Файл: Процессор персонального компьютера. История развития технологии производства процессоров.pdf

Для процессора доступной является непосредственно внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память делится на оперативную, информация в которой может изменятся процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, и оперативную память называют памятью с произвольным доступом – Random Access Memory (RAM) – в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM). Внешняя память адресуется более сложным образом – каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком. [14]

Характеристики процессора

Основными характеристиками, отличающими различные виды процессоров, являются тактовая частота, разрядность и размер внутренней кэш – памяти. Ниже перечислены основные характеристики процессора: 

1. Количество ядер - этот параметр показывает количество одновременно работающих программ. Но не думайте, что, если вы запустите Word и Windows Media Player на компьютере с одним ядром, что у вас программы работают одновременно. Они работают последовательно, переключаясь с одной на другую, но делают это так быстро ( если у вас быстрый компьютер) что мы этого не замечаем. Не так давно количество ядер прочно вошло в основные характеристики процессора, что многие ошибочно полагают, что если ядер больше, то всегда будет прирост производительности. К сожалению, если программа не оптимизирована под 4 ядра, то вы хоть убейтесь она 4 ядра использовать не будет.

2. Частота процессора - это скорость с которой происходит обмен данными между системной шиной компьютера и процессором . Часто ее указывают продавцы в прайсах. Измеряется она точно также как тактовая частота и по понятным причинам всегда ниже.

3. Коэффициент умножения (или умножение) - нужен, чтобы получить тактовую частоту процессора. Вам нужно умножить коэффициент на частоту шины. Помнить нужно только одно в процессорах Intel есть одна полезная технология со смешным названием Quad Pumping — так вот она позволяет передать 4 блока данных за такт, поэтому маркетологи пользуются этим и преувеличивают в 4 раза физическую частоту шины.

4. Тепловыделение процессора - измеряется в ватах. Если сказать потнятнее, то показывает какой мощности у вас должен быть вентилятор(кулер), для того чтобы обеспечить бесперебойную работу. Это очень важный параметр для любителей выделиться и разгонять процессоры выше номинала.

5. Максимальная рабочая температура - всё то, что я писал о тепловыделении можно отнести и к температуре. Если превышать максимум, то процессор перегреется, и не исключено что компьютер или выключится, или сам начнет перезагружаться.

6. Поддержка различных технологий – если вдруг в описании через запятую перечисляются незнакомые для вас технологии типа SSE2 или 3DNow, то знайте, это хорошо. Мир не стоит на месте, поэтому и производители придумывают разные фишки для более лучшей работы процессора. Это всё равно, что на соковыжималке будет написано, «а ещё она умеет шинковать кубиками, колечками и посуду моет». Чем больше функциональности, тем лучше. [15. с5].

Тактовая частота: Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты (ГТЧ). ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри компьютера. В ритме этого метронома работает процессор. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если "метроном стучит" быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах - МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в 1 секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц,130 МГц и др. [13.]  
Разрядность процессора: Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут образовываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 2 байта, то разрядность процессора равна 16(8*2); если 4 байта, то 32, если 8 байт, то 64. Ячейка - это группа последовательных байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Очевидно, размер ячейки памяти и машинного слова равен разрядности процессора. Обмен информацией между процессором и внутренней памятью производится машинными словами. Адрес ячейки памяти равен адресу младшего байта (байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек памяти начинается с нуля. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове (изменяются через 2, или через 4, или через 8). Еще раз подчеркнем: ячейка - это вместилище информации, машинное слово - это информация в ячейке. 
Адресное пространство: По адресной шине процессор передает адресный код - двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство - это диапазон адресов (множество адресов), к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n бит, то размер адресного пространства равен 2n байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины). Например, если компьютер имеет 16-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 216=64 Кб, а при 32-разрядной адресной шине адресное пространство равно 232=4 Гб. [7]

Важнейшие характеристики процессора — это количество разрядов его шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы. [5, с.440].

