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

Микросхема процессора имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. CLK-подключение внешнего тактового сигнала и тактового резонатора (быстродействие CPU). RESET-сигнал начального сброса. Для подключения CPU к магистрали используют буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Буферные микросхемы согласуют протоколы шин процессора и магистрали если они не совпадают.

Важнейшей характеристикой процессора является разрядность. Разрядность ШД-скорость работы системы. Разрядность ША-допустимая сложность системы. Количество линий управления определяются разнообразием режимов обмена и эффективности обмена процессора с другими устройствами системы.

2.1.Разрядность

Самыми первыми серийными чипами стали 4-х разрядные Intel 4004, предназначенные исключительно для калькуляторов. С помощью комбинации из 4-х нулей или единиц можно было закодировать 2^4=16 символов, этого хватало для 10 цифр и 6-и знаков основных арифметических действий.

В 1978 году появился первый 16-и битный процессор 8086, работающей на архитектуре x86. Эта архитектура оказалась весьма успешной, поскольку обладала огромными возможностями для постоянного совершенствования и доработки. Ее третье поколение дало возможность создать в 1985 году 32 -битный процессор Intel 80386, работающий уже на архитектуре IA-32.

Сама система x86 с начала своего существования регулярно получала всевозможные расширения, которые добавляли все новые возможности. А потребность в этом была постоянная: объемы обрабатываемых данных и размеры используемых файлов постоянно росли, и в решении сложных задач 32-разрядные процессоры уже были бессильны (блок объемом свыше 4 Гб в регистр ЦПУ уже не помещался).

Разрядность процессора определяет количество информации, которое он может обработать за один такт , влияет на объем адресуемых данных, на объем используемой оперативной памяти, а так же может повышать и скорость выполнения целочисленных операций. Разрядность процессора тесно связана с разрядностью модулей оперативной памяти. Чем выше разрядность процессора тем больше информации он сможет обработать. Но скорость процессора при этом может и не повышается. Процессор к примеру с 64-разрядностью будет работать так же и с другой разрядностью при операции с плавающей точкой. Это означает, что разрядность процессора не значит, что он работает именно с ней. Раньше процессоры 64-битные использовались исключительно в серверных решениях, то сейчас часто используются в обычных компьютерах так же как 32-разрядные процессоры.

2.2 Частота ядра

Частота ядра не характеризует быстродействие процессора. Это показатель, влияющий на скорость выполнения команд процессором. В зависимости от конструкции ядра и его наполнения различными аппаратными блоками, ядро за один такт способно выполнять разное количество команд. Поэтому разные процессоры с разной частотой ядра могут иметь одинаковую производительность.

На практике вычислить скорость работы процессора сложно из-за того, что на этот показатель влияет пропускная способность шин кэш-памяти и оперативной памяти, количество выполняемых за такт операций сложность операции. Единицей одного такта считается 1 Гц. Это значит, что при частоте 1ГГц ядро процессора выполняет 1 млрд тактов.

Недавно на рынке процессоров появились модели, содержащие несколько ядер. В отличие от виртуальных ядер, которые предлагает технология Hyper Threading, на процессорной пластине располагается несколько физических ядер. На сегодня получают распространение процессоры, у которых имеется четыре независимых ядра.

Первые двухъядерные процессоры имели два независимых ядра, то есть ядра с одинаковым строением, включая кэш-память первого и второго уровня. Сегодня ядра имеют общую кэш-память второго уровня, что позволяет увеличить производительность процессора.

Использование многоядерного процессора дает заметное повышение производительности компьютера. Такой процессор практически невозможно загрузить работой на 100 % из-за некоторых технологических аспектов. Это означает, что ситуация, когда приложение настолько заняло процессор, что компьютер не реагирует ни на какие действия и его приходится перезагружать с помощью кнопки Reset, не возникнет.

Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена. С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю персонального компьютера.

Производительность процессора не всегда увеличивается: использование нескольких ядер подразумевает соответствующие приложения. На сегодня достаточно мало приложений, написанных с учетом многоядерности. Это означает, что обычно загружается только одно ядро. Однако многоядерность обязательно будет востребована.

2.3 Шины

Этот термин следует понимать как некоторый канал с определенными характеристиками, через который процессор обменивается данными с остальными компонентами.

Примером может быть канал, по которому идет обмен данными с кэш-памятью, контроллером памяти, видеокартой, жестким диском.

Главными характеристиками шины являются ее разрядность и частота работы: чем они выше, тем больше данных проходит через нее за единицу времени, а значит, больше будет обработано процессором или другим компонентом. У процессоров AMD имеются несколько таких шин, это внутренние и внешние, они имеют разную разрядность работают на разных частотах. Из-за технологической особенности, не все компоненты способны функционировать с частотой самой быстрой шины.

Частота процессора, далеко не показатель скорости работы процессора, она на прямую зависит от пропускной способности шины. Например, если предположить, что за один такт ядра передается 64 Бит или 8 Байт информации (64-битный процессор) и частота шины составляет 100 МГц, пропускная способность шины составит 8 Байт х 100 000 000 тактов, что равно приблизительно 763 Мбайт. В то же время частота ядра процессора может быть в несколько раз выше, что означает, что при достижении этого показателя оставшийся запас скорости процессора не используется. С другой стороны, существуют шины, например между процессором и кэш-памятью первого уровня, которые позволяют наиболее производительно обмениваться данными, что достигается за счет их работы на одной частоте.

