Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Понятие и назначение процессора)).pdf

Введение

В современном мире, где информационные технологии так прочно вошли в жизнь человека, мы не можем представить ни одной области деятельности людей без компьютера. Дома, на работе, на учебе - сфера использования компьютеров необъятна и безгранична, она постоянно расширяется, существенно влияя не только на экономическую и производственную сферы, но и на жизнь всего общества в целом. С развитием общества развивается и компьютер, изменяются в лучшую сторону его технические характеристики, такие как быстродействие, удобство в работе, стоимость, размеры, количество потребляемой электроэнергии. Прежде всего, компьютер рассматривается как преобразователь информации: человек вводит данные, ЭВМ обрабатывает их и выводит информацию (уже обработанную) на монитор (либо другое устройство). Все персональные компьютеры, а также прочие технические устройства (планшеты, смартфоны) обрабатывают нескончаемый поток информации с помощью специальной электронной микросхемы, называемой процессором.

Актуальность работы обусловлена тем, что компьютер прочно вошел в жизнь людей, но многие из них даже и не задумываются о сущности персонального компьютера, о том, как он устроен и из чего состоит.

Объектом работы является процессор персонального компьютера.

Предметом исследования являются назначение, функции, классификация процессоров, современные модели процессоров.

Цель данной работы заключается в изучении понятия, функциональности, классификации процессоров.

Для осуществления данной цели были определены следующие исследовательские задачи:

– Проанализировать назначение и основные характеристики процессора;

– Исследовать функции процессора;

– Исследовать классификации процессоров;

– Исследовать современные модели процессоров.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теоретический анализ исторических, публицистических, научных, социологических источников и их описание.

1. Понятие и назначение процессора

Современное общество с уверенностью можно назвать технологическим, термин процессор здесь знает практически каждый человек. Это, можно сказать, даже не специфика, а общие знания любого эрудированного человека. Но все-таки, что же такое процессор?

Процессор (или центральный процессор) – это электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

---

Современный процессор, выполняется в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, поэтому его называют микропроцессором.

Внешне современный микропроцессор имеет вид прямоугольной пластинки из кристаллического кремния. На ее небольшой площади располагаются схемы (транзисторы). Сама пластинка помещается в керамический или пластмассовый корпус, к которому она подсоединяется посредством золотых проводков. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.

Впервые термин процессор (от англ. «to process» — «обрабатывать») стал использоваться в литературе посвященной вычислительной технике с 60-х годов прошлого века и в основном использовался применительно к семейству вычислительных машин IBM/360. Процессоры этих ЭВМ получили обозначение CISC (Complex Instruction Set Computer) — компьютер со сложным (полным) набором команд (инструкций). Таким образом, можно считать, что основоположником данной архитектуры является компания IBM.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году [6]. Важнейшие этапы этого процесса следующие.

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства) [4].

Во время процесса 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, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно.

В дальнейшем, с момента своего появления и в последующие годы, архитектура процессоров была направлена на сокращение объема программ, критичного для систем того времени, обладающих весьма небольшой оперативной памятью [5]. С этой целью в каждую новую модель добавлялись новые операции, что позволяло уменьшить размер программ, упростить их написание и отладку, но, с другой стороны, повышало трудоемкость и увеличение сроков разработки самих процессоров, и приводило к появлению различных ошибок в работе процессора. Эти недостатки обусловили разработку альтернативной архитектуры, направленной на увеличение числа операций, выполняемых за один такт, и, следовательно, быстродействия.

---

2. Функции процессора

Процессор - это своего рода «мозги» компьютера. Ни один другой элемент в компьютере не выполняет задач больше, чем процессор. Через центральный процессор проходит вся информация и все процессы. Он перерабатывает информацию и распределяет ее уже между другими компонентами.

Основные функции центрального процессора:

– выборка (чтение) команд из памяти;

– прием (чтение) данных из оперативной памяти или устройства ввода/вывода;

– обработка данных (операндов), то есть выполнение над ними арифметических, логических и других операций, определяемых кодом команды;

– передача (запись) обработанных данных в память или в устройства ввода/вывода;

– формирование адреса команд, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

– обработка прерываний и режима прямого доступа.

Все эти функции процессор выполняет каждую секунду своей работы, обеспечивая стабильную работу компьютера.

3. Основные характеристики процессоров

Зная характеристики процессора, можно проанализировать его и адекватно оценить вычислительную производительность компьютерной системы. Именно поэтому, очень важно хорошо разбираться во всех основных характеристиках процессоров.

Одной из наиболее специфических характеристик процессоров является тактовая частота. Она указывает скорость работы процессора в герцах – количество рабочих операций в секунду. Чем больше тактовая частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор.

Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота. Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.

Тактовая частота современных процессоров, в основном, составляет 1,0-4ГГц. Она определяется умножением внешней или базовой частоты, на определённый коэффициент. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20, в результате чего тактовая частота равна 2660 МГц. [12]

Частоту процессора можно увеличить в домашних условиях, с помощью разгона процессора. Существуют специальные модели процессоров от AMD и Intel, которые ориентированы на разгон самим производителем, к примеру, Black Edition у AMD и линейки К-серии у Intel.

---

Достаточно продолжительное время все старания разработчиков были направлены именно на повышение тактовой частоты, но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так возникло понятие многоядерности [1].

Такой характеристике процессоров как многоядерность ещё несколько лет назад не уделяли слишком много внимания, сейчас же она является одной из важнейших характеристик. Появление первого двухъядерного процессора именно для персональных компьютеров, состоялось только в 2005 году, хотя многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее. Данный процессор назывался Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерный процессор Opteron от AMD, но для серверных систем [5].

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный в операционной системе системе, имеет несколько потоков.

Нужно сразу же оговориться, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).

К примеру, рассмотрим антивирусную программу. Один поток будет выполнять сканирование компьютера, другой - обновление антивирусной базы.

Рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:

а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система делает это так: происходит переключение между выполнением этих двух потоков. То есть, система выполняла обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Поскольку эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах, то создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Естественно, производительность теряется.

б) Процессор многоядерный. В данном случае такого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток. Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности.

---

В конечном итоге, намного быстрее выполнится сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом, не все происходит так идеально. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.

Еще одна характеристика процессора – это технологический процесс.

Технологический процесс напрямую не влияет на производительность процессора, но несмотря на это, именно технологический процесс влияет на увеличение производительности процессора, за счет конструктивных изменений.

Основным элементом в процессорах являются транзисторы – миллионы и миллиарды транзисторов. Из этого и вытекает принцип работы процессора. Транзистор, может, как пропускать, так и блокировать электрический ток, что дает возможность логическим схемам работать в двух состояниях – включения и выключения, то есть во всем хорошо известной двоичной системе (0 и 1).

Технологический процесс определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). Основа производительности процессора заключается именно в транзисторах. Соответственно, чем размер транзисторов меньше, тем их больше можно разместить на кристалле процессора.

Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах. Новые процессоры Intel выполнены по технологическому процессу 22 нм. Нанометр (нм) - это 10 в -9 степени метра, что является одной миллиардной частью метра. Чтобы лучше представить насколько это миниатюрные транзисторы, можно привести один интересный научный факт: « На площади среза человеческого волоса, с помощью усилий современной техники, можно разместить 2000 транзисторных затворов». [9]

Если брать во внимание современные процессоры, то количество транзисторов, там уже давно переходит за 1 млрд. [9]

Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является кэш-память, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.

Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой ОЗУ. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Кэш-память - это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются.

---