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

Хочу добавить, что все современные компьютеры способны управлять своей тактовой частотой процессора, понижая её во время простоя и увеличивая (вплоть до превышения частоты на 15–20 % от номинальной) в период пиковых нагрузок (у новых процессоров Intel эта технология носит название Turbo Boost).

Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на реализацию той или иной задачи, тем выше его производительность. Возможно, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако не все так просто. приведу простой пример: имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в первом приложении, а второй процессор — во втором. Назревает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Ответить на этот вопрос нельзя однозначно, и реальная ситуация такова, что некоторые процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а некоторые — на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой абсолютной истине), а о производительности на наборе приложений.

На производительность процессора непосредственное влияние оказывает его микроархитектура, размер кэша, тактовая частота и количество ядер процессора. Уточню, что, кроме одноядерных, в настоящее время существует огромное многообразие двухъядерных процессоров для персонального компьютера. В конечном счете, переход от одноядерных процессоров к многоядерным - это современный тренд в развитии процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне понятна. Дело в том, что во время всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности являлось наращивание тактовой частоты. В это то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. По существу, энергопотребление процессоров сегодня уже достигло той критической отметки, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты стало невозможным, на том основании, что процессоры просто нечем будет oхлаждать. А это значит, что возникает необходимость в поиске кардинально других способов увеличения производительности процессоров, и один из них  это переход от одноядерных процессоров к двухъядерным и многoядерным. К тому же это действительно революциoнный шаг в развитии процессоров, поскольку он не просто меняет архитектуру процессоров, но и делает необходимым изменения всей инфраструктуры, включая программное oбеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать преимущество по производительности только в том случае, если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код написан таким образом, что подразумевает только последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности проку не будет.

Если говорят о процессорах для персональных компьютеров, то чаще всего имеют в виду процессоры либо компании Intel, либо компании AMD (о процессорах других компаний не имеет смысла даже вспоминать в силу их нераспространенности на рынке). Собственно, именно упорная, ожесточенная конкуренция этих двух гигантов компьютерного рынка и является тем самым двигателем прогресса, который позволяет создавать все более производительные процессоры и от которого в конечном счете выигрывают потребители. Конечно, обе компании в этом вопросе придерживаются собственного мнения. Например, говоря о развитии микропроцессоров, компания Intel любит ссылаться на закон Мура (Зако́н Му́ра (англ. Moore's law)  - эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров. [4].

Все равно слабо верится, что индустрия процессоров достигла бы таких высот, если бы Intel не испытывала постоянное давление со стороны AMD.

Напряженная борьба между Intel и AMD происходит с переменным успехом то одной, то второй компании. Например, явный перевес (не в смысле объема продаж, а в смысле спроса на процессоры) был на стороне AMD, чьи процессоры считались лучше по совокупности своих потребительских качеств. Тем не менее произошло событие, кардинально изменившее положение дел на рынке. Компания Intel анонсировала новое поколение энергоэффективных процессоров на основе микроархитектуры Intel Core. Семейство процессоров для настольных ПК на основе этой революционной микроархитектуры получило название Intel Core 2 Duo. В конечном счете, после появления этого нового семейства микропроцессоров, которые по всем параметрам оказались лучше тех, что имеются в арсенале AMD, лидерство вновь захватила компания Intel. [13, 10с.]

Ранние центральные процессоры создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позже от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило значительно больше увеличить сложность центрального процессора с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к большему проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в мобильных телефонах, автомобилях, и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. [4]

1.3 Основные элементы процессора

Центральный процессор - это мозг компьютера. Его задача - выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Для этого он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов для передачи адресов, данных и управляющих сигналов.

Упрощённая структура процессора показана на рис.1.1. Регистры АЛУ - арифметико-логическое устройство БУ - блок управления ТГ - тактовый генератор.

Рис1.1 Упрощённая структура процессора

Регистры - это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. Самое главное в процессоре это регистры. Регистры состоят из триггеров. Триггер может иметь 2 значения 0 или 1. Регистры бывают 8, 16, 32, 64 разрядные, понятно, что если 8 разрядов, то в регистре 8 триггеров. Основные регистры процессора показаны на рис 1.2

Регистры EAX, EBX, ECX, EDX -­­ это регистры общего назначения. Они имеют определённое назначение, однако в них можно хранить любую информацию.

Регистры EBP, ESP, ESI, EDI – это также регистры общего назначения. Они имеют уже более конкретное назначение. В них также можно хранить пользовательские данные, но делать это нужно уже более осторожно, чтобы не получить «неожиданный» результат. Регистр флагов — отражает текущее состояние процессора.

Сегментные регистры необходимы для доступа к памяти в сегментах кодов, данных, стека и дополнительного сегмента, соответственно. Каждый из них используется по своему назначению, но их использование может изменяться в соответствии с требованиями программы.

