Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (История развития).pdf

Введение

В наши дни информационные технологии и электроника вошли и достаточно прочно закрепились в жизни общества по всему миру.

Количество сфер и отраслей производства, в которых применяются и эксплуатируются электронно-вычислительные машины (ЭВМ) с каждым годом постоянно увеличивается, оказывая большое влияние на развитие отдельного человека и общества в целом, так как в нынешних условиях область деятельности людей практически не обходится без использования компьютера вне зависимости от деятельности и прикладных задач.

По мере развития прогресса персональный компьютер наращивает вычислительные мощности, изменяются технические характеристики, показатели производительности и расширяется область применения. В основе устройства любого компьютера лежит обработка и преобразование информации: ЭВМ обрабатывает входные данные, хранит, выводит информацию и осуществляет обмен информацией с внешними объектами. Выделенные сервера, сетевое оборудование, персональные компьютеры, умные дома, планшеты, смартфоны, носимая электроника обрабатывают поток информации с помощью процессора - электронной микросхемы, исполняющей машинные инструкции.

Цель и актуальность данной работы состоит в определении основного назначения, архитектуры и классификации современных процессоров.

Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить историю развития;
• Выполнить анализ основных характеристик процессора;
• Рассмотреть архитектуру и назначение процессоров;
• Исследовать актуальные модели и производителей, рассмотреть их достоинства и характеристики.

1. История развития

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Первый процессор, реализованный в одной схеме, был выпущен 15 ноября 1971 года, процессор Intel 4004 с тактовой частотой 715кГц. Количество транзисторов — не более 3000, в то время, как в современных процессорах на конец 2019г количество транзисторов достигает 3,9 млрд. Первые однокристальные процессоры были изготовлены по технологии 10 мкм PMOS, память для программ: 4-8 Кбайт, быстродействие: 0,09 MIPS^[1]. Применялись в программируемых калькуляторах.

8 июня 1978 года появился 16-битный процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах. Быстродействие колеблется от 0,33 до 2,66 MIPS. Использовались в первых персональных компьютерах, терминалах, контроллерах, автоматизированной технике.

Первый 32-битный процессор Intel был представлен 1 января 1981 года. Впервые появился двухуровневый кэш. Применяются в различных ЭВМ, терминалах. 32-разрядные ЦП все еще достаточно широко распространены и в наши дни.

Первый 64-разрядный микропроцессор Intel выпустила в 2001 году (совместно с Hewlett-Packard), под названием Intel Itanium. В будущем, 32-битные процессоры будут полностью вытеснены 64-разрядными, как ранее 4, 8 и 16-битные микропроцессоры. Быстродействие современных процессоров составляет от 300 MIPS.

2. Понятие и основные характеристики современных процессоров

В настоящее время общее представление о том, что такое процессор имеет практически каждый человек.

Центральный процессор (Микропроцессор, ЦП, CPU) – транзисторная микросхема, важнейшая часть аппаратного обеспечения любого компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение необходимых арифметических операций (машинных инструкций), заданных программами, координирующая работу всех устройств компьютера. Во время выполнения процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером.

Большинство процессоров, используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и, блоков, как процессоры, выпускаемые компаний Intel. Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM, для мобильных устройств Qualcomm.

Первым процессором, предназначенным для массового использования, стал POWER4 содержащий два ядра, выполняющий команды архитектуры PowerPC на одном кристалле. Был выпущен компанией IBM в 2001 году.

2-ядерный IBM PowerPC-970MP (G5) был представлен в 2005 году и стал последним процессором семейства PowerPC. Эти CPU использовались в Power Mac G5 и в IBM IntelliStation POWER 185.

В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный для серверов.

В мае того же года Intel выпустила процессор Pentium D, который стал первым 2-ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров. Pentium D, созданный на основе архитектуры NetBurst, состоял из двух раздельных процессоров, помещенных на одну подложку, без каких либо общих элементов. Так как компания Intel отказалась от архитектуры NetBurst в конце 2005 года, развитие Pentium D не получил. Настоящий многоядерный процессор Core Duo на более экономичной архитектуре Core был выпущен компанией Intel в январе 2006 года.

Проанализировать и оценить вычислительную мощность и производительность персонального компьютера, можно зная характеристики процессора, что имеет большое значение.

По мере развития и повышения производительности процессоров наращивать тактовую частоту становилось все тяжелее, так как увеличивались требования к системе охлаждения процессоров^[2], что привело к необходимости растить процессоры в ширину, то есть добавлять ядра. На одном кристалле кремния располагается два и более вычислительных ядер, так возникло понятие многоядерности.

Смысл повышения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в том, что выполнение потоков разбивается на несколько ядер. В целом каждый процесс, запущенный в операционной системе, имеет несколько потоков или тредов. В диспетчере устройств отображение многоядерного процессора представлено на Рисунок 1 Многоядерный процессор в Диспетчере устройств.

