Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Назначение и основные функции процессора).pdf

Чтобы увеличить производительность процессора, многие современные процессоры имеют больше чем 40 ступеней в конвейерной системе. Но такое количество имеет побочную сторону – происходит большое время простоя, если, например, случается ошибка в предсказании условного перехода.

Первым общедоступным микропроцессором стал 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, именно они заложили основы архитектуры всех современных настольных центральных процессоров. Но в то время был распространён 8-разрядные модули памяти и поэтому был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. В 1985 году появился процессор Intel 80386 и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Но и взявшие за основу стековую вычислительную модель процессоры так же развиваются.

2.2 Технология изготовления процессоров.

В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, они были выполнены на большом количестве отдельных компонентов. Но в современных компьютерах центральные процессоры выполняются в виде миниатюрного модуля, который вставляется в соответствующий сокет на материнской плате. Почти все современные процессоры выполнены в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего уже миллиарды транзисторов.

Благодаря прорыву в 70-x годах в технологиях создания больших и сверхбольших интегральных схем, стало возможно разместить на одном полупроводниковом устройстве все необходимые компоненты центрального процессора. Они получили определение – микропроцессор. Теперь слова термины процессор и микропроцессор стали практически синонимами, но это было не всегда так. В те времена микропроцессорные ЭВМ и обычные (крупные) существовали на равных. И только в начале 80-x годов микропроцессоры вытеснили своих старших братьев. Теперь мы понимаем, что переход в то время к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые теперь проникли полностью в нашу жизнь.

15 ноября 1971 года компанией Intel, был представлен первый микропроцессор Intel 4004. Он работал на 2300 транзисторах, имел частоту 740 кГц, и стоил более 300 долларов.

За все время существования микропроцессоров было создано множество различных их архитектур. В дополненном и усовершенствованном виде они используются и сейчас. Так, например, архитектура Intel x86, ставшая вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (у Intel она называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в текущее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC - архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

Большинство процессоров существующих и используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и прочие параметры, как процессоры компании Intel.

Сегодня наиболее популярные процессоры производят 3 фирмы – Intel, AMD, IBM. Среди процессоров от Intel в данное время активно развивается так называемое второе поколение - Intel Core i3, Core i5, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники, планшетных устройств). Уже ушли в историю такие модели как: : 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.)^[7].

3. Классификация процессоров.

3.1 CISC-процессоры.

Complex Instruction Set Computer - процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (но уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

3.2 RISC-процессоры.

Reduced Instruction Set Computer - архитектура процессоров, построенная на основе урезанного, сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Данная концепция была разработана Джоном Коком из IBM, а название придумал Дэвид Паттерсон. Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

3.3 MISC-процессоры.

Minimum Instruction Set Computer – архитектура процессоров, построенная на вычислениях с минимальным набором команд. Данная архитектура — это дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагал, что принцип простоты, присущий для RISC-процессоров, слишком быстро ушел на задний план. В время 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)^[8].

3.4 Многоядерные процессоры.^[9]

Они содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на нескольких или на одном кристалле). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высоко интегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерные процессоры включают в себя 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.

В сентябре 2007 года появились в продаже четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron. 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

В сентябре 2008 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.

В октябре 2009 года Tilera анонсировала 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx. В нем каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством технологии Mesh Network. Процессоры производятся по 40-нм нормам техпроцесса и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

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.

А компания AMD пошла по-другому, собственному пути, она изготавливает четырёхъядерные процессоры одним, единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой 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 достоинствами данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). И кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Но у Core i7 имелась и слабая сторона, первое это его высокая стоимость, и необходимость покупки дорогой материнской платы на чипсете Intel X58. Существенным минусом является и обязательное условие использование только трехканального набора памяти типа DDR3.

AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша, а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В общем, AMD Phenom II X4 по производительности стоит одинаково 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.

4. Современные процессоры.

Самые известные процессоры на сегодняшний день производят компании Intel и AMD. Их ожесточенная конкуренция — основной двигатель прогресса на компьютерном рынке, благодаря которому создаются с каждым разом все более и более производительные процессоры, и в итоге потребители от этого только выигрывают. Конечно в этом вопросе у каждой компании свое мнение. В развитии микропроцессоров, Intel ссылается на закон Мура, но скорее всего их индустрия не достигла бы таких высот, если бы не имела такого конкурента как AMD.

Периодически в жесткой борьбе двух компаний гигантов происходит переменным успехом то компании Intel, то компании AMD. Например, на не так давно, по объему продаж, явный перевес был на стороне AMD, так как их процессоры более выгодны по совокупности своих потребительских качеств. Но затем произошло то, что кардинально изменило ситуацию на рынке. А именно — анонсирование компанией Intel нового поколения энергоэффективных процессоров на основе микроархитектуры Intel Core. Семейство процессоров на основе этой революционной микроархитектуры стало называться Intel Core 2 Duo. Именно после появления этих новых разработок, которые оказались эффективнее повсем параметрам чем процессоры AMD, лидером стала компания Intel. А сейчас разберем детально характеристики процессоров, которые необходимо знать.

4.1 Характеристики современных процессоров.

На сегодняшний день, процессор — это очень сложное техническое устройство с огромным количеством характеристик. И нельзя сказать точно, какой процессор лучше всех, потому что невозможно свести к единому критерию все характеристики процессора, чтобы он служил показателем качества.
Можно попробовать классифицировать характеристики процессора с точки зрения пользователя. Выделяются четыре основные группы: производительность, энергоэффективность, функциональные возможности, стоимость^[10].

4.2 Энергоэффективность.

Совсем недавно выбор процессора ограничивался двумя пунктами — производительность и стоимость. На производительность показывала тактовая частота. Сейчас все сводить к этим двум параметрам выбор процессора — означает сильно упрощать реальную ситуацию. Помимо абсолютной производительности процессоры принято характеризовать энергоэффективностью — в расчете ватт потребляемой энергии. Раньше на этот показатель просто не обращали внимание, так как потребляемая мощность была всего несколько десятков ватт. На данный момент, при достижении потребляемой мощности границы в 100 Вт, этот параметр стал одним из самых важных характеристик процессора. И важно здесь то, что процессоры с высоким энергопотреблением достаточно сложно охлаждать, а также, чем больше мощность, тем больше потребление электроэнергии, что скажется потом на счете за электричество. Поэтому необходимо дополнительно использовать более массивные и шумные кулеры, а это значит, что создание малошумных ПК уже осложнено. Конечно самое оптимальное это производительный процессор, которые имеет низкую электропотребляемость, именно это и отражено в понятии энергоэффективности. Ясно, что энергоэффективность процессора и его производительность нельзя выразить численно, соответственно это не является технической характеристикой процессора. Но не забываем, что энергоэффективность также зависит от следующих характеристик: микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая мощность и поддержка процессором функции энергосбережения.