Рис1.2 Основные регистры процессора

В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это обращение существенно ускорят работу с данными. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции. Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд). Тактовый генератор, или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора. С помощью тактовых импульсов выполняется синхронизация для внутренних команд процессора и остальных устройств. Тактовый генератор генерирует прямоугольные импульсы, которые следуют с определённой частотой (для разных процессоров частота разная). В теории электронно-вычислительных машин различают два понятия: машинный такт и машинный цикл. Машинный такт соответствует одному периоду импульсов тактового генератора и является основной единицей измерения времени выполнения команд процессором. Машинный цикл состоит из нескольких машинных тактов. Машинный цикл – это время, необходимое для выполнения одной команды. Машинный цикл может отличаться для разных команд. Для простых команд может потребоваться всего 1-2 машинных такта. В то время как для сложных команд, таких как умножение, может потребоваться до 50 машинных тактов и более. Это очень важный момент. Если вы будете писать реальные программы, которые очень критичны к быстродействию, нужно помнить о том, что разные команды требуют соответствующего времени работы процессора. То есть одни и те же действия можно выполнить, например, за 120 машинных тактов, а можно и за 40. Это зависит от опыта и квалификации программиста, а кроме того от конкретных задач. Доработка программы таким образом, чтобы она выполнялась максимально быстро (то есть для её выполнения требовалось как можно меньше машинных тактов) называется - оптимизация по быстродействию. В этих случаях часто приходится чем-то жертвовать, например, усложнять программу или увеличивать её размер. Существуют и другие типы оптимизации, например, оптимизация по размеру. В этом случае обычно жертвуют быстродействием, чтобы получить программу с минимальным размером исполняемого файла. Выбор оптимизации зависит от конкретной задачи. [3]

В данном разделе работы были рассмотрены истоки создания процессоров, развитие технологии их производства. Раскрыты понятие и основные характеристики процессоров и основных его элементов. Были рассмотрены две основные фирмы по производству процессоров и соперничество друг с другом что приводит их к созданию более мощных процессоров, а нас к еще большему выбору.

2. Назначение и функции центрального процессора

2.1 Назначение центрального процессора и его логическая структура

Назначение центрального процессора – это автоматическое выполнение программы. Таким образом, он является основным компонентом любого компьютера. Центральный процессор, или, ЦПУ (Central Processing Unit - CPU), - Самая важная часть аппаратного обеспечения персонального компьютера, представляет собой программируемый логический контроллер, отвечающий за реализацию вычислительного процесса. Во время вычислений центральный процессор считывает последовательность команд, содержащихся в ОЗУ, и исполняет их. Именно эта последовательность команд называется программой, она и определяет алгоритм полезной работы микропроцессора. Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, способы адресации, представление чисел, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями. [8? 156c.]

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств: средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, систем­ные средства. На рисунке 2.1 показана логическая структура центрального процессора. Средства обработки обеспечивают выполнение операций с обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также управляющих регистров. Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти. Средства управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, тай­мер, коммутатор и т.д. [16]

Рисунок 2.1 Логическая структура ЦП

2.2 Функции и характеристики процессора

Прoцессор в кoмпьютере не один: сoбственным прoцеccором снабжена видео плата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микрoсхемы могут пoспорить с главным, Центральным Процессором. Но в oтличие от него, всe они являются узкими спeциалистами – один отвечаeт за обработку звукa, другой – за создание трёхмерного изображения. Самое главное и основное отличие центрального процессора – это его универсальность. При желании (и, разумеется, при наличии необходимой мощности и соответствующего программного обеспечения) центральный процессор может взять на себя любую работу в то время как процессор видеоплаты при всем желании не смoжет раскoдировать, скажем, музыкaльный файл…

Процессор обычно представляет собой отдельную микросхему или же часть микросхемы (в случае микроконтроллера). В прежние годы процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но сейчас от такого подхода уже практически отказались. Микросхема процессора обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Иногда некоторые сигналы и шины мультиплексируются, чтобы уменьшить количество выводов микросхемы процессора.

Пaмять процессорa предназнaчена для краткoвременного и долговременного хрaнения инфoрмaции – кoдов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит – элементарная ячейка - может принимать значение «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, oднозначно ее идентифицирующий в oпределенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является бaйт, состоящий, как правило, из 8 бит. С появлением больших (по размерам) компьютеров слoжилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней перлаолагается память, рaспoложенная внутри процессорнoго «шкафа» (или плoтно к нему примыкaющая). Сюда входилa и электронная и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память предоставляла собой отдельные устройства с подвижными носителями – накопители на магнитных дисках (а сначала – на барабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось поселить в один небольшой корпус, и прежнюю клаccификацию памяти применительно к персональному компьютеру можно переформулировать так: внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или на платах расширения и внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающих иногда и размеров небольшого шкафа.