Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик процессора).pdf

В процессорах с микроархитектурой x86, таких как Pentium II или Athlon, команды поступают в декодер из кэша команд, где они разбиваются на более мелкие части (микрокоманды). Эти микрокоманды используются при внеочередном выполнении команд, исполнительное устройство выполняет их планирование,выполнение и сброс. Это разделение происходит, когда процессор выполняет инструкцию.

Кэш команд pentiumi v получает переведенные и декодированные микрокоманды, готовые к передаче для экстраординарного выполнения, и формирует из них мини - программы («следы») [6].

По завершении работы препроцессор накопленных дорожек кэш-трека отправляет до трех микроопераций в сутки на экстраординарную производительность устройства. В этом случае команды не нужно переводить или декодировать. И только в случае пропуска кэша первого уровня (L1) препроцессор начнет отбирать и декодировать инструкции из кэша второго уровня (L2) - к основному конвейеру добавляются дополнительные 8 шагов.

Кэш отслеживания работает в двух режимах [3]:

- Исполнительный (executemode);

- построение сегментов трекинга (tracesegmentbuildmode).

В режиме выполнения кэш L1 отправляет команды исполнительным устройствам. Когда этот кэш промахивается, он переходит в режим отслеживания сегмента. В этом режиме препроцессор выбирает команды из кэша L2, преобразует их в микрокоманды, создает сегмент отслеживания, который затем перемещается в кэш с отслеживанием и затем выполняется. Кэш L2 объемом 256 кб с улучшенной передачей данных ускоряет обмен информацией между кэшем уровня 2 и ядром процессора [5].

Улучшенная система динамического выполнения-это сложное устройство для хранения команд для исполняемых файлов. Эта система позволяет исполнителям выбирать команды из большого набора предстоящих операций.

Таким образом, как отмечалось выше, процессор начинает декодирование только в случае пропуска кэша L1. Поэтому он предназначен для декодирования только одной команды x86 за такт. Поскольку все команды x86 декодируются в 2 или 3 микрокоманды, чтобы не засорять кэш отслеживанием, действуйте следующим образом. Как только кэш отслеживания встречает длинную инструкцию x86 при создании сегмента отслеживания, он вставляет метку в сегмент отслеживания, которая указывает места памяти с последовательностью микроинструкций инструкции. В режиме выполнения, когда кэш с отслеживанием передаст поток команд на стадию выполнения, если он попадет в такую метку, он приостановит работу и временно передаст управление потоком команд на микрокод ОЗУ.

3 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ

Семейство Pentium

Р5. Первый процессор с двухконвейерной структурой, выпускался под Socket 4; кэш - память - 16 Кб; 3,1 млн. транзисторов; технология производства - 0,8 мкм; тактовая частота - 60 - 66 МГц; L1 - 16 Кб; L2 на матричной плате - до 1 Мб; процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (60 - 66 МГц); адресная шина 32 - разрядная; общая разрядность – 32 [7].

Р54. 3,3 млн. транзисторов; технология производства - 0,5 - 0,35 мкм; тактовая частота - 75 - 200 МГц; L1 - 16 Кб; L2 на матричной плате - до 1 Мб; процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (50 - 66 МГц); адресная шина 32 - разрядная; разъем Socket 5, позднее Socket 7.

Р55С. Расширение MMX (Multi-Media eXtention), содержащее 57 команд для вычислений с плавающей точкой, увеличивающее производительность компьютера в мультимедиа приложениях; 4,5 млн. транзисторов; технология производства - 0,28 мкм; тактовая частота - 166 - 233 МГц; L1 - 32 Кб; L2 на матричной плате - до 1 Мб; процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (60 - 66МГц); адресная шина 32 - разрядная; общая разрядность - 32; разъем Socket 7 [9].

Семейство Pentium Pro

Pentium P6. Создавался как процессор для серверов и рабочих станций, имеет объединенный в одном корпусе L2 объемом 256Кб; 5,5 млн. транзисторов; технология производства - 0,35 мкм; тактовая частота - 150 - 200 МГц.

Klamath. Первый процессор линейки Pentium II и первая модель с разъемом Slot 1; технология - 0,35 мкм; тактовые частоты ядра - 233 - 300 МГц; частота шины - 66 МГц; L1 - 32 Кб; L2 - 512 Кб; конструктивное исполнение - картридж SECC [3].

Deschutes. Ядро процессор линейки Pentium II, сменившего Klamath; технология - 0,25 мкм; тактовые частоты ядра - 233 - 300 МГц; частота шины - 66 МГц; L1 - 32 Кб; L2 - 512 Кб; тактовая частота - 266 - 450 МГц; частота шины - 66 - 100 МГц; L2 на процессоре - 521 Кб. Разъем Slot 1; конструктивное исполнение - картридж SECC, который в старших моделях был сменен на SECC2.

