/логичке операције, операције читања и уписивања меморије и регистара. Спада у групу регистара опште намене и може их бити више од једног.

  • Адресни регистар: Регистар који садржи потребне податке за фоирмирање адресе меморијске локације којој процесор треба да приступи

  • Статусни регистар: Регистар који садржи резултате аритметичко/логичких операција, стања прекида извршавања програма. Број функција овог регистра зависи од сложености организације процесора

  • Програмски бројач: Показује адресу у меморији на којој се налази следећа инструкција.

  • Показивач стека: Регистар који садржи адресу прве слободне локације у делу меморије који се назива стек. Стек ради по принципу last in – first out, а користи се (углавном) за чување повратних адреса из потпрограма

Регистри недоступни при програмирању али неопходни за рад процесора били би:

  • Регистар инструкција: Место у које се уписује инструкција из програмске меморије.

  • Декодер инструкција: Декодира садржај регистра инструкција припремајући услове за извршавање.

  • Аритметичко логичка јединица: Са акумулатором као примарним регистром за манипулацију подацима омогућава аритметичке и логичке операције над садржајем акумулатора, регистара унутар процесора и меморије. Резултати операција најчешће остају у акумулатору а део је записан у статусном регистру (празан регистар, прекорачење, позајмица, негативно…)

  • Контрола времена извршавања: обезбеђује читање следеће инструкције, њено декодирање и извршавање. Утиче на стање све три магистрале (подаци, адресе, контрола).

По архитектури и скупу инструкција се деле и на:

1. Процесоре са комплексним скупом инструкција (енгл. CISC — Complex Instruction Set Computer), који имају јако велики скуп сложених инструкција, при чему за извршавање сваке од тих инструкција треба и по неколико (десетина) тактних интервала. Овакав скуп инструкција је обично „угоднији“ за програмирање, јер је програмирање сличније вишим програмским језицима, али генерално резултује мањом брзином извршавања.

2. Процесоре са редукованим скупом инструкција (енгл. RISC – Reduced Instruction Set Computer), који садрже мали број елементарних инструкција које се извршавају у свега неколико тактних интервала. Овакав скуп инструкција је сличнији машинском језику, па је и „незгоднији“ за програмирање, али генерално резултује већом брзином извршавања. Повећање величине радне меморије, као и развој компајлера су довели до тога да је данас RISC општеприхваћена филозофија у дизајну микропроцесора.

Организација меморијског простора

Процесор може да има јединствен или раздвојен меморијски простор за програм и за податке. У зависности од организације меморијског простора за ове две основне врсте садржаја доступних процесору користе се три архитектуре:

Харвард архитектура: меморијски простор за програм и податке је одвојен и може имати различите ширине приступних магистрала

Измењена Харвард архитектура: меморијски простор за програм и податке је одвојен али је могуће референцирање програмског дела меморије из меморијског простора за податке, односно могуће је програмском делу меморије приступати из дела за податке.

Фон Нојманова архитектура: меморијски простор за програм и податке је јединствен. Данас сви рачунари имају Фон Нојманову архитектуру.

Advertisements

Оставите одговор

Попуните детаље испод или притисните на иконицу да бисте се пријавили:

WordPress.com лого

Коментаришет користећи свој WordPress.com налог. Одјавите се / Промени )

Слика на Твитеру

Коментаришет користећи свој Twitter налог. Одјавите се / Промени )

Фејсбукова фотографија

Коментаришет користећи свој Facebook налог. Одјавите се / Промени )

Google+ photo

Коментаришет користећи свој Google+ налог. Одјавите се / Промени )

Повезивање са %s