Файл: "Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора".pdf

Актуальность выполнения данной работы обусловлена тем, что современный уровень информатизации всех сфер человеческой жизнедеятельности имеет колоссальные масштабы. Техническое обеспечение этих процессов играют основополагающую роль при обработке информации. В связи с чем необходимо уделять особое внимание подбору компонентов персонального компьютера, в частности процессора, для решения той или иной задачи.

Процессор является высокотехнологичным и сложным изделием, в котором количество транзисторов насчитывается уже более миллиарда. Сегодня в основном процессоры выпускаются 64-битные и многоядерные. Разрядность процессора показывает, сколько бит может обработать процессор за один такт. В основе работы процессоров лежит тактовый принцип, которые предполагает исполнение очередной команды будет выполнено за определенное количество тактов. В персонально компьютере тактовые импульсы задаются при помощи микросхемы, входящей в чипсет, который расположен на материнской плате. Чем выше частота тактов, которые поступают на процессор, тем больше команд он может выполнить в определенную единицу времени, тем будет выше его конечная производительность.

В тоже время, не только тактовая частота влияет на производительность процессора, влияет так же размер имеющейся кеш-памяти и количество используемых ядер, а также чипсет, который расположен на материнской плате. Многоядерными процессорами являются процессоры, у которых два и более ядер, находящиеся в одном корпусе, в результате чего выполнение обработки информации ведется по средством использования нескольких потоков, что в конечном итоге влияет на общую производительность компьютера.

Основным техническим параметром процессора является техпроцесс, который представляет собой масштаб технологии, которая определяет размеры используемых полупроводниковых элементов, которые составляют основу внутренних цепей процессора (выполненных на базе соединенных между собой транзисторов). Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению характеристик процессоров.

Объект исследования – процессор персонального компьютера.

Предмет исследования – назначение, функции, классификация процессора.

Целью данной работы является изучение назначения, функций, классификации процессора персонального компьютера.

В соответствии с целью была определена необходимость постановки и решения следующих задач:

– изучить назначение и функции процессора персонального компьютера;

– описать классификацию процессоров персонального компьютера;

– дать характеристику технологии производства процессоров;

– описать современные процессоры AMD Ryzen 7, AMD FX-Series, Intel Core i7, Intel Core i9.

1. Процессор персонального компьютера

1.1. Назначение процессора

Центральный процессор, или ЦПУ (Central Processing Unit – CPU), является самой важной частью аппаратного обеспечения персонального компьютера, представляющая собой специальный программируемый логический контроллер, который отвечает за реализацию вычислительного процесса.

Центральный процессор персонального компьютера выполняется в виде отдельного чипа (специализированной интегральной микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции элементов – ULSI) и позволяет реализовать все возложенные функции, которые присущи данного рода устройствам. Такие радиоэлектронные элементы называются микропроцессорами [5].

Средства обработки центрального процессора обеспечивают выполнение необходимых операций с плавающей и фиксированной точкой, операций с полями переменной длины и десятичными данными. Локальная память состоит из специальных регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также специализированных управляющих регистров. К средствам управления памятью можно отнести специальные средства управления доступом к используемой оперативной памяти и предвыборкой необходимых команд, буферная память, специализированные средства защиты используемой памяти.

Средства центрального процессора по управлению вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ прикладных программ по средствам использования контроллеров (каналов) к разного рода периферийному оборудованию. К системным средствам можно отнести различные средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный минимальный набор специализированных функциональных средств для каждого типа центрального процессора персонального компьютера. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства управления вычислительным процессом и средства выполнения стандартного набора операций. Конкретная реализация центрального процессора персонального компьютера может в некоторой степени различаться своим составом используемых средств, способом их практической реализации, используемыми техническими параметрами.

1.2. Функции процессора

На центральный процессор возлагается выполнение операций, которые предусмотрены его внутренней системой команд. В процессе выполнения различных прикладных программы центральный процессор персонального компьютера обеспечивает выполнение всех возложенных на него функций, предусмотренных его программной реализацией. К ним можно отнести следующие:

– прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними логических, арифметических и других операций, которые определяются кодом используемой команды, и выполнение передачи обработанных данных во внешние устройства или память персонального компьютера;

– формирование адреса данных или команд, которые хранятся в оперативной памяти персонального компьютера;

– временное хранение полученных результатов в процессе выполнения операций, адресов, формируемых сигналов состояния и других оперативных данных;

– формирование сигналов управления, состояния и времени, которые необходимы для нормальной работы всех внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти персонального компьютера;

– выборка команд из памяти персонального компьютера и их последующая дешифрация;

– прием сигналов выполненных запросов от используемых внешних устройств и их последующее обслуживание [7].

Для выполнения перечисленных функций центральный процессор персонального компьютера должен располагать необходимым набором аппаратных средств и соответсвующих связей между ними на базе использования различного рода шин, рис. 1.1.

