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

1. Процессоры персонального компьютера

1.1 Понятие, функции и основные характеристики процессоров

В современном высокотехнологичном обществе почти все знакомы с таким понятием, как процессор. Ведь благодаря этому электронному блоку или интегральной схеме электронная вычислительная машина преобразует информацию и управляет всем вычислительным процессом.

Процессор – это устройство, расположенное в компьютере и предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными, а также координации работы всех устройств компьютера. Его также называют микропроцессором или центральным процессором.

Большинство современных процессоров являются микропроцессорами, что означает, что они содержатся в одной интегральной микросхеме

Зная характеристики этого электронного блока или интегральной схемы, можно оценить вычислительные характеристики вычислительной системы. И, следовательно, он будет технологически мощнее и производительнее того компьютера, который использует инновационные характеристики своего процессора.

Есть много различных характеристик процессора, мы выделяем основные из них. Можно выделить характеристики микропроцессора, обеспечивающие его лучшую производительность:

• тактовая частота;
• количество ядер;
• разрядность;
• объем кэш памяти ЦП.

Рассмотрим характеристики тактовой частоты процессора. Известно, что разработчики долгое время совершенствовали его, но вскоре перешли к созданию более совершенной архитектуры процессора, однако при создании новых процессоров они не отказались от использования увеличения тактовой частоты.

Частота процессора – это индикатор, который определяет наименьшее, неделимое количество времени, называемое тактовым циклом, в течение которого устройство выполняет простейшую операцию. Тактовая частота характеризуется количественными показателями и единицей измерения этого показателя является Герц. Более высокая тактовая частота характеризуется быстрой обработкой процессором различных операций в единицу времени.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Однако по мере увеличения этой характеристики процессор нагревается, что часто приводит к сбоям в работе компьютерной системы. Именно поэтому разработчики, впоследствии, практически отказались от увеличения тактовой частоты и стали увеличивать производительность с помощью других методов, дающих ту же и большую эффективность.

Рассмотрим многоядерный микропроцессор или характеристики количества ядер. Разработчики всегда стремились повысить производительность процессора и их первоначальные усилия, как уже упоминалось выше, были направлены на тактовую частоту. Они строили его довольно давно, но с открытием новых пиков частотных показателей это занятие стало затруднительным, так как дополнительное увеличение подразумевало повышение требований к системе охлаждения процессоров. Это то, что побудило разработчиков ввести дополнительные ядра в процессор. Так появились многоядерные процессоры. Первый процессор для настольного компьютера, «Pentium D», появился в 2005 году и имел два ядра. В том же году было также выпущено два ядерных процессора «Opteron» от «AMD», но для серверных систем.

Многоядерность является существенной характеристикой, поскольку благодаря ей выполнение нескольких потоков задач разбивается на несколько ядер, что значительно повышает производительность процессора по сравнению с другими одноядерными процессорами. Стоит отметить, что увеличение производительности происходит, если программа оптимизирована под много поточность. Поэтому бывают случаи, когда количество ядер не влияет на производительность ПК. Рассмотрим одну из этих ситуаций. Например, если программа, которая предназначена для одноядерных компьютеров, до появления многоядерных или которая вообще не использует много потоков, плохо оптимизирована, то она будет работать медленнее на многоядерном процессоре, вопреки количеству ядер. Обобщая, можно сказать, что почти каждый процесс, запущенный в операционной системе, имеет несколько потоков. Кроме того, сама операционная система может практически создать набор потоков для себя и выполнять их одновременно, даже физически процессор и одноядерный.

Важной особенностью многоядерных процессоров является то, что у них тактовая частота часто снижается. Это снижает энергопотребление процессора, не влияя при этом на производительность чипа. Известно, что энергопотребление увеличивается за счет увеличения тактовой частоты. Поэтому, если удвоить количество ядер процессора и уменьшить их тактовую частоту вдвое, можно получить практически такую же производительность, при этом энергопотребление такого процессора уменьшится в 4 раза.

Во многих многоядерных процессорах частота каждого ядра может варьироваться в зависимости от его индивидуальной нагрузки. Есть также ядра, которые используют трудоемкую технологию потоковой передачи или, если они супер скалярные, используют технологию SMT, которая позволяет нескольким потокам выполняться одновременно, создавая тем самым «миражи» нескольких «логических процессоров» на основе каждого ядра. Данная технология встречается на процессорах от компании «Intel». Это называлось – гиперпоточность. Эта технология удваивает число логических процессоров по сравнению с физическими. Например, на процессоре Sun UltraSPARC T2 это увеличение может достигать 8 потоков на ядро.

Таким образом, можно сделать вывод, что многоядерность является более инновационной характеристикой процессора, чем частота. Эта современная технология позволяет распределить любые задачи или операции, выполняемые на ПК, между несколькими ядрами, что обеспечит высокую производительность и большую производительность компьютерной системы.

Основным преимуществом 64-битных систем является поддержка оперативной памяти, которая составляет более 4 ГБ. Каждая ячейка памяти имеет адрес и в 32-разрядной операционной системы. Он записывается в виде 32-символьного двоичного кода.

