Что такое разрядность процессора
Разрядностью процессора называется количество бит в обрабатываемых им числах, записанных в двоичной системе счисления. Эта техническая характеристика процессора является одной из самых важных, потому что определяет его быстродействие.
Поэтому для конструкторов так важно было увеличить разрядность процессоров. В современных персональных компьютерах работают 64-разрядные процессоры. Но так было не всегда, первые микропроцессоры Intel в 1970 году были всего лишь 4-разрядными.
Чтобы было понятнее, о чем идет речь, необходимо немного рассказать о том, что такое двоичная система счисления, что такое бит и как они связаны с разрядностью процессора.
Если не вдаваться в детали, компьютеры обрабатывают информацию, загружая числа в двоичной системе счисления из оперативной памяти в центральный процессор, обрабатывая их и записывая полученный результат обратно в память.
Основой компьютерной индустрии является двоичная система счисления. В обычной жизни мы привыкли использовать десятичную систему счисления, где все числа записываются десятью цифрами от 0 до 9. Двоичная система счисления использует для записи чисел всего две цифры: 0 и 1.
При хранении в памяти каждая цифра числа хранится в отдельной ячейке памяти. Эти единицы измерения информации в двоичной системе счисления называются битами.
Каждый процессор обрабатывает числа, которые имеют определенное количество разрядов. Разряд – это «рабочее место» цифры в числе. Например, в привычной нам десятичной системе счисления разряды называются десятками, сотнями, тысячами и так далее.
Чем больше у числа разрядов, тем больше это число. При этом каждая цифра числа записывается на месте, соответствующем ее разряду.
Каждый бит числа в двоичной форме используется для записи одного разряда этого числа. В каждой ячейке оперативной памяти процессора хранится один бит, хранящий один разряд числа. Получается, что для хранения больших чисел необходимо большое количество разрядов и памяти процессора под них.
Максимальное число разрядов и бит в числах, с которыми может работать процессор, называется разрядностью процессора.
Разрядность процессора в первую очередь влияет на скорость работы процессора с данными, потому что узким местом, сдерживающим рост скорости работы процессора, оказалась скорость передачи данных между процессором и памятью. А чем больше разрядов у передаваемых чисел, тем эти числа больше и тем больше информации передается за один раз между процессором и памятью, тем выше быстродействие процессора.
Что понимается под разрядностью микропроцессора
Основные характеристики микропроцессора
Микропроцессор характеризуется:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.
Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:
m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора — это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
Структура типового микропроцессора
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.
Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:
1. Нажать клавишу с буквой «А» на клавиатуре.
2. Поместить букву «А» в память микроЭВМ.
3. Вывести букву «А» на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.
На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.
Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.
В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе — команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть — операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда — в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.
В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока — регистры: аккумулятор и регистр команд.
Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор — это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.
Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду («Ввести данные») по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд «Из порта 1». Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду («Ввести данные из порта 1»).
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы «А» передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды «Запомнить данные» подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения «В ячейке памяти 200». МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда «Запомнить данные в ячейке памяти 200» выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы «А» передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы «А».
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда «В порт 10», который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт 10». С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы «А» (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А» выводится через порт 10 на экран дисплея.
В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.
Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.
Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
— выборку команд программы из основной памяти;
— дешифрацию команд;
— выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
— управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
— отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
— управление и координацию работы основных узлов МП.
Разрядность процессора — копаем в суть
Здравствуйте мои дорогие читатели, и я продолжаю цикл наших бесед, посвященных сердцу любого компьютера. Сегодня предметом обсуждения будет разрядность процессора. Возможно, некоторые из вас и не обращали внимания на данный показатель, и даже успешно пользовались компьютером без этой информации. Но раз уж вы решили повысит уровень своих знаний, то давайте разберемся, что это такое, на что она влияет.
Для того чтобы максимально приблизится к пониманию процесса я считаю необходимым вспомнить некоторые понятия.
Информация в процессоре представлена в виде цифрового двоичного кода, который в свою очередь выглядит в виде серии импульсов с определенной последовательностью сигналов (есть напряжение –«1», нет – «0»). Один импульс – это бит информации.
Сигналы, поступают на транзисторы логических схем кристалла с определенной тактовой частотой. Если чип будет считывать отдельно каждый бит, то это будет очень долго и неудобно. Гораздо проще за один такт обработать один или несколько символов, представляющий в себе вполне конкретную информацию.
Чтобы процессору было удобнее оперировать данными, в нем специально выделяют регистры для записи объема информации, обрабатываемого ЦП за один такт. В каждом из них помещаться набор из 4, 8, 16, 32 или 64–х знаков кода, называемых «машинным словом».
Постараюсь описать этот процесс простыми словами и понятной аналогией. Это как учить читать ребенка, начавшего изучать алфавит. По буквам – долго и непонятно, а вот по слогам – проще. Причем, сначала малышу предлагают слова, специально разделенные на одно- двухбуквенные слоги. А когда он освоит этот навык – можно читать что-то посложнее, складывая слоги их трех-четырех букв.
