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

Описание различных частей процессора:

• управляющий блок (Control Unit) декодирует команды в микрооперации и даёт другим частям процессора соответствующие указания для исполнения команды и отвечает за передачу результатов в память. Управляющий блок использует специальные регистры: счётчик команд (Program Counter) и регистр команд (Instruction Register).
• операционный блок (Processing Unit) содержит арифметико-логическое устройство (ALU - Arithmetic Logic Unit), которое способно выполнять вычислительные действия с указанными данными или исполнять логические операции. Операционный блок может комбинировать эти действия и выполнять такие сложные операции как умножение с плавающей точкой в соответствующем устройстве (FPU - Floating Point Unit), которые невозможно выполнить в арифметико-логическом устройстве. Операционный блок использует специальные регистры: регистр состояния (Status Register) и аккумуляторный регистр (Accumulator Register).

Регистры являются внутренней памятью процессора и подразделяются следующим образом:

• регистры общего пользования, которые предназначены для запоминания данных и/или операндов при исполнении команд;
• специальные регистры, на которые возлагается выполнение специальных функций при работе процессора.

Специальными являются следующие регистры:

• аккумулятор (A - Accumulator Register) запоминает промежуточные результаты вычислений;
• счётчик команд (PC - Program Counter) содержит адрес следующей команды. Он увеличивается автоматически с каждым новым циклом. Подпрограммы и прерывания изменяют этот порядок, записывая в счётчик команд новое значение;
• регистр команд (IR - Instruction Register) содержит считанную из памяти команду Регистр состояния (SR - Status Register) содержит настоящее состояние, отражающее ход исполнения команды;
• указатель стека (SP - Stack Pointer) содержит адрес следующей свободной ячейки стековой памяти.

Стековую память используют для запоминания состояний регистров. Например, это нужно при обработке прерывания, когда надо запомнить содержимое регистров до прерывания, чтобы восстановить их содержание для продолжения работы после обработки прерывания. Стек организован по принципу «последним зашёл, первым вышел» (LIFO - Last In First Out).

Архитектура процессоров делится на два вида: CISK и RISK.

CISC — это концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующими свойствами:

• нефиксированным значением длин команды;
• арифметические действия кодируются в одной команде;
• содержанием небольшим числом регистров, которые выполняют строго заданные функции.

RISC — это архитектура процессора, где прирост быстродействия происходит за счёт упрощения инструкций, для более простого их декодирования, делая время выполнения короче.

Характерные черты RISK процессоров:

• фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
• специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).
• большое количество регистров общего назначения (32 и более).
• отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными.

Рассмотрим конвейеры. Трубопровод-это метод вычислений, который используется в современных процессорах и контроллерах для повышения их эффективности (увеличение количества инструкций, выполняемых в единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров.

Идея конвейера заключается в разделении обработки компьютерных инструкций на последовательные независимые этапы с сохранением результатов в конце каждого этапа. Это позволяет схемам управления процессором получать инструкции с самой низкой скоростью обработки, но намного быстрее, чем выполнять исключительную полную обработку каждой инструкции от начала до конца.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разбивается на последовательность этапов, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных этапах. Результаты каждого этапа передаются через ячейки памяти на следующий этап, и так до тех пор, пока оператор не будет выполнен. Такая организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой команды, тем не менее обеспечивает значительное увеличение производительности за счет высокой частоты выполнения команд.

Рассмотрим содержимое кэша памяти процессора. Кэш-память – это сверхбыстрая память, используемая процессором для временного хранения данных, наиболее часто используемых.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, чем те же конденсаторы, которые составляют ОЗУ. Это приносит с собой много трудностей в производстве, а также ограничения в объемах. Но из такой структуры главное преимущество такой памяти – скорость. Поскольку триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки клапана, на котором они собраны, невелико, время переключения триггера из одного состояния в другое очень быстро. Это позволяет кэш-памяти работать на тех же частотах, что и современные процессоры.

Также немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Он расположен на кристалле процессора, что значительно сокращает время доступа к ней. Раньше кэш-память некоторых уровней располагалась вне чипа процессора, на специальном чипе SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас почти все процессоры кэш-памяти размещены на чипе процессора.