Рис. 1.1 – Обобщенная структура процессора

К основным функциональными блоками процессора персонального компьютера можно отнести следующие:

– блок арифметическо–логических операций используется для выполнения необходимой обработки поступающих в него оперативных данных. Перечень выполняемых операций блоком арифметическо–логических операций зависит от используемого типа процессора. В большинстве процессоров могут быть выполнены такие операции: арифметическое вычитание и сложение; логические операции И, НЕ, ИЛИ, исключающее ИЛИ; операции декремента и инкремента; арифметические и логические сдвиги влево и вправо. Данный блок строится на базе использования двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для временного хранения регистров–сдвигателей и операндов, комбинационных схем для выполнения выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других вспомогательных функциональных узлов;

– блок формирования адресов, обеспечивает адресацию к внешней памяти и внешним устройствам персонального компьютера. Его основными узлами являются указатель стека, программный счетчик, декрементор–инкрементор, адресный регистр;

– блок обработки команд, используется для приема и декодирования поступающих команд, а также для формирования специальных сигналов управления узлами обработки денных;

– блок управления и синхронизации, координирует работу всех узлов процессора персонального компьютера;

– блок регистров, выполняет функции временного хранения операндов, функции сверхоперативной внутренней памяти и др.;

– внутренняя шина, используется для организации связи между отдельными узлами и блоками процессора персонального компьютера. В общем случае внутренняя шина включает в себя шины для передачи оперативных данных, управляющих сигналов и адреса [1].

С каждым новом поколением современные процессоры персонального компьютера вбирают в себя все больше технологий и функций. Рассмотрим наиболее значимые, к которым можно отнести следующие: Intel Demand Based Switching; Intel Fast Memory Access; Intel Flex Memory Access; Intel Instruction Replay; Intel My WiFi Technology; Intel Smart Idle Technology; Intel Stable Image Platform; Intel QuickAssist; Intel Quick Resume; Intel Secure Key; Intel Transactional Synchronization Extensions.

Совместно с технологией Enhanced Intel SpeedStep Technology, технология Intel Demand Based Switching отвечает за то, чтобы в каждый момент времени при текущей загрузке центральный процессор работал на наиболее оптимальной частоте и получал необходимое электропитание. Таким образом, использование данной технологии способствует снижению энергопотребления и тепловыделения, что является актуальным не только для портативных устройств, но и для серверов.

Функция контроллера памяти Intel Fast Memory Access используется для организации оптимизации работы с оперативной памятью персонального компьютера. Представляет собой специализированную комбинацию технологий, которая позволяет за счет углубленного анализа очереди поступающих команд выявить «совмещаемые» (например, чтение из одной и той же страницы памяти), а затем выполнить переупорядочение для выполнения «совмещаемых» команд друг за другом. Кроме того, менее приоритетные команды записи в память будут планироваться на те моменты, когда будет прогнозироваться опустошение очереди на чтение, и в результате процессы записи в память еще менее будут ограничивать скорость чтения данных.

Другая важная функция контроллера памяти центрального процессора Intel Flex Memory Access, которая появилась еще во времена, когда он являлся отдельным чипом, в 2004 году. Данная функция обеспечивает наличие возможностей работы в специализированном синхронном режиме на базе одновременного использования двух модулей памяти. Таким образом, на базе использования данной технологии достигается гибкость в оснащении персонального компьютера оперативной памятью [3].

Очень глубоко расположенная технология Intel Instruction Replay, которая появилась впервые в процессорах Intel Itanium, которая предполагает, что в процессе работы специальных процессорных конвейеров может случиться специфическая ситуация, когда определенной инструкции уже пришла очередь исполняться, а необходимые данные для ее поддержки пока являются недоступными. Тогда токую инструкцию нужно «переиграть»: снять с текущего конвейера команд и запустить в его начале. Еще одной важной функцией данной технологии является коррекция случайных ошибок появляющихся на процессорных конвейерах.

Технология виртуализации Intel My WiFi Technology, позволяет добавить виртуальный WiFi адаптер к физическому; таким образом, ноутбук может стать повторителем или точкой доступа. Используемые прикладные программные компоненты My WiFi входят в состав специализированного драйвера Intel PROSet Wireless Software; в тоже время следует отметить, что с данной технологией совместимо небольшое количество WiFi адаптеров.

Технология энергосбережения Intel Smart Idle Technology используется для отключения в данный момент времени не используемых блоков процессора или для понижения их частоты. Является незаменимой вещью для центральных процессоров смартфонов, например, Intel Atom [2].

Программа Intel Stable Image Platform используется для обеспечения стабильности используемого прикладного программного обеспечения, гарантируя, что драйверы и основные компоненты платформ не будут изменены в течение, как минимум, пятнадцати месяцев. Таким образом, для корпоративных клиентов имеется возможность пользоваться одними и теми же развертываемыми образами систем в течение данного срока.

Набор аппаратно реализованных функций Intel QuickAssist, которые требуют достаточно больших объемов вычислений, например, при выполнении шифрования, компрессии, распознавания шаблонов. Смысл технологии QuickAssist заключается в упрощении задачи разработчикам, по средствам предоставления им функциональных «кирпичиков», а также предоставить им возможность существенно ускорить их приложения. С другой стороны, данная технология позволяет решать «тяжелые» задачи не базе использования процессоров с низкой производительностью, что является особенно ценным в встраиваемых системах, которые сильно ограничены и по энергопотреблению, и по производительности.

Технология Intel Quick Resume, которая была разработана специально для компьютеров, построенных на базе платформы Intel Viiv, позволяет их включать и выключать очень быстро; при этом в «выключенном» состоянии персональный компьютер может продолжать выполнять некоторых задачи, не которые не требуют непосредственного вмешательства пользователя. И хотя сама платформа плавно перешла в другие практические реализации вместе с сопутствовавшими ей практическими наработками, в ARK данная характеристика еще присутствует.