Файл: Основные функции процессора и классификация процессора персонального компьютера..pdf

- Быстрая многоуровневая кэш-память. Процессоры сохраняют промежуточные результаты вычислений во встроенной кэш-памяти (cache memory). Ее тактовая частота равна частоте самого процессора, поэтому она гораздо быстрее системной памяти. Большинство современных процессоров имеют кэш-память первого (Level 1, L1), второго (Level 2, L2) и третьего (Level 3, L3) уровней. Кэш-память первого уровня относительно мала (несколько сот килобайт). Кэши второго и третьего уровня больше (до нескольких мегабайт) и медленнее кэш-памяти первого уровня, но все равно работают с более высокой скоростью, чем системная оперативная память. Данные, поступающие из кэша, обеспечивают максимальную загруженность процессора, избавляя его от необходимости ожидания отклика от системной памяти. - Конвейерная обработка, т.е. последовательное прохождение команд через различные компоненты ЦП. Преимущество такого метода обработки данных в том, что при наличии конвейера процессор занимается не одной командой в каждый момент времени, а несколькими.

- В конвейерной обработке используются алгоритмы предварительной выборки команд и данных. При загрузке команды блок предвыборки (prefetch) пытается предугадать, какие команды и данные потребуются дальше.

Распараллеливание вычислений с помощью нескольких физических вычислительных ядер. Современные многоядерные процессоры имитируют присутствие в системе двух, четырех и более отдельных процессоров. Если исполняемая программа имеет функцию распараллеливания вычислений, разделяя их на несколько потоков (Threads), эти вычисления могут быть выполнены одновременно.

- Поддержка алгоритмов обработки данных мультимедиа, работающих по принципу SIMD (Simple Instruction - Multiple Data, то есть одна команда - множество данных). Процессоры, поддерживающие подобные технологии, быстрее обрабатывают большие объемы данных, требующих многократного исполнения одинаковых команд.

Глава 2 Функции и классификации процессоров ПК

2.1 Функции процессора

Процессор (рис. 4) обычно представляет собой отдельную микросхему или же часть микросхемы (в случае микроконтроллера). В прежние годы процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но сейчас от такого подхода уже практически отказались.

Рисунок 4 - Схема включения процессора

Микросхема процессора обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Иногда некоторые сигналы и шины мультиплексируются, чтобы уменьшить количество выводов микросхемы процессора.

Важнейшие характеристики процессора — это количество разрядов его шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы.

Кроме выводов для сигналов трех основных шин процессор всегда имеет вывод (или два вывода) для подключения внешнего тактового сигнала или кварцевого резонатора (СLК), так как процессор всегда представляет собой тактируемое устройство. Чем больше тактовая частота процессора, тем он быстрее работает, то есть тем быстрее выполняет команды. Впрочем, пик быстродействие процессора определяется не только тактовой частотой, но и особенностями его структуры. Современные процессоры выполняют большинство команд за один такт и имеют средства для параллельного выполнения нескольких команд. Тактовая частота процессора не связана прямо и жестко со скоростью обмена по магистрали, так как скорость обмена по магистрали ограничена задержками распространения сигналов и искажениями сигналов на магистрали. То есть тактовая частота процессора определяет только его внутреннее быстродействие, а не внешнее. Иногда тактовая частота процессора имеет нижний и верхний пределы. При превышении верхнего предела частоты возможно перегревание процессора, а также сбои, причем, что самое неприятное, возникающие не всегда и нерегулярно. Так что с изменением этой частоты надо быть очень осторожным.

Еще один важный сигнал, который имеется в каждом процессоре, — это сигнал начального сброса RЕSЕТ. При включении питания, при аварийной ситуации или зависании процессора подача этого сигнала приводит к инициализации процессора, заставляет его приступить к выполнению программы начального запуска. Аварийная ситуация может быть вызвана помехами по цепям питания и «земли», сбоями в работе памяти, внешними ионизи­рующими излучениями и еще множеством причин. В результате процессор может потерять контроль над выполняемой программой и остановиться в каком-то адресе. Для выхода из этого состояния как раз и используется сигнал начального сброса. Этот же вход начального сброса может использоваться для оповещения процессора о том, что напряжение питания стало ниже установленного предела. В таком случае процессор переходит к выполнению программы сохранения важных данных. По сути, этот вход представляет собой особую разновидность радиального прерывания.

Иногда у микросхемы процессора имеется еще один-два входа радиальных прерываний для обработки особых ситуаций (например, для прерывания от внешнего таймера).

Шина питания современного процессора обычно имеет одно напряжение питания (+5В или +3,ЗВ) и общий провод («землю»). Первые процессоры нередко требовали нескольких напряжений питания. В некоторых процессорах предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Вообще, современные микросхемы процессоров, особенно с высокими тактовыми частотами, потребляют довольно большую мощность. В результате для поддержания нормальной рабочей температуры корпуса на них нередко приходится устанавливать радиаторы, вентиляторы или даже специальные микрохолодильники.