Современные процессоры оснащены кэш-памятью, которая часто состоит из двух-трех уровней.

Таким образом, можно сделать вывод, что работа всей вычислительной системы персонального компьютера зависит от архитектуры процессора. Архитектура процессоров, с точки зрения программистов, – это совместимость с определенным набором команд, структурная совместимость (примером является система адресации или организация регистровой памяти) и способ выполнения (различные счетчики команд). Архитектура с точки зрения аппаратной составляющей, представляет собой определенный набор определенных качественных свойств, характерных для данного семейства процессоров, как по организации, так и по стоимости.

2. Обзор современного состояния рынка процессоров

2.1 Процессоры семейства Intel

Разнообразие процессоров Intel, то есть их ассортимент для персональных компьютеров достаточно широк и содержит несколько так называемых семейств. Однако, если говорить о современных процессорах, мы должны ограничиться изучением процессоров на микро-архитектуре Nehalem процессоры, которые семейств Intel сердечника i7 (ядро i7−975 EE, то процессор i7−965 EE, то процессор i7−950, ядро i7−940, процессор i7−920, процессор i7 870, процессор i7 860) и Intel сердечник i5 (ядро i5 750).

Наибольшее количество встречающихся на рынке процессоров Intel – это двухъядерные процессоры Intel Core 2 Duo и четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad. Однако в тех случаях, когда пользователю требуется высокая производительность в приложениях, необходимо учитывать типы процессоров более новых поколений (Intel Core i7 или Intel Core i5).

Ввиду того, что в микроархитектуре Intel Nehalem есть два несовместимых процессорных сокета – LGA 1156 и LGA 1366, их классификация считается нелогичной. Было бы логично разделить эти процессоры, с отличными разъемами, на разные семейства. Но Intel Core i7 содержит как процессоры с разъемом LGA 1366 (кодовое название Bloomfield), так и LGA 1156 (кодовое название Lynnfield). Intel Core i5 включает в себя только процессоры Lynnfield с разъемом LGA 1156.

Прежде всего, необходимо сказать, что процессоры Bloomfield и Lynnfield производятся по 45-нанометровой технологии и характеризуются как четырехъядерные. В них встроен контроллер памяти DDR3, что служит их отличительной особенностью. Процессоры Bloomfield (Intel Core i7 9xx) используют трехканальный контроллер памяти DDR3, в то время как процессоры Lynnfield (Intel Core i7 8xx и Intel Core i5 750) используют двухканальный контроллер.

В обычном режиме процессоры Bloomfield поддерживают память DDR3−1066, а процессоры Lynnfield поддерживают память DDR3−1066 и DDR3−1333.

Необходимо отметить идентичность структуры кэш-памяти процессоров Bloomfield и Lynnfield. Кэш первого уровня (L1) разделен на 8-канальный 32-килобайтный кэш данных и 4-канальный 32-килобайтный кэш команд. Каждое ядро процессора наделено единым, то есть унифицированным для инструкций и данных кэшем второго уровня (L2) размером 256 КБ. Кэш-памяти L2 и 8-канальный кэш и его размер строки 64 байта.

Кроме того, важным моментом является то, что все процессоры семейства Intel Core i7 поддерживают технологию Hyper-Threading multithreading, в результате чего операционная система распознает четырехъядерный процессор как восемь отдельных логических процессоров или ядер. Семейство процессоров Lynnfield не поддерживается Hyper-Threading. Разделение процессоров Lynnfield Core i7 и Core i5 тесно связано с поддержкой Hyper-Threading. Семейство процессоров Lynnfield, Core i7 (Core i7 870, Core i7 860) Quad core и поддерживает HyperThreading, а четырехъядерный процессор семейства Core i5 (Core i5 750) не поддерживается.

Следует отметить, что все процессоры семейств Intel Core i7 и Intel Core i5 поддерживают технологии – Enhanced Intel SpeedStep Technology, Intel EM64T, Intel Virtualization Technology, Enhanced Halt State (C1E) и Execute Disable Bit. Эти технологии хорошо известны, так как они также поддерживаются процессорами Intel предыдущего поколения.

