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

· изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону, для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;

· интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;

· появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих не используемые блоки и ядра;

· появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора, при низкой нагрузке.

Энергоэффективность

Еще два-три года назад выбор процессора для ПК ограничивался рассмотрением двух составляющих — производительности процессора и его стоимости, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота. Однако времена меняются, и уже сейчас сводить все только к производительности и стоимости — значит сильно упрощать реальную ситуацию. Кроме абсолютной производительности процессоры принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой электроэнергии. Ранее, когда потребляемая процессором мощность составляла всего несколько десятков ватт, на такую характеристику, как энергоэффективность, просто не обращали внимание. Однако при достижении потребляемой процессором мощности рубежа в 100 Вт и даже его превышении энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик процессора.
И дело даже не только (и не столько) в том, что чем выше потребляемая процессором мощность, тем больше приходится платить за электроэнергию (в России эта проблема не столь актуальна), а в том, что процессоры с высоким энергопотреблением трудно охлаждать. Приходится использовать массивные и шумные кулеры, что исключает возможность создавать малошумные ПК. Естественно, оптимальным решением будет производительный процессор с низким энергопотреблением, что, собственно, и отражено в понятии энергоэффективности.

Понятно, что энергоэффективность процессора, как и его производительность, не имеет численного выражения и в этом смысле не является технической характеристикой процессора. В то же время энергоэффективность зависит от таких характеристик, как микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая мощность и поддержка процессором функции энергосбережения.

Функциональные возможности

Кроме производительности и энергоэффективности, современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. К примеру, современные процессоры Intel (в зависимости от модели) поддерживают такие технологии, как технология виртуализации Intel Virtualization Technology (Intel VT), технология защиты от вирусов Execute Disable Bit, технология 64-разрядных вычислений Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T), технология защиты от перегрева Intel Thermal Monitor 2, технологии энергосбережения Enhanced Intel SpeedStep и Enhanced Halt State (C1E).
В процессорах AMD тоже присутствуют аналогичные технологии, но называются они по-другому, да и реализованы несколько иначе. К примеру, в зависимости от модели, в процессорах AMD могут поддерживаться технология 64-разрядных вычислений AMD 64, технология антивирусной защиты NX Bit, технология виртуализации AMD Virtualization и технология энергосбережения AMD Cool ‘n’ Quiet.

Производительность

Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на реализацию той или иной задачи, тем выше его производительность. Казалось бы, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако не все так просто. Рассмотрим простой пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в первом приложении, а второй процессор — во втором. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Ответ здесь отнюдь не тривиален, и реальная ситуация такова, что какие-то процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а какие-то — на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой абсолютной истине), а о производительности на наборе приложений.

На производительность процессора оказывают непосредственное влияние его микроархитектура, размер кэша, тактовая частота и количество ядер процессора. Напомним, что, кроме одноядерных, в настоящее время существует большое многообразие двухъядерных процессоров для ПК. Собственно, переход от одноядерных процессоров к многоядерным — это современный тренд в развитии процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне очевидна. Дело в том, что на протяжении всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности являлось наращивание тактовой частоты. В то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Собственно, энергопотребление процессоров сегодня уже достигло той критической отметки, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты стало невозможным, поскольку процессоры просто нечем будет охлаждать. А это означает, что возникла необходимость в поиске кардинально иных способов увеличения производительности процессоров, и один из них — переход от одноядерных процессоров к двухъядерным и многоядерным. Причем это действительно революционный шаг в развитии процессоров, поскольку он не просто меняет архитектуру процессоров, но и требует изменения всей инфраструктуры, включая программное обеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать выигрыш по производительности только в том случае, если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код написан таким образом, что подразумевает только последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности проку не будет.

Архитектура и структура процессора

Структура центрального процессора

Функционально центральный процессор можно разделить на две части:

· операционную, содержащую арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения;

· интерфейсную, содержащую адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Системная шина - набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.