Для подключения процессора к магистрали используются буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Иногда протоколы обмена по системной магистрали и по шинам процессора не совпадают между собой, тогда буферные микросхемы еще и согласуют эти протоколы друг с другом. Иногда в микропроцессорной системе используется несколько магистралей (системных и локальных), тогда для каждой из магистралей применяется свой буферный узел. Такая структура характерна, например, для персональных компьютеров.

После включения питания процессор переходит в первый адрес про­граммы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на ПДП. Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения.

Таким образом, основные функции любого процессора следующие^[6]:

• выборка (чтение) выполняемых команд;

• ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

• вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

• обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

• адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет

производиться обмен;

• обработка прерываний и режима прямого доступа.

2.2 Классификация процессоров

Процессор – устройство, осуществляющее процесс автоматической обработки данных  и программное управление этим процессом. Процессоры можно классифицировать, например, по следующим признакам^[7]:

1)    По используемой системе счисления:

- работающие в позиционной системе счисления;

-  работающие в непозиционной системе счисления (например, СОК).

2) По способу обработки разрядов:

- с параллельной обработкой разрядов;

- с последовательной обработкой;

- со смешанной обработкой (последовательно-параллельной).

3) По составу операций:

- процессоры общего назначения;

- проблемно-ориентированные;

- специализированные.

4) По месту процессора в системе:

- центральный процессор (ЦП);

- сопроцессор;

- периферийный процессор;

- канальный процессор (контроллер канала ввода/вывода);

- процессорный элемент (ПЭ) многопроцессорной системы.

5) По  организации  операционного устройства:

- с операционным устройством процедурного типа (I-процессоры,      M-процессоры);

-  процессоры с блочным  операционным устройством;

-  процессоры с конвейерным операционным устройств   (с арифметическим конвейером).

6) По организации обработки адресов:

-  с общим операционным устройством;

- со специальным (адресным) операционным устройством.

7) По типу операндов:

-  скалярный процессор;

- векторный процессор;

- с возможностью обработки и скалярных, и векторных  данных.

8) По логике управления процессором:

- с жесткой логикой управления;

- с микропрограммным управлением.

9) По составу (полноте) системы команд:

- RISC;

- CISC.

10) По организации управления потоком команд / способу загрузки исполнительных устройств:

-  с последовательной обработкой команд;

- с конвейером команд;

- суперскалярные процессоры;

-  процессоры с длинным командным словом (VLIW) и т. д.

Как всякая классификация, приведенная выше классификация не может считаться полной, так как количество типов процессоров  достаточно велико и по своим архитектурам процессоры  весьма многообразны.

2.3 Выбор оптимального процессора для ПК

Разумеется, процессор – это мозг нашего компьютера и от его быстродействия зависит скорость работы компьютера. Рассмотрим, какими характеристиками и свойствами обладает современный ЦП:

- Производитель. В настоящее время, на рынке ПК доминируют всего две компании: Intel Corporation и Advanced Micro Devices (AMD). Intel делает ставку на производительность и применение инновационных технологий, AMD, в свою очередь, ставит акцент на ценовую доступность и удобство «разгона» процессора (повышение тактовой частоты специальными методами)^[8].

- Используемый сокет. Сокет – это разъем, куда устанавливается процессор. Как правило, каждое семейство процессоров использует свой сокет, отличающийся конструкцией и количеством контактов. Современные процессоры используют следующие сокеты:

ЦП производства Intel: Socket LGA1150, LGA1155, LGA2011.

ЦП производства AMD: Socket AM3+; Socket FM2; Socket FM2+.

- Тактовая частота. Такт – это промежуток между двумя элементарными операциями. Тактовая частота, в свою очередь, характеризует количество выполняемых операций в секунду. Некоторые операции выполняются за несколько тактов. Чем выше это значение, тем быстрее работает процессор. Измеряется в МГц (мегагерцах) и ГГц (гигагерцах). Современные ЦП (центральные процессоры) имеют частоту от 3 до 5 гигагерц. Важно заметить, что процессоры, работающие на одной и той же частоте, но относящиеся к разным поколениям, будут иметь разную производительность в силу различных технологий производства.

- Количество ядер. Ядром процессора называется отдельная микросхема-вычислитель, выполняющая программные инструкции. Современные процессоры, будучи сложными техническими устройствами, содержат в себе от 1 до 8 и более ядер в одном корпусе. Многоядерные процессоры позволяют добиться существенного прироста производительности в многопоточных приложениях, за счет распределения выполняемых потоков по ядрам.

- Коэффициент умножения. Это значение зависит от частоты системной шины. Системная шина – специальная система коммуникации процессора с внутренними устройствами. Частота системной шины определяется тактовым генератором чипсета материнской платы. Таким образом, коэффициент умножения — это отношение тактовой частоты процессора к частоте системной шины. К примеру, если процессор работает на частоте 3.1 ГГц, а частота системной шины материнской платы 200 МГц, то коэффициент процессора будет 15,5. На этом примере мы рассчитали множитель процессора AMD FX-8120. Процессоры могут иметь заблокированный коэффициент умножения, что может вызвать трудности при «разгоне».