Преимущества процессоров Intel в том, что они потребляют меньше энергии, чем процессоры от конкурента, эти процессоры обеспечивают лучшую производительность в приложениях, так как именно под них оптимизировано больше программ. Кэш-память процессоров Intel второго и третьего уровня работает на более высоких тактовых частотах.

Самым главным недостатком процессоров Intel является отсутствие многозадачности. Когда пользователь работает с несколькими мощными программами одновременно, присутствует зависание.

Компания Intel в позапрошлом году представила десктопные процессоры 7-го поколения на архитектуре Kaby Lake. Практически они стали всего лишь немного (совсем немного) доработанными чипами шестого поколения на архитектуре SkyLake. Компания Intel создала осенью 2017 восьмое поколение ЦП на архитектуре Coffee Lake, которое является сегодня самой актуальной.

Модельный ряд процессоров Intel Coffee Lake сегодня представлен шестью чипами Core i3, i5 и i7. Их важной характеристикой стало повышения числа ядер, что продиктовано потребностью превзойти AMD. Таким образом, Core i3-8100 и i3-8350K приобрели по четыре ядра, вместо двух ранее. Старший из чипов поддерживает разгон, на что указывает буква K в наименовании.

В среднем классе самыми востребованными процессорами Intel сегодня являются модели Core i5-8400 и i5-8600K. Они получили по шесть ядер вместо четырех и тоже отличаются, кроме частот, способностью разгона старшего чипа. А в старшем массовом сегменте сейчас представлены Intel Core i7-8700 и 8700K содержащие по 6 ядер, работающих в 12 потоков по технологии HyperThreading.

Кроме того, Intel представила процессоры серии Core i9, построенные на архитектуре Skylake-X и совместимые с платами на сокете 2066. Они обладают большим количеством ядер, которое достигает от 10 до 18, и способны обрабатывать по 2 потока на ядре. Модельный ряд представлен процессорами Core i9-7900X (10 ядер), 7920X (12), 7940X (14), 7960X (16) и 7980XE (18 ядер).

Компьютеры с новыми процессорами Intel Core 9-го поколения для обладают высокой производительностью для обычных и конкурентоспособных геймеров. Процессоры Intel Core 9-го поколения для настольных ПК с поддержкой до 8 ядер, 16 потоков, 5,0 ГГц и 16 МБ кэш-памяти созданы для игр.

Новое 9-е поколение процессоров Intel Core для настольных компьютеров обеспечивает:

• ряд процессоров, включая первый процессор Intel Core i9 для настольных ПК;
• ускорение процессов в сочетании с памятью Intel Optane для извлечения тех данных, которые используются для наиболее быстрой реакции системы;
• поддержка технологии оперативной памяти DDR4, которая позволяет системам иметь до 64 ГБ памяти и скорость передачи памяти до 2666 МТ / с;
• поддержка набора микросхем Intel Z390, которые включают беспрецедентное подключение ко всем устройствам с интегрированным USB 3.1 Gen 2, Intel Wireless-AC и поддержкой скорости Gigabit Wi-Fi;
• совместим с набором микросхем Intel серии 300.

Таким образом, можно сделать вывод, что процессоры Intel используют инновационные технологии, позволяющие увеличивать им быстродействие в несколько раз, однако стоит отметить, что у данного процессора практически отсутствует многозадачность.

2.2 Процессоры семейства AMD

Начиная с 1994 года, AMD представила свой первый Pentium-совместимый процессор, K5. За ним последовала K6, а затем линия Athlon в 1999 году. Впоследствии Duron был представлен рынку стоимости для конкуренции с Intel Celeron, а чипы Duron были заменены Sempron в 2004 году. В 2003 году AMD дебютировала с Opteron, первым 64-разрядный процессор, который впоследствии был переименован в Athlon 64. Процессоры Phenom появились в 2008 году. В 2017 году AMD начала поставлять линейку Ryzen на основе новой архитектуры Zen.