3.2 Το κεντρικό μέρος του υπολογιστή

3.2.1 Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ)

Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας αποτελείται από:

α) Την Αριθμητική και Λογική Μονάδα. Η αριθμητική και λογική μονάδα (Arithmetic and Logic Unit -ALU) είναι ένα κύκλωμα ικανό να εκτελεί γρήγορα αριθμητικές και λογικές πράξεις. Στις λογικές πράξεις περιλαμβάνονται η σύζευξη, η διάζευξη, η άρνηση και άλλες που μπορούν να θεωρηθούν συνδυασμός των παραπάνω, ενώ στις αριθμητικές πράξεις περιλαμβάνονται η πρόσθεση, η αφαίρεση, ο πολλαπλασιασμός και η διαίρεση. Όταν αναφερόμαστε σε γρήγορη εκτέλεση πράξεων, πρακτικά εννοούμε ότι κάθε πράξη εκτελείται σε χρόνο μικρότερο των 10-7 sec.

β) Τη Μονάδα Ελέγχου Η μονάδα ελέγχου (Control Unit) συγχρονίζει και ελέγχει τη λειτουργία του υπολογιστή, ανακαλεί από την κεντρική μνήμη εντολές, προσδιορίζει τον τύπο τους και αναθέτει στην αριθμητική και λογική μονάδα την εκτέλεσή τους. Τέλος, ελέγχει την επικοινωνία του περιφερειακού μέρους με το κεντρικό.

γ) Τους Καταχωρητές (Registers) Πρόκειται για ειδικές ταχύτατες μνήμες που βρίσκονται μέσα στην ΚΜΕ ή στην κεντρική μνήμη και έχουν σκοπό την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων ή εντολών ή την εκτέλεση ειδικών λειτουργιών. Τα περιεχόμενα των καταχωρητών μπορούν να προσπελαστούν και να τροποποιηθούν πολύ ταχύτερα από τα περιεχόμενα της κεντρικής μνήμης. Οι καταχωρητές ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους χωρίζονται σε : - Καταχωρητές διεύθυνσης μνήμης (Memory Address Register - MAR). Σε αυτούς περιέχονται οι διευθύνσεις μνήμης, όπου είναι αποθηκευμένα τα δεδομένα που πρόκειται να μεταφερθούν από την ΚΜΕ στην κεντρική μνήμη και αντιστρόφως. - Καταχωρητές δεδομένων μνήμης (Memory Data Register - MDR). Σε αυτούς περιέχονται τα δεδομένα και οι εντολές που μεταφέρονται από την ΚΜΕ στην κεντρική μνήμη και αντιστρόφως. - Ειδικοί καταχωρητές που εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι κυριότεροι είναι: ― Καταχωρητής Εντολών. Σε αυτόν μεταφέρεται κάθε εντολή από τη μνήμη, προκειμένου να αποκωδικοποιηθεί και να εκτελεστεί. ― Απαριθμητής προγράμματος. Σε αυτόν περιέχεται η διεύθυνση της επόμενης προς εκτέλεση εντολής. ― Συσσωρευτής. Είναι ένας καταχωρητής που χρησιμοποιείται για να συσσωρεύει τα ενδιάμεσα αποτελέσματα διαφόρων πράξεων που εκτελούνται από την αριθμητική μονάδα. ― Καταχωρητής Κατάστασης.

Οι εντολές που ανακαλεί από την κεντρική μνήμη η μονάδα ελέγχου θα πρέπει να είναι εντολές γνωστές στην ΚΜΕ, δηλαδή να ανήκουν σε ένα σύνολο εντολών τις οποίες αυτή αναγνωρίζει και οι οποίες διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο της ΚΜΕ που χρησιμοποιεί ένας υπολογιστής. Το πλήθος τους κυμαίνεται συνήθως από 20 έως 300 εντολές και αποτελεί το σύνολο εντολών (instruction set) του συγκεκριμένου τύπου ΚΜΕ. Η μονάδα ελέγχου εκτελεί μια κυκλική διαδικασία η οποία εμπεριέχει τις παρακάτω ενέργειες: α) Μεταφορά μιας εντολής από την κεντρική μνήμη. β) Αποκωδικοποίηση αυτής της εντολής. γ) Εκτέλεση της εντολής. δ) Επανάληψη των παραπάνω ενεργειών, μέχρι να βρεθεί συνθήκη τερματισμού της εκτέλεσης.

84 1 nsec = [pic]sec 1MHz = [pic]Hz = =[pic]

Για το χρονισμό του κύκλου ενεργειών υπάρχει ενσωματωμένο στην ΚΜΕ ένα κύκλωμα χρονισμού, που αποτελεί το ρολόι του υπολογιστή. Με σταθερό ρυθμό το ρολόι παράγει έναν ωρολογιακό παλμό - δηλαδή "κτύπο". Η χρονική απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών μετράται σε nsec ή σε MHz και συμβολίζει την ταχύτητα του ρολογιού. Αν ένα ρολόι, για παράδειγμα, έχει ταχύτητα 500 MHz, αυτό πρακτικά σημαίνει ότι κάθε 2 nsec παράγεται ένας παλμός. Ο ρυθμός αυτός που παράγει το ρολόι του υπολογιστή χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό των διαφόρων ενεργειών των επιμέρους τμημάτων του υπολογιστή. Αν ένα πρόγραμμα, δηλαδή ένα σύνολο εντολών, για να εκτελεστεί από μια ΚΜΕ, απαιτεί την απασχόλησή της για A sec, και αν το ρολόι της έχει ταχύτητα B Hz, τότε έχουμε: Αριθμός κύκλων ρολογιού για το συγκεκριμένο πρόγραμμα: C = AxB

Και εάν το πρόγραμμα έχει IC αριθμό εντολών, τότε: Κύκλοι ρολογιού ανά εντολή (Cycles per Instruction CPI) = C/IC

Τα κύρια χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν την κατηγορία δυνατοτήτων της ΚΜΕ είναι συνοπτικά: α) Το σύνολο εντολών του επεξεργαστή. β) Η ταχύτητα του ρολογιού. γ) Το μήκος λέξης (word length) του επεξεργαστή -η λέξη (word) ορίζεται ως ένα σταθερό πλήθος δυαδικών ψηφίων (bit). Η ΚΜΕ έχει τη δυνατότητα να διαβάσει από την κεντρική μνήμη -ή να γράψει αντίστοιχα σε αυτήν- μία μόνο λέξη σε κάθε προσπέλαση.

Οι τρέχουσες τεχνολογικές κατευθύνσεις επιδιώκουν μικρό πλήθος για το σύνολο εντολών (τεχνολογία RISC), υψηλές ταχύτητες ρολογιού και μεγάλο μήκος λέξης. Έτσι στην περίπτωση των προηγμένων σύγχρονων ΚΜΕ έχουμε 30-40 εντολές, πάνω από 500 MHz, 64 bit κατ' αντιστοιχία, χαρακτηριστικά που με την εξέλιξη της τεχνολογίας βελτιώνονται χρόνο με το χρόνο.