Katmai. Ядро процессора Pentium III, пришедшего на смену Deschutes. Добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширен набор команд MMX, усовершенствован механизм потокового доступа к памяти. Технология - 0,25 мкм; тактовая частота - 450 - 600 МГц; L2 на процессоре - 512 Кб; частота шины - 100 МГц; разъем - Slot 1 [7].

Coppermine. Ядро процессоров Pentium III и Celeron; технология - 0,18 мкм; 256 Кб L2 для PentiumIII и 128 Кб - для Celeron. Частота - от533 МГц и выше. Наряду с FSB100 МГц версиями Pentium III выпущены и варианты FSB133 МГц. Последние процессоры, рассчитанные на Slot 1, постепенно были вытеснены изделиями в конструктивном исполнении FC - PGA 370, рассчитанными на разъем Socket 370. частота шины для процессоров Celeron - 66 МГц, а начиная с модели Celeron 800 - 100 МГц.

Tualatin - 256K. Кодовое наименование ядра и процессоров Socket 370 PentiumIII, сделанных по технологии 0,13 мкм. Рабочая частота моделей для Desktop с частотой системной шины 100 МГц - 1,1 ГГц [9].

Семейство Celeron

Covington. Первый процессор линейки Celeron. Построен на ядре Deschutes и выпускался по 0,25 - микронной технологии. Тактовая частота - 266 - 300 МГц; частота системной шины 66 МГц; L1 - 32 Кб; Slot 1.

Mendocino. L2 - 128 Кб, интегрированная на одном кристалле с ядром. Тактовая частота - 300 - 533 МГц; частота системной шины - 66 МГц; технология 0,25 мкм для Slot 1, 0,22 мкм - для Socket – 370 [3].

Coppermine 128K. Начиная с частоты 533 МГц, у Celeron появилось ядро - Coppermine с урезанным до 128 Кб кэшем L2. по своим характеристикам этот процессор максимально близок к PentiumIII, построенному на базе Coppermine, в том числе впервые для Celeron включает поддержку SSE. Частота процессора - 900 МГц и выше; технология 0,13 мкм; частота системной шины - 100 МГц.

Willamette - 128. Технология 0,18 мкм; тактовая частота - 1,6 - 2 ГГц; L1 - 8 Кб; L2 - 128 Кб; процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (400 МГц); разъем Socket 478 [7].

Семейство Pentium IV

Willamette 423. Процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) - с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Технология 0,18 мкм; тактовая частота процессора - 1,3 - 2 ГГц; L1 - 8 Кб; L2 - 256 Кб; процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (400 МГц); разъем Socket 423.

Willamette 478. Технология 0,18 мкм; тактовая частота - 1,3 - 2 ГГц; L1 - 8 Кб; L2 - 256 Кб (полноскоростной); процессор 64 - разрядный; шина данных 64 - разрядная (400 МГц); разъем Socket 478.

Northwood. Производится с соблюдением технологических норм 0,13 мкм в 478 - контактном корпусе форм - фактора mPGA478 (FC - PGA2). Особенностью процессора является специальная алюминиевая пластина над кристаллом, которая одновременно выполняет функции теплоотвода и экранирующего элемента.

Prescott. Наследник ядра Northwood, будет изготавливаться по технологии 90 нм, частота системной шины 667 МГц, поддержка Hyper - Threading, Socket 478. Наследник ядра Prescott – Tejas [9].

Процессоры Intel для серверов

Xeon. Официальное наименование линейки процессоров для мощных серверов и рабочих станций. Первые варианты были построены на ядре Deschutes. Технология - 0,25 мкм; Slot 2; L2 имеет объем 512, 1024, 2048 Кб.

Tanner. Pentium III Xeon. Тактовая частота от 500 МГц; частота системной шины 100 МГц; CSRAM - кэш второго уровня объемом 512, 1024, 2048 Кб. Поддерживается MMX и SSE; L1 - 32 Кб [3].

Cascades. Pentium III Xeon, созданный по технологии 0,18 мкм. Это серверный вариант Coppermine. На чипе содержится L2 - 256 Кб; тактовая частота от 600 МГц; частота шины процессора - 133 МГц.

Pentium III - S. Процессоры с ядром Tualatin; технология - 0,13 мкм; кэш L2 - 512 Кб; рабочие частоты - с 1,13 ГГц. Предназначены для двухпроцессорных конфигураций.

Foster. Pentium IV в серверном варианте. Тактовая частота - 100 МГц при передаче данных с частотой 400 МГц; Socket 603 [7].