· Шина данных - служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

· Шина адреса - используется для передачи сигналов, с помощью которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций чтения/записи и ввода-вывода.

· Шина управления - служит для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

Архитектура процессора

Устройство управления

Микропроцессор или микрокомпьютер является практически законченной системой управления. Он имеет сложную архитектуру и представляет собой сверхбольшую интегральную схему, выполненную, как правило, на одном полупроводниковом кристалле. Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных. В самом общем виде структурная схема микропроцессора может иметь следующий вид (рисунок 1):

Рис.1. Структурная схема процессора

Центральный процессор (CPU) является обязательным узлом любого микропроцессорного устройства, его ядром. В его состав входит: арифметико-логическое устройство (АЛУ); регистр-аккумулятор; логические устройства управления и синхронизации; внутренняя шина.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические или логические операции над данными, представленными в двоичном или двоично-десятичном коде. Результат выполнения операции сохраняется в так называемом регистре-аккумуляторе. Регистр-аккумулятор представляет собой ячейки оперативной памяти, но, в отличие от ОЗУ, обмен информацией производится более короткими командами, т.е. регистр-аккумулятор является наиболее быстродействующим устройством памяти микропроцессора.
Устройство управления и синхронизации применяется для управления другими узлами микропроцессора, обеспечивая выполнение необходимых задач в соответствии с программой, хранимой в ПЗУ. Узел синхронизации обеспечивает синхронную работу всех узлов с помощью импульсов синхронизации и других управляющих сигналов. В состав устройства управления и синхронизации входит тактовый генератор и формирователь тактовых импульсов. Для генерации импульсов синхронизации используется кварцевый генератор, имеющий внешний кварцевый резонатор. Частота тактового генератора определяет быстродействие микропроцессора.
Связь между различными элементами микропроцессора осуществляется с помощью внутренней шины. Шина - это группа проводников, используемых в качестве линии связи для передачи цифровой информации. В микропроцессоре имеется три основных вида шин: это шина данных, адресная шина и шина управления.
Шина данных обеспечивает передачу данных между узлами процессора. Адресная шина используется для передачи адреса ячейки памяти с целью получить данные из постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства. Шина управления используется для передачи управляющих сигналов от микропроцессора к другим элементам системы.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянной информации, которая вводится в него на этапе производства микропроцессора и не может быть изменена. Это значит, что записанные на заводе-изготовителе данные сохраняются неизменными при выключении питания микропроцессора. ПЗУ расположено на кристалле микропроцессора и состоит из большого количества ячеек. Каждая ячейка памяти имеет свой порядковый номер, называемый адресом. В этих ячейках хранятся коды команд - это и есть управляющая программа, исполняемая микропроцессором во время его работы. Информация вводится в ПЗУ на этапе изготовления микропроцессора, а процедура введения этой информации называется масочным программированием.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для временного хранения промежуточных данных. Микропроцессор в процессе работы может изменять эти данные. При выключении питания информация, хранимая временно в ОЗУ, не сохраняется.
Устройство ввода/вывода (интерфейс ввода/вывода) обеспечивает связь с периферийными устройствами - микросхемами, клавиатурой и др. Подключение к внешним устройствам производится через специальные устройства, называемые портами. Они выполнены в виде набора двунаправленных линий. На структурной схеме показан параллельный 8-разрядный порт (выводы 0...7), который можно конфигурировать различным образом. Последовательный порт можно реализовать, используя две линии параллельного порта - одну для передачи, другую для приема необходимых данных. Количество портов может быть любое и зависит от выполняемых микропроцессором задач.

Микропроцессорная память

Микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Интерфейсная часть микропроцессора

Интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК. Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:
- кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
- кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
- кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
- шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
·между микропроцессором и основной памятью;
·между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
·между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления [7, c. 213]. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).
Таким образом, микропроцессор представляет собой сложным образом организованную структуру, каждый элемент которой выполняет определенную функцию.