Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессоров..pdf

В 1997 году компания представила процессор K6, архитектура которого существенно отличалась от K5. Процессоры изготавливались по 350 нанометровой технологии, содержал 8,8 миллионов транзисторов, поддерживали изменение порядка выполнения инструкций, набор команд MMX и блок вычислений с плавающей запятой. Площадь кристалла составляла 162 мм². Объем кэш-памяти первого уровнясоставил 64 Кб (32 Кб данные и 32 Кб инструкции). Тактовая частота чипа составляла 166 МГц, 200 МГц и 233 МГц. Частота системной шины была 66 МГц.

В 1998 году AMD произвела процессоры с улучшенной архитектурой K6-2, с 9,3 миллионами транзисторов изготавливаемые по 250 нанометровой технологии. Максимальная тактовая частота процессора достигла 550 МГц.

В 1999 году вышло третье поколение - архитектура K6-III. Чип сохранил все особенности K6-2, но при этом появилась встроенная кэш-память второго уровня объемом 256 Кб. Объем кэша первого уровня составлял 64 Кб.

В том же 1999 году место К6 заняли процессоры К7. Они выпускались по 250 нанометровой технологии с 22 миллионами транзисторов. У данных чипов присутствовал новый блок целочисленных вычислений (ALU). Системная шина EV6 обеспечивала передачу данных по обоим фронтам тактового сигнала, что позволяло при физической частоте 100 МГц получить эффективную частоту 200 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составлял 128 Кб (64 Кб инструкций и 64 Кб данных). Кэш второго уровня достигал 512 Кб.^[18]

Несколько позже появились кристаллы, базировавшиеся на ядре Orion. Они производилось по 180 нанометровой технологии. 

Выход ядра Thunderbird внес необычные изменения в процессоры. Кэш-память 2-го уровня была перенесена непосредственно в процессорное ядро и работала с ним на одной частоте. Кэш был с эффективным объемом 384 Кб (128 Кб кэша первого уровня и 256 Кб кэша второго уровня). Увеличенная тактовая частота системной шины теперь функционировала с частотой 133 МГц.

В это время у компании intel архитектура P6 пришла на смену P5 в 1995 году. Процессор являлся суперскалярным и позволял изменять порядок выполнения операций. Чип использовал двойную независимую шину, значительно увеличивающую пропускную способность памяти. 

В том же году свет увидели кристаллы следующего поколения Pentium Pro. Процессоры работали на частоте 150 МГц - 200 МГц, имели 16 Кб кэш-памяти первого уровня и до 1 Мб кэша второго уровня.

В 1999 году на рынок вышли первые процессоры Pentium III. Они использовали новую генерацию ядра P6 именовавшиюся Katmai, и являлись модифицированными версиями Deschutes. В ядро была добавлена поддержка инструкций SSE, а также улучшился механизм работы с памятью. Тактовая частота процессоров Katmai составила 600 МГц.^[19]

В 2000 году Intel выпустила свои первые процессоры Pentium 4 с ядром Willamette. Эффективная частота системной шины составляла 400 МГц (физическая частота - 100 МГц). Кэш-данных первого уровня достигал объема 8 Кб, а кэш-память второго уровня - 256 Кб. 

Следующим ядром линейки стало Northwood (2002 год). Кристаллы имели 55 миллионов транзисторов и производились по новой 130 нанометровой КМОП-технологии с медными соединениями. Частота системной шины составляла 400 МГц, 533 МГц или 800 МГц.

В 2004 году производство процессоров вновь перевели на более тонкие технологические нормы - 90 нанометров. Свет увидел чип Pentium 4 на ядре Prescott. Кэш данных первого уровня увеличился до 16 Кб, а кэш второго уровня достиг 1 Мб. Тактовая частота выросла до 2,4 ГГц - 3,8 ГГц, частота системной шины - 533 МГц или 800 МГц.

Последним использовавшимся в процессорах Pentium 4 ядром стало Cedar Mill. Выпускалось оно по новой 65 нанометровой технологии.

Всего было четыре модели: 631 (3 ГГц), 641 (3,2 ГГц), 651 (3,4 ГГц), 661 (3,6 ГГц).