Выделяют 3 вида шин:

1. Шина данных (64 разрядная) - происходит копирование данных из оперативной памяти, в регистре процессора и наоборот.
2. Адресная шина (32-разрядная ) – данные, которые передаются, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. С помощью этой шины процессор считывает адреса команд, которые надо выполнить, а также данные, которыми оперируют команды.
3. Шина команд(управления)( 32-разрядная )– поставляет команды, которые выполняет процессором. Простые команды укладываются в один байт, более сложные в 2,3 байта.

Шины на материнской плате используют не только для связи с процессором, все остальные устройства электронно-вычислительной системы тоже подключаются с помощью шин.

• ISA– позволяет связать между собой все устройства в системном блоке, а так же обеспечить подключение новых устройств через стандартные слоты. Пропускная способность составляет 5,5 Мб в секунду. Сейчас используют только для подключения внешних устройств, которые не требуют большой пропускной способности (звук, модемы).
• EISA- 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытеснена шиной PCI. Раньше применялась в серверных платформах, где необходимо устанавливать множество дополнительных плат расширения. В слот EISA можно устанавливать карты ISA(но не наоборот). Пропускная способность до 32-Мб-в секунду.
• VLB– локальная шина, которая представляет собой соединение процессора с оперативной памятью в обход основной магистральной шины. Эта шина работает на более высокой частоте и позволяет увеличить скорость передачи данных. Так же она имеет интерфейс для подключения видео адаптера необходимого для подключения монитора в состав вычислительного комплекса. Пропускная способность до 130 Мб в секунду. Рабочая тактовая частота – 50 МГц. зависит от типа устройств подключаемых к этой шине.
• PCI– стандарт подключения внешних устройств который введен для Pentium. По своей сути это интерфейс - локальные шины с разъемами для подключения внешних компонентов вычислительных систем. Тактовая частота - до 166 МГц и обеспечивает передачу информации со скоростью 264 Мб в секунду независимо от количества подключенных устройств. С введением этого стандарта появилась возможность для подключения технологии “Plug&Play”: после физического подключения устройства обеспечивается автоматическая конфигурация в составе вычислительной системы.
• FSB– шина, которая используется для связи процессора с оперативной памятью компьютера, эта шина работает на частоте 133-МГц и выше. Пропускная способность до 800 Мб/сек. Частота работы шины FSB является основным параметром, который указывается в спецификации материнской платы.
• AGP– специальный шинный интерфейс, который предназначен для подключения видео адаптера. Этот интерфейс необходим в современных вычислительных устройствах, потому что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптера по быстродействию. Пропускная способность 1066 Мб/сек. В отличие от шины PCI для порта AGP возникают проблемы совместимости карт акселераторов с типом системной платы (чипсета) и процессора даже при формальном соответствии их параметров.
• USB– стандарт универсальной последовательной шины, который определяет способ взаимодействия компьютера с современным периферийном оборудованием. Этот порт разрешает подключать 256 различных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подключаться последовательно (цепочкой). Преимущество этого стандарта в том, что периферийное устройство можно подключать. Во время текущего сеанса работы без перезагрузки. Этот порт позволяет соединять компьютеры в сеть без использования специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Конфигурирование шин расширения предполагает в основном настройку их временных параметров:

• Для шины PCI задается частота синхронизации, кроме того, с CMOSSetup для нее могут определяться некоторые возможные режимы – конкурентные обращения, слежение за палитрами.
• Для порта AGP задается частота, поддерживаемые режимы, а также апертуры AGP.
• Для шин ISA и PCI иногда настройками CMOSSetup приходится распределять системные ресурсы ( главным образом, линии запросов прерываний).
• Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу-выводу. Раньше неустойчивая работа адаптеров могла потребовать замедления шины ISA, но сейчас понижение её производительности не отражается на производительности компьютера в целом.

2.4 Кэш-память

Скорость работы процессора определяется скоростью работы всех его участков, которая зависит от их аппаратных возможностей и пропускных способностей соответствующих шин данных. Предвидя это, производители процессоров с целью максимально ускорить работу аппаратных блоков изобрели и внедрили кэш-память. Кэш-память отличается от оперативной памяти компьютера скоростью работы. Скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше скорости работы оперативной памяти, это связано с технологическим процессом их изготовления и условиями функционирования.

Кэш-память бывает 3-х уровней:

• 1-го уровня – выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем несколько десятков килобайт;
• 2-го уровня – выполняется на отдельном кристалле, но располагается в границах процессора с объемом 100 и более килобайт;
• 3-го уровня– выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах расположенных на материнской плате и имеет один и более мегабайт.

Самая быстрая это кэш-память первого уровня, следом вторая, третья. Обязательным являются кэш-память первых двух позиций, но при желании можно сделать и гораздо больше. В любом случае эта память будет быстрее оперативной.

Размер кэш-памяти может быть многообразным – в зависимости от модели процессора и его производителя. Обычно размер кэш-памяти первого уровня значительно меньше второго или третьего. Кроме того, кэш-память первого уровня самая быстродействующая, поскольку работает на частоте ядра процессора.

Статическая кэш-память на системной плате стала широко применяться с процессорами 386, 486 и Pentium, производительность которых сильно оторвалась от быстродействия динамической памяти. На системной плате Pentium кэш является вторичным, а все из-за того, что первый уровень кэширования реализуется внутри процессора.