Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Понятие и назначение процессора)).pdf
Добавлен: 02.04.2023
Просмотров: 247
Скачиваний: 1
Кэш-память делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 — самый маленький и быстрый, L3 — самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.
Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти - скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро.
Разрядность процессора представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым единовременно может производиться машинная операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем выше производительность процессора. Сейчас большинство процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ.
Рабочая температура процессора – наивысший показатель температуры поверхности процессора, при котором возможна нормальная работа (54-100 °С). Этот показатель зависит от нагрузки на процессор и от качества отвода тепла. При превышении предела компьютер либо перезагрузится, либо просто отключится. Это очень важная характеристика процессора, которая напрямую влияет на выбор типа охлаждения.
Тепловыделение TDP (Thermal Design Power) – параметр, указывающий на то количество тепла, которое способна отвести охлаждающая система от определенного процессора при наибольшей нагрузке. Значение представлено в ваттах при максимальной температуре корпуса процессора.
Энергопотребление ACP (Average CPU Power) – средняя мощность процессора, показывающая потребление энергии процессором при конкретных задачах. Чем выше энергопотребление процессора, тем выше его тепловыделение.
Наличие встроенного графического ядра. Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.
4. Классификации процессоров
Существуют следующие классификации процессоров.
1) По числу больших интегральных схем (БИС): универсальные, однокристальные, секционированные.
Большая интегральная схема (БИС) – это интегральная схема, имеющая высокую степень интеграции, и которая используется как функционально законченный узел в устройствах вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.
Универсальные процессоры делятся на CISC - и RISC - микропроцессоры. CISC - микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) обладают всем классическим набором команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Это, например, Pentium. RISC‑микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют урезанное количество команд и режимов адресации. Это, например, Alpha 21x64 и Power PC. [4]
Однокристальный микроконтроллер (ОМК или просто МК) применяется в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. Однако возможности однокристального микропроцессора ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.
Секционированный процессор (или микропрограммируемый) - это процессор, предназначенный для построения специализированных процессоров. Он представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.
2) По назначению бывают универсальные и специализированные процессоры.
Универсальный процессор решает широкий спектр задач, обычно используется как центральный процессор компьютера (Central Processing Unit, CPU), исполняющий машинные инструкции системного программного обеспечения и пользовательских приложений. Ориентация такого процессора на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
Специализированный процессор - это процессор, предназначенный для решения специализированных, узконаправленных задач. Среди таких процессоров можно выделить различные микроконтроллеры, направленные на выполнение сложных последовательностей логических операций. С помощью специализированных процессоров можно эффективно решать задачи параллельной обработки данных (Intel Xeon Phi - 1,2 трлн. операций/с); обработку и отображене сцен компьютерной графики (например, NVidia GeForce GTX780 Ti, 2880 ядер, до 5 трлн. операций/с, частота ядра 876 МГц); обработку алгоритмов шифрования и аутентификации. [3]
3) По виду обрабатываемых входных сигналов процессоры делят на цифровые и аналоговые процессоры.
Аналоговый процессор представляет собой аналоговый функциональный преобразователь сигналов. Он выполняет функции аналоговой схемы. Использование такого процессора увеличивает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности.
Цифровой процессор (процессор цифровой обработки сигналов, сигнальный процессор, Digital Signal Processor) – это микропроцессор, особенностью работы которого является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени и, как правило, с интенсивным обменом данных с внешними устройствами. Такие процессоры применяются в самых различных областях, так, как они способны обеспечивать работу в реальном масштабе времени.
Аналоговая обработка сигнала, традиционно применяемая в большинстве устройств, является во многих случаях более практичным и дешевым способом достижения требуемого результата. Однако тогда, когда требуется высокая точность обработки данных, реализация устройства в весьма компактном и миниатюрном виде, достижение высокой стабильности рколхо характеристик рколхо устройства в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственно приемлемым решением.
4) По характеру временной организации работы – синхронные и асинхронные.
Синхронные процессоры - процессоры, в рколхо которых начало рколхо и конец выполнения рколхо операций задаются рколхо устройством рколхо управления (время выполнения операций в этом случае рколхо не зависит от вида рколхо выполняемых команд рколхо и величин операндов).
Асинхронные процессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по рколхо сигналу фактического рколхо окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного рколхо использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно рколхо работающих устройств вводят электронные рколхо цепи, обеспечивающие рколхо автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий рколхо его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль рколхо естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных рколхо устройств по рколхо обеспечению их командной информацией и данными.