В конце 2003 года AMD разработала новую 64-битную архитектуру K8, созданную по 130 нанометровой технологии. В процессоре был встроенный контроллер памяти и шина HyperTransport. Она работала на частоте 200 МГц. Новые чипы AMD получили название Athlon 64. Процессоры поддерживали множество наборов команд, таких как MMX, 3DNow!, SSE, SSE2 и SSE3. 

В 2005 году компания AMD запустила продажу новых процессоров под названием Athlon 64 X2. Они являлись первыми двухъядерными процессорами, использовавшимися при сборке персональных компьютеров. Представляли они собой два ядра, выполненных на одном кристалле. Они имели общий контроллер памяти, шину HyperTransport и очередь команд.

В течение 2005 и 2006 годов AMD выпустила четыре поколения двухъядерных чипов: три 90-нм ядра Manchester, Toledo и Windsor, а также 65-нм ядро Brisbane. Процессоры отличались объемом кэш-памяти второго уровня и энергопотреблением.

Процессоры Pentium M обеспечивали большую производительность, их аналоги на базе микроархитектуры NetBurst. И поэтому их архитектурные решения стали основой для микроархитектуры Core, которая вышла в 2006 году. Первым четырехядерным процессором, используемым в обычных персональных компьютерах, стал Intel Core 2 Extreme QX6700 с тактовой частотой 2.67 ГГц и 8 Мб кэш-памяти второго уровня.^[20]

Кодовое имя первой линейки мобильных процессоров компании Intel было Yonah. Они производились с использованием 65 нанометровой технологии, основанной на архитектуре Banias/Dothan Pentium M, с добавленной технологией защиты LaGrande. Процессор мог обрабатывать до четырех инструкций за такт. В Core был переработан алгоритм обработки 128-битных инструкций SSE, SSE2 и SSE3. Если раньше на обработку каждой команды требовалось два такта, то теперь достаточно было лишь одного.

В 2007 году вышла микроархитектура Penryn на 45 нанометровой технологии с использованием металлических затворов Hi-k без содержания свинца. Данная технология применялась в линейке процессоров Intel Core 2 Duo. В архитектуру добавилась поддержка инструкций SSE4, а максимальный объем кэш-памяти 2-го уровня у двухъядерных процессоров увеличился с 4 Мб до 6 Мб.

В 2008 году появилась архитектура следующего поколения - Nehalem. Процессоры обзавелись встроенным контроллером памяти, поддерживающим 2 или 3 канала DDR3 SDRAM или 4 канала FB-DIMM. На смену шине FSB, пришла новая шина QPI. Объем кэш-памяти 2-го уровня уменьшился до 256 Кб на каждое ядро.^[21]

Вскоре компания Intel перевела архитектуру Nehalem на новую 32 нанометровую технологию. Эта линейка процессоров получила название Westmere. Первой моделью новой микроархитектуры стал Clarkdale, состоящий из двух ядер и интегрированнго графического ядра, производимым по 45 нанометровой технологии.

Компания AMD старалась ни в чём не уступать своему прямому конкуренту. В 2007 году она выпустила поколение архитектуры микропроцессоров x86 - K10. Четыре ядра процессора размещались на одном кристалле. В дополнение к кэшу 1-го и 2-го уровней модели K10 наконец получили L3 объемом 2 Мб. Объем кэша данных и инструкций 1-го уровня составлял 64 Кб каждый, а кэш-памяти 2-го уровня - 512 Кб. Также появилась перспективная поддержка контроллером памяти DDR3. В K10 использовалось два 64-битных контроллера. Каждое процессорное ядро имело 128-битный модуль вычислений с плавающей запятой. Вдобавок ко всему, новые процессоры работали через интерфейс HyperTransport 3.0.

В 2007 году компания AMD выпустила многоядерные центральные процессоры Phenom с архитектурой K10, предназначавшие в первую очередь для использования при сборке домашних персональных комптютеров. Решения на базе K10 производились по 65 и 45 нанометровой технологии. В новой версии архитектуры (К10,5) контроллер памяти работал с памятью DDR2 и DDR3.