Получаем – .

Другими словами, в 32-битной операционной системе, ячейки памяти, расположенные за рубежом, в 4GB не получат адреса и не будут использоваться. В 64-разрядных операционных системах размер адресной памяти составляет .

Таким образом, можно сделать вывод, что разрядность влияет на производительность ПК. Как показывают тесты, в x64 операционных системах производительность выше на 10-15%, чем в ОС с x32 бит.

Рассмотрим характеристики кэша памяти. Это также очень существенная характеристика для процессора. Кэш-память выступает в качестве объема сверхбыстрой оперативной памяти, содержащей информацию, которую можно запросить с наибольшей вероятностью. Кэш памяти – это буфер между контроллером системной памяти и процессором. Этот буфер хранит блоки данных, с которыми в настоящее время работает процессор, что уменьшает количество вызовов процессора для замедления системной памяти. В результате значительно повышается общая производительность процессора.

Характерными особенностями современных микропроцессоров можно назвать:

• широкий спектр используемых процессорных технологий: высокоскоростная обработка операндов с фиксированной и плавающей точками, пакетная обработка данных и др.;
• сложные схемотехнические решения с использованием десятков миллионов транзисторов;
• высокоточная и совершенная технология изготовления микросхем (с нормами менее 0,1 мкм, с большим числом слоев металлизации).

В заключение, можно сказать, что кэш память может повысить производительность в том случае, если тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что благодаря таким характеристикам как тактовой частоте, разрядности, количеству ядер и кеш памяти процессора, производительность компьютера возрастает в несколько раз, по сравнению с другими ПК, не имеющими таких преимуществ ЦП. При этом сам пользователь компьютера может улучшить многие характеристики процессора, например, разогнать тактовую частоту, используя специальные программы.

1.2 Классификация процессоров

Микропроцессор выполняет всю обработку информации в компьютере. Микропроцессор бред и выполняет программы, организует доступ к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, принимает и обрабатывает запросы от устройств машины и из внешней среды («запросы прерывания»).

В настоящее время существует большое количество различных процессоров. Приведем их общую классификацию.

Число больших интегральных схем в микропроцессорном устройстве отличается и соответственно бывают:

• однокристальный микропроцессор;
• многокристальный микропроцессор;
• многокристальный секционный микропроцессор.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одного бита или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). При усложнении микропроцессора приходится разбивать его на отдельные блоки. При этом каждый блок реализован на отдельной микросхеме, в результате чего получается многокристальный процессор.

Многоканальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда отдельные процессорные блоки приходится логически разбивать на дополнительные секции. Секционность микропроцессоров позволяет увеличить разрядность обрабатываемых данных или усложнить микропроцессорное устройство управления.

По назначению различают:

• универсальный микропроцессор;
• специализированный микропроцессор.

Универсальные микропроцессоры могут быть использованы для широкого спектра различных задач. Специализация процессора, другими словами его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко повысить эффективную производительность при решении только определенных задач.

В зависимости от вида обрабатываемых входных сигналов процессоры могут быть:

• цифровой микропроцессор;
• аналоговый микропроцессор.

Цифровые микропроцессоры работают с информацией, представленной в виде числовых значений (дискретная форма). Аналоговые микропроцессоры работают с информацией, которая представлена в аналоговой форме, другими словами в виде непрерывного ряда значений.

В зависимости от характера временной организации работы микропроцессор может быть:

• синхронный микропроцессор;
• асинхронный микропроцессор.

Синхронные микропроцессоры – это микропроцессоры, в которых начало и конец операций задаются специальным устройством управления. Другими словами, если в микропроцессоре имеется устройство управления, то оно относится к синхронному.

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало каждой последующей операции определять по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

В зависимости от количества исполняемых программ может быть:

• однопрограммный микропроцессор;
• многопрограммный микропроцессор.

В однопрограммных процессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В многопроцессорных или многопрограммных процессорах одновременно исполняется несколько программ.

1.3 Архитектура процессора

Под архитектурой процессора подразумевают количественную составляющую компонентов микро архитектуры процессора ПК, которую рассматривают ИТ-специалисты в аспекте прикладной деятельности.

Рассмотрим архитектуру процессора как аппаратную составляющую.

Во-первых, центральным компонентом персонального компьютера является процессор или по-другому ЦП (центральный процессор), который реализует команды и считывает их из памяти, обрабатывая при этом данные и управляя работой всего ПК. С другими устройствами компьютера процессор связан шинами. Выделяют такие как шины шину данных, адресную шину, и командную шину. Для ЦП необходимы функционирования регистры данных, управляющие регистры, операционный (обрабатывающий) блок, управляющий блок и система команд, которую процессор распознаёт и исполняет.

Работу процессора синхронизирует внешний генератор тактов. В соответствии с этими сигналами происходит считывание и исполнение команд. Частота процессора определяет быстродействие процессора. Однако, это не единственный параметр для оценки производительности процессора. В в первых 8-битных процессорах тактовая частота была ~4 МГц. В современных процессорах она измеряется гигабайтами.