Рисунок 1 Многоядерный процессор в Диспетчере устройств

Физически процессор может быть одноядерным, но при этом операционная система виртуально создает для себя большое количество потоков и выполняет их одновременно. Этот принцип реализует многозадачность Windows и других Операционных Систем, таких как mac OS, семейство Linux.

Особенно заметно увеличение скорости работы системы на нескольких ядрах при работе одновременно с несколькими приложениями. Наибольшую выгоду дополнительные ядра приносят в рабочих задачах, подверженных эффективному распараллеливанию. К ним относятся, например, архивация файлов, обработка графики, кодирование аудио/видео, моделирование.

Как пример можно привести HandBrake ^[3]– это программа, которая конвертирует видео в различные форматы. Во время ее работы один поток будет кодировать видео, другой – аудио.

При этом если процессор одноядерный, но имеет виртуальное ядро и два потока выполняются одновременно, то нужно визуально нужно создать эту одновременность выполнения. Действия операционной системы: она мгновенно переключается между выполнением потоков. Таким образом, система сначала выполняет одно действие, затем другое и так по очереди. Следует отметить, что производительность при этом снижается.

В случае если процессор многоядерный такого переключения не будет. Система начнет направлять каждый поток на отдельное ядро, это позволит избавиться от переключения с потока на поток, тем самым повысится производительность. Принцип многоядерности и многопоточности заключается в том, что потоки могут выполняться одновременно, без потери производительности и времени. К сожалению не все программы оптимизированы на поддержку многоядерности. Несмотря на это разработчиками создаются множество программ, с оптимизированным кодом, совместимых с многоядерными процессорами.

Утилита CPU-Z ^[4]показывает наиболее полную информацию о CPU: имя, сокет, размер кэш памяти, ядро процессора, инструкции, частоту ядра и шины. Дополнительно показывает информацию о материнской плате.

Внешний вид программы приведен на Рисунок 2 Утилита CPU-Z.

Рисунок 2 Утилита CPU-Z

2.1. Технологический процесс в современных процессорах

Техпроцесс становится довольно важным параметром при выборе процессора, так как именно он влияет на увеличение производительности, за счет конструктивных изменений. Техпроцесс представляет собой общее понятие для центральных и графических процессоров, которые используются в видеокартах.

Основным элементом в процессорах является транзистор - главный компонент в любой электрической схеме. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжение источника питания, что позволяет логическим схемам работать в двух состояниях - включен и выключен (двоичной системе). Двоичная система используется в компьютерах потому, что числа в ней легко кодировать напряжением: есть напряжение — значит, единица; нет напряжения — значит, ноль. Кроме того, «ноль» и «один» легко можно понимать, как «ложно» и «истинно».

Основа производительности процессора заключается в транзисторах, соответственно, чем меньше их размер, тем большее их количество поместится на кристалле процессора.

Самый первый транзистор, изготовленный учеными Bell Labs в 1947 году, по размеру был как человеческая ладонь, а 45-нм транзистор от Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека, благодаря усовершенствованию размеров транзисторов в современных процессорах их количество уже давно переходит за 2 млрд. На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32нм и меньше. Ключевые технические отличия от технологии 45нм:

— используется 9 уровней металлизации;

— применяется диэлектрик нового поколения.

2.2. Частота процессора

Частота – это количество синхронизирующих импульсов в секунду.

При рассмотрении характеристик процессоров тактовая частота особенно выделяется. В настоящий момент повышение тактовой частоты не развивается высокими темпами, как это было раньше. Чаще всего разработки проходят с целью усовершенствования архитектуры, кэш-памяти, увеличению ядер и тому подобного.

Количество вычислений, производимых процессором в единицу времени, именно то, что характеризует частота, отсюда, чем больше операций процессор выполняет при большей тактовой частоте.

Тактовая частота современных процессоров составляет 1,5-4ГГц. Она определяется умножением внешней (базовой) частоты, на определённый коэффициент.

В настоящее время одноядерные процессоры стремительно исчезают с рынков, ведь технологии находятся в постоянном развитии. В связи с этим нужно иметь конкретное представление о процессе расчета частоты процессоров с двумя и более ядрами.

Суммарную частоту процессора нельзя понимать, как количество ядер, умноженное на указанную частоту, т.к. это является распространенным заблуждением в расчетах тактовой частоты. Суть производительности многоядерных процессоров сводится к тому, что вычислительный процесс разбит на параллельные потоки, которые могут быть выполнены в одно и то же время различными ядрами процессора. У Intel параллельные потоки или многопоточность называется Hyper-Threading^[5].

Существует пример: «Если представить четыре ручья шириной и глубиной в один метр, скорость течения воды, в каждом из которых составляет 3 м/сек, понятно, что скорость четырех ручьев не будет составлять 12 м/сек, а вот суммарная производительность всех четырех ручьев составит 12 куб. м. за секунду. То же самое можно отметить и в процессорах, при этом скорость потока воды – это тактовая частота, которая не умножается и не суммируется при увеличении количества ядер». Частота процессора от количества ядер не изменяется, возрастает производительность.