В 2011 году свет увидела новая архитектура Bulldozer. Каждый модуль содержал два ядра со своим блоком целочисленных вычислений и кэш-памятью 1-го уровня. Поддерживалась кэш-память 3-го уровня объемом 8 Мб, шины HyperTransport 3.1, технологии увеличения частоты ядер Turbo Core второго поколения и наборов инструкций AVX, SSE 4.1, SSE 4.2, AES. К тому же процессоры, созданные на данной архитектуре, были наделены двухканальным контроллером памяти DDR3 с эффективной частотой 1866 МГц.^[22]

В 2013 году компания представила следующее поколение процессоров - Piledriver. Эта модель являлась модернизированной архитектурой Bulldozer. Были доработаны блоки предсказания ветвлений, увеличилась производительность модуля операций с плавающей запятой и целочисленных вычислений, а также тактовая частота.

Просматривая историю, можно проследить этапы развития процессоров, изменения в их архитектуре, усовершенствования технологий разработки и многое другое. Современные процессоры отличаются от тех, которые выходили раньше, но при этом имеют и общие черты.

Несмотря на огромное разнообразие, самая главная общая черта процессоров - это их назначение и основной принцип работы.

2. Назначение, основной принцип работы и классификация

2.1 Назначение.

Не просто так процессор называется центральным, ведь от него зависит быстродействие всей системы. Именно процессор персонального компьютера выполняет обработку всех процессов и команд. В некоторых моделях, не имеющих отдельных видеоускорителей, на него даже ложатся функции обработки видео, в том числе и в компьютерных играх. Ведь если раньше система без видеокарты не могла использоваться для качественного воспроизведения видео или запуска видеоигр, то сейчас, с использованием современных технологий, центральный процессор уже неплохо справляется и с этими задачами.

2.2 Основной принцип работы.

Основными составляющими процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры, а так же устройство управления. АЛУ совершают основные математические и логические операции. Все операции производятся в двоичной системе исчисления. Главной функцией устройства управления является согласование работы частей самого процессора и его связь с внешними для него устройствами. В регистрах временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.^[23]

Принципиальная схема работы процессора показана на рисунке №1

Рисунок 1

Кэш данных и команд хранит наиболее часто используемые данные и команды. Обращение в кэш происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем лучше.

Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти. Арифметико-логическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.

Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было команды перехода или останова).^[24]

Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.

Однако, несмотря на основной принцип работы, процессоры могут отличаться по некоторым параметрам.

2.3 Классификация по основным техническим характеристикам.

Одна из важнейших характеристик - архитектура процессора. Различают два основных типа архитектуры микропроцессоров - CISC и RISC.

CISC (Complex Instruction Set Computer) представляет собой поддержку процессором очень большого набора команд (полную систему команд) и имеет небольшое число регистров. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности. От самых простых, характерных для процессоров 1-го поколения, до самых сложных, характерных для современных процессоров.^[25]

В свою очередь архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор команд и большое число внутренних регистров. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти происходит с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Высокая степень дробления конвейера. До сих пор идут споры о том, какая же архитектура лучше. Благодаря простоте команд RISC-процессор работает быстрее, имея при этом меньшую стоимость, но программы для них требуют больше места, чем для CISC. Именно поэтому в условиях дефицита оперативной памяти первоначальное развитие процессоров для персональных компьютеров пошло в направлении CISC-архитектуры. Все процессоры, совместимые с набором команд х86 являются CISC процессорами, хотя некоторые могут иметь элементы RISC-архитектуры. Процессоры 5-го поколения имеют 64-х разрядную шину данных и адресов. Могут работать с 8,16,32 битными данными, поддерживают конвейерную структуру и обладают возможностью предсказывать направление переходов в программе. Процессоры, обладающие немного большими возможностями, как правило, относят к шестому поколению. Рассмотрим основные принципы работы современных процессоров. В первую очередь стоит отметить, что процессор выполняет программу, которая хранится в памяти. Программа представляет собой набор команд (инструкций) и данных. Последовательно считывая команды, процессор выполняет соответствующие действия. Каждая команда выражена несколькими байтами, причем длина ее не фиксирована и может составлять от 1 до 15.^[26]