Prestonia. Pentium IV в серверном варианте, созданный по технологии 0,13 мкм. Основную систему составляет специальный чипсет Plumas. Частота первых моделей процессора - 2,20 ГГц.

Nocona. Xeon с новым ядром, изготовленным по технологии 90 нм. Ядро PentiumIV, Prescott; L2 - 1 Мб; тактовая частота системной шины 533 - 667 МГц [9].

Семейство Pentium V

Nehalem. Производится по технологии 90 нм, а в конце 2015 г. - планировалось и по технологии 65 нм.

Новые процессоры, называемые Core i, изготавливаются по 45-нм технологическим стандартам с использованием высокочастотных диэлектрических и металлических вентильных транзисторов, но в отличие от своих предшественников все четыре ядра расположены на одном кристалле. Core 2 Quad состоит из двух ядер Core 2 Duo, объединенных в одном корпусе. Кроме того, процессоры Nehalem содержат кэш-память третьего уровня объемом 8 Мбайт, встроенный трехканальный контроллер памяти DDR3 и шинный контроллер Quick Path Interconnect (QPI), что потребовало значительного увеличения контактов – до 1366, именно поэтому размер процессора нового поколения стал больше и по форме он уже напоминает прямоугольник, а не квадрат, как у Core 2. Естественно, ни о какой совместимости разъемов речи не идет [22].

Кстати, название Core i7 отражает поколение процессоров, использующих архитектуру P6. В настоящее время доступны три новые модели процессоров: Core i7-965 Extreme Edition, Core i7-940 и Core i7-920. Главным отличием между ними является рабочая частота ядер и шины QPI, которая заменила старую FSB, аналогичную технологии AMD. Естественно, экстремальная версия ориентирована на энтузиастов и оверклокеров, имеет более высокую частоту и разблокирована для увеличения множителя. Также для Core i7-965 Extreme Edition характерно большее количество умножителей для памяти, частота которых формируется путем умножения их на тактовую частоту (опорную частоту шины QPI или QPI bclk), равную 133 МГц. Частоты ядра, шины QPI и кэша L3 также формируются путем умножения определенных коэффициентов на опорную частоту. Если вы разгоняете процессор, повышая QPI bclk, частота всех блоков и памяти будет расти в зависимости от их множителей. Обычный Intel Core i7 не будет столь дружелюбен к оверклокерам, но, возможно, со временем эта проблема все же будет решена [22].

Еще одним нововведением семейства Nehalem стало использование технологии Hyper-Threading (или одновременной многопоточности-SMT, одновременная многопоточность), от которой отказались при переходе на базовую архитектуру. Теперь каждый процессор Core i7 определяется как восемь логических ядер, что позволяет значительно повысить производительность приложений, оптимизированных для многопоточности [14].

Несмотря на перенос части северного моста на процессор, уровень TDP не превышает 130 Вт, что даже ниже, чем у 45-нм Intel Core 2 Extreme QX9770 на недавно выпущенном stepping C0. Это связано с солидностью кристалла, а с меньшим кэшем-у QX9770 он составляет 12 МБ, в то время как Core i7 удовлетворяет кэш-память с общим объемом 9 МБ. Но даже при таком уровне TDP системы охлаждения для новых процессоров немного выросли в размерах, а монтажные отверстия в материнских платах не соответствуют креплениям от кулеров под сокетом LGA775. Учитывая, что сейчас процессоры в большинстве случаев поставляются в коробочном исполнении, вряд ли стоит об этом беспокоиться. Для разгона, конечно, придется найти кулер поэффективнее или крепление для старой, но мощной системы охлаждения [8].

Таким образом, даны определения микропроцессора и микропроцессорной системы, принципы и устройства микропроцессора. Дана классификация микропроцессоров по их архитектуре, представлены параметры, характеризующие микропроцессоры каждого класса как вычислительное устройство и как электронный продукт. Описаны структура и основные блоки микропроцессора i486, который является базовым микропроцессором для данной архитектуры. В статье также рассмотрены классические направления повышения производительности микропроцессоров, показаны их ограничения. Представлены современные пути развития универсальных микропроцессоров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящена изучению архитектуры, функционирования центрального процессора персонального компьютера.

В первом разделе работы дано определение центрального процессора, даны Основные характеристики. В работе представлена схема структуры процессора, описана работа основных регистров.

Второй раздел посвящен принципам работы центрального процессора персонального компьютера. В разделе показан общий рабочий цикл процессора, который состоит из 23 шагов. Описаны форматы команд, которые могут быть: однобайтовая одноадресная команда, двухадресная команда с постбайтовой адресацией и одноадресная команда с постбайтовой адресацией. Приведена также схема центрального процессора и алгоритм функционирования.