Микропроцессор в основном характеризуется:

1) тактовой частотой, то есть количеством импульсов, создаваемых генератором за одну секунду [1; c.3].

Работа всех устройств микропроцессора синхронизируется, т.е. согласовывается благодаря электрическим импульсам тактовой частоты, вырабатываемых специальной микросхемой, называемой тактовым генератором. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц, млн. тактов в секунду). За время каждого такта микропроцессор выполняет одну элементарную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор и выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией-производителем. Существует возможность некоторого увеличения тактовой частоты процессора пользователем путём перестановки специальных перемычек на материнской плате либо изменением настроек в программе конфигурации компьютера, однако делать это без крайней нужды не следует по ряду причин: фирма- производитель назначает тактовую частоту оборудования не произвольно, а так, чтобы компьютер работал с максимальной скоростью устойчиво, без сбоев. Современные микропроцессоры, работая на полной мощности, выделяют до 70- 130 Вт тепловой энергии и их оснащают массивными радиаторами и вентиляторами, чтобы обеспечить оптимальный для этих микросхем тепловой режим, составляющий 50 - 60оС. При произвольном увеличении тактовой частоты процессора владельцем компьютера (так называемый "разгон процессора", overclocking) система охлаждения может не справиться с растущим тепловыделением и процессор будет работать в неблагоприятном режиме повышенных температур, ускоряющем выработку ресурса микросхемы и сокращающем продолжительности его работы.

Средний срок службы обычной интегральной схемы составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C. Для современных процессоров (в частности Phenom и Penryn), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой, чем "среднестатистическая" микросхема, средний срок службы сокращается ещё быстрее и составляет не более 1000-1500 ч при подъёме температуры от оптимальной до 85-90°C.

При опасном перегреве микропроцессора (около 90оС) начинаются перебои в его работе либо полный выход из строя. В микропроцессорах предусмотрена защита от перегрева (интегрированный в ядро процессора термодиод), поддерживаемая BIOS и материнской платой, на которую устанавливается процессор, своевременно выключающая электропитание процессора и сберегающая его от сгорания в случае неосторожного разгона или отказа системы охлаждения. На процессорах Intel, дополнительно к полному отключению электропитания, предусмотрена также более мягкая защита, обеспечивающая в случае опасного подъёма температуры (до 70-80оС) отработку процессором "пустых тактов" (Thermal Throttling), т.е. кристалл начинает работать через такт, снижая свою производительность приблизительно на 50%, остывая и не прекращая работы.

Как следует из сказанного, на современных персональных компьютерах при чрезмерном повышении тактовой частоты микропроцессора пользователь взамен ожидаемого роста производительности получает либо снижение скорости работы, либо сокращение срока службы машины и перебои в работе, либо лишается её совсем.

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Информация внутри компьютера представлена в виде двоичных чисел, т.е. сочетаний логических единиц и нулей, называемых битами (1 бит- один двоичный разряд, 1 или 0). Между устройствами компьютера данные передаются не сплошным потоком, а порциями- машинными словами, одно машинное слово передаётся за один такт работы компьютера. Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:

1. разрядность регистров микропроцессора;

2. разрядность шины данных;

3. разрядность шины адреса [5; c.33].

Разрядность регистров - это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин "разрядность микропроцессора", то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.

Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных - это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина "внешнего машинного слова". Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать.

Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины.

3) архитектурой, т.е. логической организацией микропроцессора, однозначно определяющей свойства, особенности и возможности построения вычислительной системы на базе данного микропроцессора.

Современные микропроцессоры, при всем разнообразии их типов, моделей и производителей, имеют одну из трех типов архитектуры: CISC, RISC и MISC (это относится к микропроцессорам универсального, а не специального применения).

Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computer) - командо-комплексная система управления компьютером. Отличается повышенной гибкостью и расширенными возможностями РС, выполненного на микропроцессоре, и характеризуется:

1) большим числом различных по длине и формату команд;

2) использованием различных систем адресации;

3) сложной кодировкой команд.

Архитектура RISC (Reduced Instrucktion Set Computer) - командо-однородная система управления компьютером, имеет свои особенности:

1) использует систему команд упрощенного типа: все команды имеют одинаковый формат с простой кодировкой, обращение к памяти осуществляется командами загрузки (данных из ОЗУ в регистр микропроцессора) и записи (данных из регистра микропроцессора в память), остальные используемые команды - формата регистр-регистр;

2) при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота и меньшая степень интеграции СБИС VLSI;

3) команда меньше нагружает ОЗУ;

4) отладка программ на RISC более сложна, чем на CISC;

5) с архитектурой CISC программно несовместима.

