Центральный процессор предназначен для пошагового выполнения хранящейся в памяти компьютера программы. Программа, выполняемая центральным процессорам, состоит из записанных в двоичном виде машинных команд. Совокупность всех машинных команд, которые могут быть “поняты” и выполнены процессором, называется системой команд процессора. Систему команд процессора можно также назвать его языком. Машинные команды обычно соответствуют элементарным операциям, например, поместить данные в заданную ячейку оперативной памяти, считать данные из ячейки, выполнить арифметическую или логическую операцию над данными, дать сигнал некоторому устройству к обмену данными с оперативной памятью. Система команд процессора является важной частью архитектуры компьютера. Если системы команд двух процессоров различны, то машинная программа, предназначенная для одного процессора, не сможет быть выполнена другим.
Цикл работы центрального процессора состоит из следующих шагов:
- чтение очередной команды из оперативной памяти;
- анализ считанной команды (определение типа команды,
- адресов для чтения данных и записи результата);
- чтение данных из оперативной памяти, необходимых для выполнения команды;
- выполнение команды;
- запись результатов в оперативную память;
- вычисление адреса очередной команды.
В современных компьютерах центральный процессор обычно представляет собой кристалл сложной структуры, содержащий десятки миллионов взаимодействующих простейших функциональных элементов. Значительная часть машинных команд представляет собой арифметические и логические операции. Для их выполнения в процессоре предусмотрено арифметико-логическое устройство – вычислительная подсистема процессора. Для временного хранения данных в процессоре имеется своя сверхбыстрая внутренняя память, состоящая из ячеек, называемых регистрами. Поскольку регистры расположены внутри кристалла процессора, скорость доступа к ним намного больше, чем к ячейкам оперативной памяти компьютера. Регистров в процессорах обычно немного, от нескольких штук до нескольких десятков, в зависимости от конструкции процессора. Информационный объем регистра подбирается так, чтобы в нем целиком помещалось двоичное компьютерное представление целого или вещественного числа. Типичный размер регистра современного процессора — 32, 64 или 128 бит. Сравнительно небольшое количество регистров в процессоре объясняется высокой стоимостью размещения в кристалле дополнительных функциональных элементов.