1) Тактовой частотой (тактовая частота, при которой способен работать МП) определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в МП.
Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие. Более того, некоторые авторы под быстродействием понимают именно тактовую частоту, что в корне неверно. Тактовые частоты современных МП колеблются в пределах единиц — десятков МГц.
2) Разрядность МП —максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие «разрядность» включает:
- разрядность внутренних регистров МП (m);
- разрядность шины данных (n);
- разрядность шины адреса (k).
Исходя из этого, разрядность будем обозначать в виде m/n/k. Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Мы уже использовали и будем иногда использовать только этот показатель.
От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устр-вами. Например, для МП с разрядностью 16/16/20 скорость передачи информации (если нет других ограничений) в два раза выше, чем для МП с разрядностью 16/8/20. Однако в последнем случае упрощается управление шиной и предоставляется возможность использовать более простые ПУ. Разрядность шины адреса определяет адресное проостр-во МП, т.е. максимальное число полей ( обычно байтов, где 1 байт — 8 бит) памяти, к которым можно осуществить доступ.
Очевидно, адресное простр-во составляет 2k, при k= 20 получим 1 Мбайт (1 Мб = 210 Кб = 1024 Кб, 1 Кб = 210 байт = 1024 байт). Реальная память машины может иметь меньший объем.
3) Архитектура МП — (аналогично архитектуре ЭВМ) емкое понятие. Толкование неоднозначно. Часто — архитектуру МП называют организацию (с т.зрения пользователя). В таком понимании описание архитектуры включает описание пользовательских возможностей программирования (в частности, состава регистров МП), системы команд, способов адресации, (логической) организации памяти, средств ввода-вывода и типов обрабатываемых данных. С этой т. зрения архитектуры МП считаются одинаковыми, если последние способны выполнять одни и те же программы. Реализации же одной и той же архитектуры могут отличаться одна от другой как на уровне физических компонентов аппаратных средств, так и на уровне способов реализации узлов МП. Иными словами, детали реализации, невидимые для пользователя, не оказывают влияния на архитектуру.
В контексте же аппаратных средств под термином «архитектура МП» понимают принцип действия МП, конфигурацию (состав) и взаимное соединение основных его узлов.
Мы будем рассматривать архитектуру МП, понимая ее в широком смысле, В этом случает ограничим рассмотрение арх-ры следующими элементами:
1) системой команд и способами адресации;
2) возможностью смещение выполнения команд во времени;
3) наличием дополнительных узлов и устройств в составе МП;
4) режимами работы МП.
Система команд — совокупность команд, которое способен выполнять МП. Она включает полный список кодов опций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимы способы их адресации.
Способы адресации определяют технику вычисления адресов ячеек памяти ( в которых хранятся операнды) и выполнения опций над адресными регистрами. Способы адресации разработаны и используются с целью обеспечения компактных адресных ссылок для случаев, когда машинный адрес имеет слишком большую длину и его неудобно включать в таком виде в команду, либо когда невозможно (например, при переборе последовательных ячеек памяти в цикле) или просто нет необходимости использовать явный адрес.
В соответствии с составом системы команд различают:
1) МП с CISC -архитектурой (CISC — complex instruction set computer — компьютер со сложной системой команд);
2) МП с RISC -архитектурой (RISC — reduced instruction set computer — компьютер с сокращенной системой команд);
МП первого типа: традиционные, их система команд включает большое кол-во команд для выполнения арифметических и логических оп-ций, команд управления, пересылки и ввода-вывода данных.
Система команд МП 2-го типа упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за единственный такт ( по единственному тактовому импульсу). Такой подход позволяет упростить структуру МП и тем самым повысить его быстродействие. Традиционные опции при этом реализуются последовательностями элементарных машинных опций.
По функциональному назначению: МП делятся на универсальные и специализированные.
Универсальные МП способны реализовывать любой алгоритм, который предварительно кодируется в системе команд данного МП. Они используются в качестве основных процессоров микроЭВМ. Следует отметить, что большинство универсальных МП аппаратно поддерживает только целочисленную арифметику. Арифметика же с плав.точкой реализуется на них программно.
Специализированные МП служат для решения задач определенного класса. Приборы этого типа используются в качестве сопроцессоров, дополняющих основные процессоры, и выполняют роль акселераторов (ускорителей). Сопроцессор расширяет набор команд ЭВМ. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он передает управление сопроцессору с целью ее выполнения.
Деление МП на CISC и RISC, а также на универсальные и специализированные, находятся в разных плоскостях и никоим образом между собой не связаны. Однако в ПЭВМ в качестве основных используются универсальные CISC-МП, в то время как мощные АРМ оснащаются МП с RISC-архитектурой.