Архитектура MISC (Multipurpose Instruction Set Computer) - многоцелевая командная система управления компьютером, сочетает в себе преимущества CISC и RISC. Элементная база состоит из отдельных частей (могут быть объединены в одном корпусе): основная часть (HOST - ведущая), архитектуры RISC CPU, а расширяемая часть - с подключением ПЗУ (ROM) микропрограммного управления. При этом вычислительная система приобретает свойства CISC: - основные команды работают на HOST, а команды расширения образуют адрес микропрограммы для своего выполнения. HOST выполняет команды за один такт, а расширение эквивалентно CPU со сложным набором команд (CISC). Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, связанный с тем, что при компиляции с языка высокого уровня код операции (микропрограмма) уже дешифрирована и открыта для программиста.

4) Быстродействием микpопpоцессоpа, то есть числом элементарных операций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу времени (операции/секунда) [2; c.21].

Быстродействие микропроцессоров в наиболее общем смысле быстродействие МП, так же, как и любых цифровых вычислительных средств, определяется как средняя скорость выполнения некоторого алгоритма, состав команд которого представляет собой смесь, отражающую специфику класса решаемых задач. Смеси для различных классов задач составляются на основе статистического обобщения команд всех характерных для данного класса алгоритмов.

Однако необходимо учитывать, что полученное таким образом значение носит усредненный характер и может отличаться от значения, полученного для конкретной задачи.

Из-за трудности количественного определения быстродействия в приведенном выше смысле на практике пользуются менее общим, но более доступным упрощенным понятием. Также употребимы понятия времени цикла и тактовой частоты, косвенно связанные с быстродействием.

Чаще всего быстродействие МП характеризуется временем или скоростью выполнения короткой операции сложения содержимого регистра R с содержимым аккумулятора с последующей пересылкой результата в регистр R (операция типа RJR), хотя в литературе встречаются и другие определения. Однако сравнение МП по быстродействию в приведенном смысле не может считаться корректным в произвольном случае и, больше того, нередко приводит к заблуждениям. Дело в том, что алгоритмы выполняемых задач, отражая специфику самих задач, могут содержать различное количество операций типа RR, время выполнения которых в данном случае принято за быстродействие. К тому же, сам МП может быть ориентирован, как уже отмечалось, на выполнение различных алгоритмов, в которых удельный вес операции сложения может быть практически любым.

Таким образом, по скорости выполнения операции RR можно судить только о быстродействии универсальных МП, а сравнивать по этой характеристике можно лишь функционально одинаковые МП при решении ими одной и той же задачи [4].

Временем цикла или обращения принято называть период времени, затрачиваемый МП на обращение к одному слову в памяти. Это время может определяться быстродействием как самого МП, так и запоминающего устройства.

2. Основные типы данных микропроцессора

Непосредственные данные, представляющие собой числовые или символьные значения, являющиеся частью команды.

Данные простого типа, описываемые с помощью ограниченного набора директив резервирования памяти, позволяющих выполнить самые элементарные операции по размещению и инициализации числовой и символьной информации. При обработке этих директив сохраняется в таблице символов информация о местоположении данных (значения сегментной составляющей адреса и смещения) и типе данных, то есть единицах памяти, выделяемых для размещения данных в соответствии с директивой резервирования и инициализации данных.

Эти два типа данных являются элементарными, или базовыми; работа с ними поддерживается на уровне системы команд микропроцессора. Используя данные этих типов, можно формализовать и запрограммировать практически любую задачу. Но насколько это будет удобно -- вот вопрос.

Данные сложного типа, которые были введены с целью облегчения разработки программ. Сложные типы данных строятся на основе базовых типов, которые являются как бы кирпичиками для их построения. Введение сложных типов данных позволяет несколько сгладить различия между языками разных уровней. У программиста появляется возможность сочетания преимуществ языка разных уровней (в направлении абстракции данных), что в конечном итоге повышает эффективность конечной программы [3; c.69].

