Organizacija procesora

Uvod

Procesor (CPU – Central Processing Unit) je dio računarskog sistema koji izvršava naredbu kompjuterskog programa, i on je primarni element koji izvršava kompjutersku funkciju. Centralna procesorska jedinica obavlja sve naredbe programa u nizu, da bi izvela osnovne aritmetičke, logičke i ulazno/izlazne operacije sistema. Ovaj termin je u upotrebi u kompjuterskoj industriji bar od ranih 1960-ih godina. Oblik, dizajn i implementacija procesora se dramatično promenila od najranijih primera, ali njihova osnovna operacija ostaje ista.

Brzina procesora je broj operacija koje procesor može da obradi u jednoj sekundi. Izražava se u MIPS (Milion Instruction Per Second) ili u MFLOPS (Milion Floating Point Operations Per Second), a ne u MHz, kako se standardno označavaju. Na starim računarima postojao je i matematički koprecesor, koji je omogućavao operacije sa decimalnim brojevima, a danas je to sastavni deo centralnog procesora.

Prvi koji je predlozio pamćenje niza instrukcija instrukcija u istoj memoriji gde se nalaze i podaci, bio je madjar John von Neumann. On je to napisao 1945. godine u svom “Prvom nacrtu izveštaja o EDVAC-u”. Procesor se može podeliti na četiri glavna elementa.
Ti elementi su:

• Adresna jedinica (Address Unit) koja ima zadatak da upravlja pristupom memoriji i njenom zaštitom. Na primer ona proverava da li je dozvoljen pristup određenoj zoni memorije, što može da bude izuzetno značajno u multitasking okruženjima.

• Jedinica magistrala ili ulazno izlazna jedinica (BUS Unit) predstavlja mesto preko koga se mikroprocesor povezuje sa spoljašnjim svetom, to jest prima i šalje podatke. Ova jedinica takođe pristupa instrukcijama koje se nalaze u memoriji.

• Instrukcijska jedinica (Istruction Unit) prihvata instrukcije koje dolaze iz jedinice magistrala i dekoduje ih (prepoznaje ih), pa ih u odgovarajućem formatu šalje u izvršnu jedinicu.
• Izvršna jedinica (Execution Unit) je srce mikroprocesora.Ona se, kao što se sa slike vidi, sastoji od tri glavna dela:

• Aritmetička i logička jedinica (ALU – Arithmetic and Logical Unit ). U ovoj jedinici se obavljaju peracije koje su zadane instrukcijom.
• Skup registara. Uloga registara je da privremeno sačuva podatke koji su potrebni da bi se obavila zadata instrukcija. Broj registara, njhova vrsta i veličina (broj bitova) je različita kod različitih mikroprocesora. Veličina registara određuje bitnost procesora. Kada se kaže da je, na primer, Pentijum procesor 32-bitni, to znači da njegovi registri imaju veličinu od 32 bita.
• Mikrokod je blok u kome se nalazi skup instrukcija i tabela na osnovnom nivou koje
• kontrolišu i određuju rad samog mikroprocesora.

Funkcija procesora

Osnovna funkcije većine procesora, bez obzira na njihov fizički oblik je da izvrši niz uskladištenih naredbi koji se naziva program. Program je predstavljen nizom brojeva koji se čuvaju u nekoj vrsti kompjuterske memorije. Postoje 4 koraka koji gotovo svi procesori koriste u svom radu: fetch, decode, execute, i writeback.

Prvi korak, preuzimanje (fetch), podrazumeva preuzimanje naredbe (koja je predstavljena brojem, ili nizom brojeva) iz programske memorije. Lokacija u programskoj memoriji je određena programskim brojačem (PC – Program Counter), koji čuva broj koji identifikuje trenutnu poziciju u programu. Kada je naredba preuzeta, programski brojač je uvećan za dužinu instrukcijske reči u smislu memorijske jedinice. Često, naredba koja treba da se preuzme mora biti preuzeta sa relativno spore memorije, što usporava procesor dok čeka naredbu da se vrati. Ovaj problem je u velikoj meri pristutan u savremenim procesorima.

Naredbe koje procesor preuzima iz memorije se koristi za određivanje zadatka procesora. U drugom koraku, dekodiranje (decode), naredbe se dele na delove koji su značajni za druge delove procesora. Način na koji se numerička instrukcijska vrednost tumači je definisana procesorskim instrukcijskim setom (ISA – Instruction Set Architecture). Često jedna grupa brojeva u naredbi, pod nazivom Opcode, ukazuje koje operacije treba da izvrši. Preostali delovi broja obično pružaju informacije koje su potrebne naredbi, kao što su operande za dodatnu operaciju. Takve operande mogu biti date kao konstantna vrednost, ili kao mesto za pronalaženje te vrednosti: registar ili memorijska adresa određenja nekim načinom adresiranja. U starijem dizajnu, delovi procesora koji su odgovrni za dekodiranje naredbi su bili nepromenljivi hardverski uređaji. Međutim, u apstraktnijim i komplikovanijim procesorima i instrukcijskim setovima, mikroprocesor je često korišćen da pomogne u prevođenju naredbi u različite konfiguracione signale za procesor. Ovaj mikroprogram je ponekad rewritable tako da bi mogao biti prilogođen da menja način na koji procesor dekodira naredbe čak i posle proizvodnje.

Sledeći korak je izvršavanje (execute). U ovom koraku, raličiti delovi procesora su povezani tako da mogu da izvrše željene operacije. Ako je, na primer, neka dodatna operacija zatražena, onda Aritmetičko Logička Jedinica (ALU – Arithmetic Logic Unit) biće povezana sa setom ulaza i setom izlaza. Ulazi obezbeđuju cifre koje treba sabrati, a izlazi sadrže konačan rezultat. Aritmetičko Logička Jedinica sadži kola za izvršavanje jednostavnih aritmetičkih i logičkih operacija na ulazima. Ako rezultat dodatne operacije premaši veličinu odredišta, postavlja se aritmetički overflow u flag registru.