Файл: Процессор персонального компьютера. назначение, функции, классификация процессора (ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРА).pdf

Центральный процессор (ЦП) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Два направления применения ЦП:

Используются в комплексе схемных элементов в виде микрокомпьютера, т.е. системы, собранной на одной или нескольких платах и содержащей собственно ЦП, оперативную память и модули ввода-вывода;
ЦП, представляя собой семейство больших интегральных схем, встраиваемых как интегральное целое в создаваемую систему по усмотрению инженеров-проэктировщиков.

По конструкции ЦП подразделяются на:

Однокристальные (вся логика размещается в 1 кристалле, они имеют постоянную разрядность и постоянный набор команд);
На процессорных элементах (разрядность и система команд может изменяться и определяться в процессе разработки применительно к той прикладной области, где будет использоваться данный ЦП).

Центральный процессор содержит: 1. арифметико-логическое устройство; 2. шины данных и шины адресов; 3. регистры; 4. счетчики команд; 5. кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт); 6. математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Два основных типа архитектуры:

CISC (complex instruction set computing) – архитектура с полным набором машинных команд;
RISC (reduced instruction set computing) – архитектура с упрощённым набором команд, для мощных рабочих станций.

Основные характеристики ЦП:

тип архитектуры или серия (CISC, RISC, Intel x86);
система поддерживаемых команд (х86, IA-32, IA 64);
расширения системы команд (ММХ – все х86 процессоры, SSE – Pentium 3, SSE2 – Pentium 4, 3Dnow! – процессоры AMD);
конструктивное исполнение (Slot 1, Slot 2, Slot А – модульная конструкция с дискретными схемами; Socket 340, Socket 478, Socket A – интегрированная в кристалл кэш-память 2го уровня);
тактовая частота (МГц, ГГц);
частота системной шины.

2. ТИПЫ ПРОЦЕССОРОВ

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь разделено на два логических ядра, что существенно влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona. 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году.

На данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно, чем у предшественника.

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРА.

Количество ядер — этот параметр показывает количество одновременно работающих программ. Но не думайте, что если вы запустите Word и Winamp на компьютере с одним ядром, что у вас программы работают одновременно. Они работают последовательно переключаясь с одной на другую. Количество ядер в последнее время прочно вошло в основные характеристики процессора, что многие ошибочно полагают, что если ядер больше, то всегда будет прирост производительности;
Частота процессора — это скорость с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной компьютера. Её любят указывать продавцы в прайсах. Измеряется точно также как тактовая частота и по понятным причинам всегда ниже;
Коэффициент умножения(или умножение) – он нужен, чтобы получить тактовую частоту процессора. Частоту шины вам нужно умножить коэффициент. Помнить нужно только одно в процессорах Intel есть одна полезная технология со смешным названием Quad Pumping — так вот она позволяет передать 4 блока данных за такт, поэтому маркетологи пользуются этим и преувеличивают в 4 раза физическую частоту шины;
Тепловыделение процессора — измеряется в ватах. Простым языком если сказать, то показывает какой мощности у вас должен быть вентилятор(кулер), чтобы обеспечить бесперебойную работу;
Максимальная рабочая температура — всё то, что вы прочитали о тепловыделении можно отнести и к температуре. Если вы превысите максимум, то процессор перегреется, и вполне возможно компьютер или выключится или сам начнет перезагружаться;
Поддержка различных технологий — если в прайсе вдруг через запятую перечисляются непонятные для вас технологии типа SSE2 или 3DNow, то знайте, что это хорошо. Мир не стоит на месте, вот и производители придумывают разные фишки для лучшей работы процессора.

4. АРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРА.

Процессор состоит из ячеек. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Во время обработки они могут изменяться самыми разными способами. Ячейки процессора называются регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Существует много разнообразных процессоров, и у каждой модели свои регистры. У одних процессоров регистров больше, у других - меньше. Бывают регистры восьмиразрядные – в такой регистр помещаются 8 битов, то есть один байт. Если регистр шестнадцатиразрядный, то в нем могут поместиться два байта. Пару взаимосвязанных байтов называют словом. В 32-разрядный регистр помещаются 4 байта (двойное слово).

Разные регистры процессора имеют разное назначение. Регистры общего назначения используются для операций с данными (байтами, словами и двойными словами). Адресные регистры служат для хранения в них адресов, по которым процессор находит данные в памяти.

Существуют специальные регистры для самопроверок процессора. Интересен флаговый регистр. Его биты служат как бы флажками, которые включаются или выключаются в особых случаях. Когда от меньшего числа отнимают большее, то занимают одну единичку в старшем разряде. На этот случай во флатовом регистре есть специальный флажок, который включается при таком событии. Есть там флажки, которые включаются при переполнении регистров или при их обнулении, а также еще несколько специальных флажков.

У каждого типа процессоров свой состав регистров, и у каждого и регистра свое назначение. Состав регистров процессора и их назначение называются архитектурой процессора. Чем сложнее процессор, тем сложнее его архитектура. В процессорах современных компьютеров несколько десятков регистров. Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции (принцип его работы рассмотрен в разделе 5.8);
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

5. СИСТЕМА КОМАНДР ПРОЦЕССОРА.

Мы продемонстрировали действие лишь трех команд (инструкций) процессора, а на самом деле подобных команд порядка тысячи. У каждой команды есть спой код (номер). Например есть команда 000, есть команда 001, 002 и т. д. Для каждого процессора существует специальный документ, в котором описано, какая инструкция что выполняет, каким кодом она записывается и как ее следует использовать, - этот документ называется системой команд процессора. У каждого процессора своя система команд. У одного процессора, например, команда 079 может обозначать: “К. числу, которое находится в регистре А, прибавить число, которое находится в регистре В, и результат оставить в регистре А”.

Другой процессор, может быть, вообще не имеет регистров А и В и называются они по-другому, и команда 079 выполняет с другое действие. В этом случае говорят о том, что эти процессоры имеют разные системы команд

У компьютеров четвертого поколения функции центрального: процессора выполняет микропроцессор (МП) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см.кв. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Так, центральный процессор содержит 1,2 млн. транзисторов, а Pentium - 5,5 млн. транзисторов.

Знание модели МП, установленного на системной плате компьютера, позволяет судить, к какому классу оборудования прилежит компьютер.

6. ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени менаду началом подачи двух последовательных импульсов электрического тока, синхронизирующих работу, различных устройств компьютера. Специальные импульсы для отсчета времени для всех электронных устройств вырабатывает тактовый генератор частоты, расположенный на СИСТЕМНОЙ плате. Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота определяется как количество тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (1МГц = 1 млн тактов/с). Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие МП. Переход к микропроцессору с большей тактовой частотой означает повышение скорое обработки информации. Говоря о быстродействии процессор имеют в виду количество операций, выполняемых им в секунду