Обработка информации, в общем случае, процесс очень сложный. Это косвенно подтверждает популярность языков высокого уровня. Одно из несомненных достоинств языков высокого уровня -- поддержка развитых структур данных. При их использовании программист освобождается от решения конкретных проблем, связанных с представлением числовых или символьных данных, и получает возможность оперировать информацией, структура которой в большей степени отражает особенности предметной области решаемой задачи. В то же самое время, чем выше уровень такой абстракции данных от конкретного их представления в компьютере, тем большая нагрузка ложится на компилятор с целью создания действительно эффективного кода. Ведь нам уже известно, что в конечном итоге все написанное на языке высокого уровня в компьютере будет представлено на уровне машинных команд, работающих только с базовыми типами данных. Таким образом, самая эффективная программа -- программа, написанная в машинных кодах, но писать сегодня большую программу в машинных кодах -- занятие не имеющее слишком большого смысла.

Понятие простого типа данных носит двойственный характер. С точки зрения размерности (физическая интерпретация), микропроцессор аппаратно поддерживает следующие основные типы данных (рис. 1):

байт -- восемь последовательно расположенных битов, пронумерованных от 0 до 7, при этом бит 0 является самым младшим значащим битом;

слово -- последовательность из двух байт, имеющих последовательные адреса. Размер слова -- 16 бит; биты в слове нумеруются от 0 до 15. Байт, содержащий нулевой бит, называется младшим байтом, а байт, содержащий 15-й бит - старшим байтом. Микропроцессоры имеют важную особенность -- младший байт всегда хранится по меньшему адресу. Адресом слова считается адрес его младшего байта. Адрес старшего байта может быть использован для доступа к старшей половине слова.

двойное слово -- последовательность из четырех байт (32 бита), расположенных по последовательным адресам. Нумерация этих бит производится от 0 до 31. Слово, содержащее нулевой бит, называется младшим словом, а слово, содержащее 31-й бит, - старшим словом. Младшее слово хранится по меньшему адресу. Адресом двойного слова считается адрес его младшего слова. Адрес старшего слова может быть использован для доступа к старшей половине двойного слова.

учетверенное слово -- последовательность из восьми байт (64 бита), расположенных по последовательным адресам. Нумерация бит производится от 0 до 63. Двойное слово, содержащее нулевой бит, называется младшим двойным словом, а двойное слово, содержащее 63-й бит, -- старшим двойным словом. Младшее двойное слово хранится по меньшему адресу. Адресом учетверенного слова считается адрес его младшего двойного слова. Адрес старшего двойного слова может быть использован для доступа к старшей половине учетверенного слова [1; c.105].

Рис. 1. Основные типы данных микропроцессора

Кроме трактовки типов данных с точки зрения их разрядности, микропроцессор на уровне команд поддерживает логическую интерпретацию этих типов (рис. 2):

Целый тип со знаком -- двоичное значение со знаком, размером 8, 16 или 32 бита. Знак в этом двоичном числе содержится в 7, 15 или 31-м бите соответственно. Ноль в этих битах в операндах соответствует положительному числу, а единица -- отрицательному. Отрицательные числа представляются в дополнительном коде. Числовые диапазоны для этого типа данных следующие:

8-разрядное целое -- от -128 до +127;

16-разрядное целое -- от -32 768 до +32 767;

32-разрядное целое -- от -231 до +231-1.

Рис. 2. Основные логические типы данных микропроцессора

Целый тип без знака -- двоичное значение без знака, размером 8, 16 или 32 бита. Числовой диапазон для этого типа следующий:

байт -- от 0 до 255;

слово -- от 0 до 65 535;

двойное слово -- от 0 до 232-1.

Указатель на память двух типов:

ближнего типа -- 32-разрядный логический адрес, представляющий собой относительное смещение в байтах от начала сегмента. Эти указатели могут также использоваться в сплошной (плоской) модели памяти, где сегментные составляющие одинаковы;

дальнего типа -- 48-разрядный логический адрес, состоящий из двух частей: 16-разрядной сегментной части -- селектора, и 32-разрядного смещения.

Цепочка -- представляющая собой некоторый непрерывный набор байтов, слов или двойных слов максимальной длины до 4 Гбайт.

Битовое поле представляет собой непрерывную последовательность бит, в которой каждый бит является независимым и может рассматриваться как отдельная переменная. Битовое поле может начинаться с любого бита любого байта и содержать до 32 бит.

Неупакованный двоично-десятичный тип -- байтовое представление десятичной цифры от 0 до 9. Неупакованные десятичные числа хранятся как байтовые значения без знака по одной цифре в каждом байте. Значение цифры определяется младшим полубайтом [5; c.33].

Упакованный двоично-десятичный тип представляет собой упакованное представление двух десятичных цифр от 0 до 9 в одном байте. Каждая цифра хранится в своем полубайте. Цифра в старшем полубайте (биты 4-7) является старшей.

Заключение