ВНИМАНИЕ. Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

Основная функция процессора складывается из двух компонентов — собственно действия по обработке данных и управление последовательностью выполнения таких действий. Процессор вычислительной машины «умеет» выполнять определенный набор простейших, элементарных действий по обработке информации. Например, он может выполнить сложение, вычитание, умножение, деление двух чисел, закрепить за какой-нибудь рассматриваемой величиной ее новое текущее значение, увеличить текущее значение величины на единицу, сравнить одно число с другим числом, один символ текста с другим символом и выяснить, совпадают они или нет и т. д. Весь набор действий, которые могут быть выполнены процессором, называется системой команд данного процессора. Процессоры разных машин обладают различными системами команд. Система команд процессора фактически определяет модель компьютера.

Например, возможности входящего в состав обычного микрокалькулятора «процессора» очень ограничены. Его система команд состоит из небольшого количества команд. Так, у самого простого арифметического калькулятора система команд состоит из четырех-пяти команд: вычисление суммы, разности, произведения и частного от деления двух чисел. А в так называемых инженерных микрокалькуляторах система команд шире, с их помощью можно выполнять достаточно сложные инженерные расчеты — вычислять логарифмы, синусы, запоминать одно или несколько чисел, участвующих в вычислениях, и т. д. Процессоры современных персональных компьютеров обладают системой команд, содержащей свыше 1000 различных команд.

Указание процессору на выполнение одного из элементарных действий называется машинной командой. Конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает необходимую обработку информации, образует программу, записанную на уровне машинного языка. Машинные команды, а следовательно, и любая их последовательность, образующая ту или иную программу, так же как и любая другая информация в ЭВМ, определенным образом кодируются последовательностями двоичных цифр. Например, действие закрепления единичного значения за какой-либо величиной (i:=l), которое встретилось в рассмотренном во второй главе алгоритме, может быть задано машинной командой с кодом 1011 0001 000 0001₂ (В101₁₆). А встретившееся там же действие увеличения текущего значения величины на единицу (i:=i+l) может быть записано в виде команды с машинным кодом 1111 1110 1100 0001₂ (FE С1₁₆). Конкретные последовательности таких кодов как раз и образуют программы в их «естественном» машинном виде. Это именно тот способ записи программ, который «понимается» процессором. Программы, представленные именно в таком виде, выполняются процессором компьютера. Все остальные способы записи программ являются промежуточными, или вспомогательными.

Оказывается, что решение любой сколь угодно сложной задачи по обработке данных (если она может быть решена в принципе) складывается из таких простейших действий, которые могут быть заданы машинными командами. Нужно только до мельчайших подробностей, до уровня машинных команд, разработать алгоритм решения задачи. Другими словами, нужно определить, в какой последовательности и над какими данными процессор должен выполнять команды. Именно в форме машинных команд вынуждены были писать свои программы программисты, работавшие с машинами первого поколения. Затем были разработаны специальные алгоритмические языки, такие как Фортран, Алгол-60, Паскаль, Си и целый ряд других. Алгоритмы решения задач по обработке данных на этих языках записываются в более привычном для человека виде, в терминах специально подобранных слов и обозначений, которые обеспечивают алгоритму все необходимые для него свойства (однозначность, конечность и т. д.). Алгоритм, записанный на одном из алгоритмических языков, также называется программой. Затем специальные программы — трансляторы (translate — переводить) — осуществляют автоматический перевод текста алгоритма на машинный язык, на уровень двоичных кодов. Полученная таким образом машинная программа может быть выполнена процессором. Как мы уже отмечали ранее, разработку алгоритмов решения задач и запись их на уровне алгоритмического языка осуществляют высококвалифицированные специалисты в области информатики, возможно, в тесном контакте со специалистами в той области, для которой разрабатывается программа.

Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти — регистровый. Регистр — это устройство для кратковременного хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устройство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машинной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего один-два десятка регистров.

Схема выполнения программы процессором довольно проста. Процессор по очереди (начиная с первой) выбирает (читает) из оперативной памяти машинные команды, из которых состоит программа. Напоминаем, что программа, которую нужно выполнить, должна находиться в оперативной памяти! Прочитав очередную команду, процессор по ее коду определяет, какое именно действие должно быть выполнено (сложение, умножение, сравнение и т. д.) и где взять данные, которые должны быть обработаны (над которыми должно быть выполнено заданное действие). Затем указанные данные считываются из оперативной или регистровой памяти и над ними выполняется нужное действие. Далее процессор, если это определено в команде, записывает результат обработки назад в оперативную или регистровую память. После чего цикл выполнения команды повторяется — вновь считывание очередной команды из оперативной памяти, ее расшифровка, выполнение действий, запись результата и т. д. Этот цикл работы процессора выполняется до обнаружения в программе специальной команды, предписывающей ему прекращение действий.

Процессоры вычислительных машин характеризуются рядом параметров. Основными считаются: тактовая частота и длина машинного слова. Кратко рассмотрим эти характеристики. Компьютер состоит из различных устройств, и для выполнения любой программы эти устройства должны работать согласованно. Можно провести аналогию между компьютером и оркестром, состоящим из ряда музыкальных инструментов. Для того чтобы оркестр смог исполнить какую-либо мелодию, музыканты должны играть синхронно друг с другом. В оркестре функцию синхронизации игры музыкантов выполняет дирижер, который в определенном ритме делает взмахи дирижерской палочкой. Точно такую же роль играет в компьютере генератор тактовых импульсов,который с определенной частотой вырабатывает специальные сигналы — тактовые импульсы, поступающие на все остальные устройства компьютера и таким образом синхронизирующие их работу.

ВН ИМАНИЕ

Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором в секунду, называется тактовой частотой компьютера.

Тактовая частота различных процессоров, даже одной и той же модели, может изменяться в широких пределах. Процессор выполняет каждую машинную команду программы за определенное число тактов. Скажем, операция сложения в ее простейшем варианте выполняется за два такта. А вот операция деления может занять и 25 тактов. Таким образом, можно сделать следующий вывод: чем выше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. В настоящее время персональные компьютеры работают с тактовыми частотами от нескольких сотен мегагерц (один мегагерц — это один миллион тактов в секунду) до нескольких гигагерц (один гигагерц — это один миллиард тактов в секунду). Как мы только что выяснили, скорость работы — быстродействие — компьютера тесно связана с его тактовой частотой и определяется количеством команд (операций), выполняемых компьютером за одну секунду. Одновременно мы выяснили, что быстродействие зависит и от выполняющейся программы, от того, какие команды — сложения или, скажем, деления -в ней преобладают. Если взять программу, в которой имеются только команды типа сложения, выполняющиеся за два такта, тогда быстродействие процессора с тактовой частотой в 50 мегагерц оценивается в 25 миллионов операций в секунду. Если же преобладают команды типа деления, то быстродействие будет равно только 2 миллионам операций в секунду. Поэтому быстродействие определяют на специальных тестовых программах. Эта характеристика, в силу ее зависимости не только от процессора, но и от программы, в настоящее время используется все реже.

Вычислительная мощность компьютера определяется также количеством байтов, которые могут быть одновременно обработаны процессором. Чем больше это количество, тем больше информации в единицу времени может быть обработано.