Некоторые наиболее развитые МП обеспечивают совмещение выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейерную обработку. Эта архитектурная особенность оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ. (дописать MISK).
На кристалле МП могут быть размещены дополнительные устройства ( для повышения производительности ПЭВМ, уменьшения ее габаритов, предотвращения несанкционированного доступа и расширения функциональных возможностей), в том числе:
1) система управления шиной;
2) кэш-память;
3) средства поддержки виртуальной памяти;
4) средства защиты памяти.
Кэш-память — буфер между процессором и менее быстродействующей ОП. Действительно, при несогласованности быстродействия МП и ОП в случае обращения к последней МП будет простаивать один или несколько тактов, что снизит производительность ПЭВМ. При наличии быстродействующей кэш-памяти МП непосредственно обменивается информаций именно с ней. Эта память, в свою очередь, соу3ществляет обмен с ОП. При такой организации простой МП возможен только в в случаях, когда требуемая им информация в кэш-памяти отсутствует (нужна подкачка в кэш из ОП) или когда выводимая им информация не может быть размещена в кэш-памяти по причине ее заполненности (требуется выгрузка содержимого КЭШа в ОП). Свойства локальности данных позволяет сократить время простоя МП. В простейшем случае в кэш-памяти сохраняется информация, извлеченная при последних обращениях к ОП.
Большинство современных МП обеспечивает управления виртуальной памятью. Виртуальным наз. Ресурс, который пользовательской программе представляется обладающим свойствами, отличными от тех, которые он в действительности имеет. В случае виртуальной памяти пользовательской программе предоставляется возможность работать с адресным пр-вом, существенно превышающим объем реальной адресуемой памяти. Вирт. Память используется «совместными усилиями» аппаратных средств и ОС. При этом содержимое вирт.памяти распределяется между внешней памятью (напр. Магн.дисками) и ОЗУ. В последнем находится только часть содержимого вирт.памяти, используемая в данный момент процессором. Если запрашиваемой области виртуальной памяти в данный момент в ОЗУ нет, то осуществляется подкачка из внешней памяти с возможной выгрузкой в нее части содержимого ОЗУ. Интересно, что обо всем этом пользовательская программа ничего не «знает» (т.к. с точки зрения программиста вирт.память существует в действительности). Такая организация памяти позволяет существенно снизить требования к размеру программы и области ее данных, которые должны помещаться в ОП. Обмен между ОЗУ и ВЗУ может осуществляться страницами (областями фиксированного размера) или сегментами (областями переменой длины).
Средства защиты памяти позволяют предотвратить некорректное вмешательство пользовательской программы в области ОЗУ, занятые другими программами. Эти средства наряду с другими средствами являются крайне желательными в случаях, когда в ОЗУ требуется хранить одновременно несколько программ.
Архитектуры МП и ПЭВМ в целом определяют допустимые режимы работы машины. Важнейшим фактором при этом являются возможности МП. Использование же предоставляемых аппаратными средствами режимов зависит от свойств ОС. В настоящее время МП поддерживают широкий спектр режимов работы, среди которых:
1) однопрограммный режим;
2) многопрограммный режим; 3) система виртуальных машин.
В однопрограммном режиме в каждый момент времени может находиться в ОЗУ и выполняться только одна пользовательская программа.
В многопрограммном режиме обеспечивается хранение в ОЗУ нескольких программ и попеременное их выполнение с той или иной дисциплиной обслуживания, что целесообразно главным образом (но не только) при возможности совмещения во времени счета в МП и операций ввода-вывода. На основе многопрограммного режима работы МП могут быть организованы однопользовательский многопрограммный, а при наличии соответствующих аппаратных средств — и многопользовательский многопрограммный режим работы ПЭВМ.
Система виртуальных машин является дальнейшим развитием мультипрограммирования, основной признак которого — возможность одновременной работы нескольких ОС.
Что означает термин «быстродействие МП»? К определению этой характеристики в настоящее время надо относиться с большой осторожностью. Общепризнанной интегральной оценки быстродействия МП не существует. Часто для количественного выражения быстродействия приводят число коротких опций, которые могут быть выполнены в единицу времени. Под короткой операцией понимается простейшая команда типа сложения содержимого двух регистров. Реальные МП с CISC-архитектурой выполняют такие инструкции за 4-5 тактов (конечно, без учета конвейеризации). Поэтому, зная тактовую частоту МП, можно ориентировочно оценить его быстродействие. Мы будем использовать именно такую трактовку быстродействия.
Резюме: Быстродействие МП определяется сочетанием почти всех рассмотренных его характеристик.