5) По организации структуры микропроцессорных систем различают одно- и многомагистральные микроЭВМ
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем увеличивает производительность.
6) По количеству выполняемых рколхо программ – одно- рколхо и многопрограммные процессоры.
В однопрограммном процессоре выполняется рколхо одна программа. Переход к выполнению другой рколхо программы происходит рколхо после завершения текущей программы.
В много- или мультипрограммном процессоре одновременно выполняется несколько рколхо программ. Организация рколхо мультипрограммной рколхо работы микропроцессорных рколхо управляющих рколхо систем позволяет рколхо осуществить рколхо контроль за состоянием и управлением большим рколхо числом источников рколхо или приемников информации.
5. Современные модели процессоров
В настоящее время наиболее уникальным процессором является Pentium 4, т. к. с одной стороны он является последним 32-х разрядным процессором семейства x86 от Intel, а, с другой стороны, его модификации P4 Prescott и Cedar Mill стали первыми, выпущенными Intel, процессорами, являющимися 64-х разрядным расширением семейства x86. Производительность P4 была увеличена за счет повышения частоты, поэтому CPU получил двадцати ступенчатый конвейер (в последних модификациях число ступеней было увеличено до 31). Подобную архитектуру в Intel назвали гиперконвейеризированной. Следует отметить, что длинный конвейер обеспечивает высокую производительность в случае соблюдения регулярности поступления на него команд, в противном же случае длина конвейера становится замедляющим фактором в работе процессора. Первоначально этот фактор и стал причиной того, что первый Pentium 4 уступал в производительности не только процессору Athlon, но и Pentium III Tualatin. Это привело к тому, что Tualatin был выведен в сегмент серверных процессоров, чтобы не конкурировать с P4, а сам P4 был доработан.
Архитектура Pentium 4, называемая NetBurst, в корне отличается от архитектуры поколения Р6, т. е. от Pentium Pro, Pentium II и Pentium III. Pentium 4 состоит из четырех основных блоков, рисунок 1 [11]: подсистемы памяти, блока предвари-тельной обработки, блока контроля исполнения с изменением последовательности и блока исполнения [11].
Рисунок 1. Микроархитектура Pentium 4
В состав подсистемы памяти входит объединенный кэш L2, а также логика доступа к внешнему ОЗУ по шине памяти. L2 оперирует 128-байтным строками. В случае кэш-промаха для выборки нужных блоков организуются две 64-байтных передачи в основную память. Кэш L2 относится к кэшу с отложенной записью, т. е. новые данные в измененной строке записываются обратно в память лишь после сброса. С кэшем связан, не изображенный на рисунке блок предварительной выборки, который копирует данные из основной памяти в L2 еще до того, как эти данные запрошены. Блок предварительной обработки, выбирает команды из L2 и декодирует их в порядке выполнения команд программы. Каждая команда разбивается на последовательность RISC-подобных микроопераций. Для упрощения команд блок выборки/декодирования определяет, какие микрооперации необходимы для решения внутренних задач. В более сложных случаях производится поиск последовательности микроопераций в памяти микрокоманд. После декодирования микрооперации отправляются в кэш трасс (trace cache), которым фактически является кэш команд L1. Заметим, что кэшируются декодированные микрооперации, а не исходные команды как в P6. Здесь же выполняется прогнозирование ветвлений (переходов). Команды передаются из кэша трасс планировщику команд в порядке, определяемом программой, но при их выполнении возможно отступление от установленного порядка. Если встречается микрооперация, которую нельзя выполнить, планировщик команд удерживает ее, продолжая обрабатывать поток команд — запускаются все последующие команды, которые не предусматривают обращение к занятым ресурсам (регистрам, функциональным блокам и т. д.). Здесь же выполняется подмена регистров, в силу чего взаимозависимые команды могут выполняться без задержки. Отметим, что очередность запуска команд может не соответствовать предусмотренной в программе, но с другой стороны, команды должны возвращать результаты без отступления от заданной программой последовательности. За реализацию этого отвечает блок пересортировки. Блок исполнения, объединяет специализированные блоки исполнения, которые непосредственно осуществляют целочисленные операции, операции с плавающей точкой и специализированные команды. Существует несколько блоков исполнения, работающих параллельно. Данные они получают из регистрового файла и кэша данных L1. На рисунке 2 приводится более подробная схема NetBurst, включающая конвейер.