Кроме выводов для сигналов трех основных шин процессор всегда имеет вывод (или два вывода) для подключения внешнего тактового сигнала или кварцевого резонатора (CLK), так как процессор всегда представляет собой тактируемое устройство. Чем больше тактовая частота процессора, тем он быстрее работает, то есть тем быстрее выполняет команды. Впрочем, быстродействие процессора определяется не только тактовой частотой, но и особенностями его структуры. Современные процессоры выполняют большинство команд за один такт и имеют средства для параллельного выполнения нескольких команд. Тактовая частота процессора не связана прямо и жестко со скоростью обмена по магистрали, так как скорость обмена по магистрали ограничена задержками распространения сигналов и искажениями сигналов на магистрали. То есть тактовая частота процессора определяет только его внутреннее быстродействие, а не внешнее. Иногда тактовая частота процессора имеет нижний и верхний пределы. При превышении верхнего предела частоты возможно перегревание процессора, а также сбои, причем, что самое неприятное, возникающие не всегда и нерегулярно. Так что с изменением этой частоты надо быть очень осторожным. Еще один важный сигнал, который имеется в каждом процессоре, — это сигнал начального сброса RESET. При включении питания, при аварийной ситуации или зависании процессора подача этого сигнала приводит к инициализации процессора, заставляет его приступить к выполнению программы начального запуска. Аварийная ситуация может быть вызвана помехами по цепям питания и "земли", сбоями в работе памяти, внешними ионизирующими излучениями и еще множеством причин. В результате процессор может потерять контроль над выполняемой программой и остановиться в каком-то адресе. Для выхода из этого состояния как раз и используется сигнал начального сброса. Этот же вход начального сброса может использоваться для оповещения процессора о том, что напряжение питания стало ниже установленного предела. В таком случае процессор переходит к выполнению программы сохранения важных данных. По сути, этот вход представляет собой особую разновидность радиального прерывания. Иногда у микросхемы процессора имеется еще один-два входа радиальных прерываний для обработки особых ситуаций (например, для прерывания от внешнего таймера).

Шина питания современного процессора обычно имеет одно напряжение питания (+5В или +3,3В) и общий провод ("землю"). Первые процессоры нередко требовали нескольких напряжений питания. В некоторых процессорах предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Вообще, современные микросхемы процессоров, особенно с высокими тактовыми частотами, потребляют довольно большую мощность. В результате для поддержания нормальной рабочей температуры корпуса на них нередко приходится устанавливать радиаторы, вентиляторы или даже специальные микрохолодильники.

Для подключения процессора к магистрали используются буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Иногда протоколы обмена по системной магистрали и по шинам процессора не совпадают между собой, тогда буферные микросхемы еще и согласуют эти протоколы друг с другом. Иногда в микропроцессорной системе используется несколько магистралей (системных и локальных), тогда для каждой из магистралей применяется свой буферный узел. Такая структура характерна, например, для персональных компьютеров.

После включения питания, процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на ПДП. Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения. Таким образом, основные функции любого процессора следующие:

- выборка (чтение) выполняемых команд;

- ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

- вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

- обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

- адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

- обработка прерываний и режима прямого доступа. [5]

2.3 Классификация процессора

Процессор (или центральный процессор) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера. Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные нaпыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.

Процессор можно классифицировать:

По выполняемым функциям и области применения:

1. Процессоры встраиваемых (управляющих) систем (embedded processor):

Универсальные; с расширенными коммуникационными возможностями,с расширенными возможностями дискретного ввода-вывода, срасширенными возможностями обработки аналоговых сигналов (mixed signаl proсessor (MSP));

2. Коммуникационные процессоры - имеют специальную поддержку аппаратных интерфейсов и протоколов коммуникационных систем: Сетевые - поддерживают распространенные сетевые и современные периферийные интерфейсы: Ethernet, HDLC, X.25, Tl, ATM, USB, High Speed U ART и др. Выпускаются фирмами Motorola (МСбЗЗхх, MPCSxx), AMD (Am 1 86СС); Модемные - поддерживают протоколы серий V2x, V3x передачи данных по синхронным и асинхронным модемным каналам.

3. Процессоры цифровой обработки сигналов (digital signal processor (DSP)) - реализуют методы цифровой обработки сигналов: фильтрацию, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование. Отличительная особенность DSP-процессоров - поточная обработка больших объемов данных в реальном времени, требующая высокой производительности, но ограниченного набора операций. Основные производители - Texas Instruments (семейство TMS320), Analog Devices (семейство ADSP21xxx), Motorola (семейства DSP56xxx, DSP96xxx);

4. Медийные процессоры - ориентированные на обработку видео- и звуковой информации: С аппаратной поддержкой мультимедийной обработки (медиапроцессоры) - имеют аппаратные блоки и развитую систему команд для обработки и передачи аудио и графических данных, видеоизображений. Используются в аудио- и видеоадаптерах в персональном компьютере, в игровых приставках, в бытовой технике. Примеры: медиапроцессор систем связи компании Microtltility, универсальные медиапроцессоры Trimedia (Philips), MediaGX (Ciryx), видеопроцессоры серии NV1..5 (Nvidia); С мультимедийным расширением набора команд (Intel MMX и более старшие модели, UltraSPARC (Sun Microsystem).

5. Co-процессоры: Математические, ввода-вывода.

6. Транспьютеры - процессор для построения массово-параллельных систем. Имеет на кристалле локальные процессорное ядро и память, а также специальные быстродействующие каналы связи для взаимодействия с другими транспьютерами (линки). Основной разработчик и производитель транспьютеров - компания Inmos, Inc (Великобритания).