Точно так же, инженеры в течение многих лет совершенствуют микропроцессоры, продолжая «обучать» их читать более длинные «машинные слова». Но для использования в технической документации такой термин не самый лучший вариант.
Поэтому величину, означающую размер блока информации, обрабатываемую CPU за один такт, назвали разрядность процессора. Этот параметр, так же как и «слово», измеряется в битах.
Прогресс разрядности процессоров
Самым первым серийным чипом стал 4-х разрядный Intel 4004, предназначенный исключительно для калькуляторов. С помощью комбинации из 4-х нулей или единиц можно было закодировать 2^4=16 символов. И этого с головой хватало для 10 цифр и 6-и знаков основных арифметических действий.
Я не зря привел пример с расчетом, чтобы показать, что в реальности, для эффективной работы ЦП в компьютерах, необходима большая разрядность. Ведь даже 8-и битные процессоры имеют существенные ограничения.
Поэтому чипмейкеры активно работали не только над технологией обработки кварцевых кристаллов, но и над микроархитектурой, представляющей собой систему взаимодействия отдельных компонентов процессора и обрабатываемых данных.
В итоге в 1978 году появился первый 16-и битный процессор 8086, работающей на архитектуре x86, которая оказалась весьма успешной, поскольку обладала огромными возможностями для постоянного совершенствования и доработки.
Ее третье поколение позволило в 1985 году создать 32-бинтный процессор Intel 80386. Работающий уже на архитектуре IA-32.
Прогресс не стоит на месте
Сама система x86 с начала своего существования регулярно получала всевозможные расширения, которые добавляли все новые возможности. А потребность в этом была постоянная: объемы обрабатываемых данных и размеры используемых файлов постоянно росли. И в решении сложных задач 32-разрядные процессоры уже были бессильны (блок объемом свыше 4 Гб в регистр ЦПУ уже не помещался).
«Интел» попыталась создать новую архитектуру IA-64 с обратной совместимостью, но скорость ее работы была неудовлетворительна.
Их прямые конкуренты, компания AMD, в решении этой проблемы достигли большего успеха. Они пошли проверенным путем. И в 2003 г ввели новое расширение для 32-битной архитектуры, назвав его AMD64.
Решение, реализованное в процессорах Opteron, Athlon 64 и Turion 64 оказалось настолько удачным, что Intel приобрели лицензию на набор управляющих инструкций. На базе этого уже создали свой продукт: архитектуру EM64T. Которая на сегодня используется во всех их процессорах.
Такие инновации позволили не только ускорить работу самого процессора. Но и дали возможность использовать шину памяти для перемещения файлов практически неограниченного объема.
Зная, что 64-разрядный процессор – это более прогрессивное решение, вы наверняка захотите выяснить, является ли таковым CPU, установленный на вашем компьютере. Я подскажу вам, где посмотреть эту информацию.
В последних версиях Windows сделать это можно, открыв параметры системы где указана разрядность ОС и процессора, которые могут отличаться. Если ваш комп не слишком древний, то скорей всего вы убедитесь что ЦП на нем современный. Также удобно для этой цели использовать небольшую программку CPU-Z , которая предоставит много подробной информации по процессору (в т.ч. и обозначение управляющих инструкций).
На что влияет разрядность ОС и процесора
И здесь у многих часто возникает вопрос: «Проц у меня 64-х битный, а операционная система на компе 32-х битная. Это что же получается, я не эффективно использую возможности железа моего компьютера?». Однозначно я вам не отвечу. Да это так.
А вот нюансы 32х битной ОС:
- Большинство популярных программ и приложений для ПК предлагаются для установки (скачивания) либо в двух версиях, либо являются универсальными. И успешно работают в системах с любой разрядностью. Даже Винда, предлагается к установке в 32-х или 64-х битном виде. Почему до сих пор популярны оба варианта? Об этом дальше;
- Такая ОС не видит оперативную память, объемом свыше 4 Гиг. Но есть в 32-битной системе очевидные преимущества: она обрабатывает информацию меньшими порциями. А это значит на считывание и передачу одного машинного слова будет затрачено меньше времени. Это позволяет более эффективно работать с памятью. А так же с простыми приложениями и небольшими файлами;
64-разрядная система – отличный вариант для игр, обработки видео и прочих емких программ. Но для нее лучше иметь ОЗУ с запасом. Почему? Да потому что она потребляет больше ресурсов. Ведь КПД использования его пространства такой операционкой может оказаться ниже чем у 32 битной;
Теперь, когда вы определили свои предпочтения по ОС, вернемся к разрядности процессора. Если она 32-битная, то можно установить только соответствующую систему. Если у вас 64-разрядный CPU, можете ставить любую версию операционки. Но не забывайте об объеме RAM.
На этом наше знакомство с разрядностью процессора закончено. Надеюсь, вы теперь сможете блеснуть своими знаниями по этой теме даже в беседе со специалистами.