Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Общая характеристика).pdf

Введение

Большинство источников литературы, в т.ч. учебной, описывают микропроцессор (далее процессор) с точки зрения специалиста-разработчика программного обеспечения. В описании процессоров, часто можно встретить информацию о так называемых регистрах процессора. Регистр – устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. В современных процессорах, такие регистры имеют размер 16, 32, 64, 128 и 256 бит, что позволяет совершать операции над числами указанных размеров, и соответственно обрабатывать разные объема информации. Для хранения каждого бита в регистре применяется специальный элемент – ячейка памяти, которая формируется из n-го количества КМОП-транзисторов (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Также, при описании, часто упоминаются АЛУ, регистры сдвига, устройства выборки др. Число транзисторов в современных процессорах достигает 2 миллиардов. Возникает вопрос, какие схемотехнические решения реализованы, посредством такого количества транзисторов? В процессе изучения соответствующей технической документации, автором было определено, что в состав современных процессоров входит множество функциональных компонентов, выполняющих широкий набор задач разного назначения. Без более детального изучения, понять устройство и принципы работы процессоров может оказаться сложной задачей.

В данной работе, описание процессоров приведено в обобщенной форме. Отсутствие единой структурной реализации процессора, приводит к необходимости рассматривать процессор каждой марки и серии индивидуально. Изучение современных процессоров играет важную роль для разработки прикладного и системного программного обеспечения (ПО). Подходы и средства разработки ПО можно разделить на высокий и низкий уровень. Высокий уровень позволяет использовать готовые средства разработки, такие как API (Application Programming Interface), IDE (Intergrated Development Enviroment – интегрированная среда разработки), шаблоны проектирования и др. Низкий уровень, в свою очередь определяет то, на чем основан верхний уровень и все средства, имеющие к нему отношение. В первую очередь, это понимание логики работы процессора и вычислительной техники в целом. В настоящее время, среди многих специалистов данной области распространена мысль о том, что для создания ПО достаточно применения высокоуровневых средств. Тем не менее, глубокие знания в области устройства и функционирования процессоров повышают компетенцию специалистов и открывают возможности для профессионального роста и решения более сложных задач.

---

Говоря о понятии “современный”, автор рассматривает процессоры, выпускаемые с 2011/2013 года. Именно с указанными датами связаны фундаментальные изменения, которые производители процессоров внесли в свою продукцию. В настоящее время, рынок процессоров для настольных ПК представлен преимущественно продукцией двух наиболее крупных международных компаний Intel и AMD (Advanced Micro Device).

При написании курсовой работы, автор использовал источники информации, содержащие самую актуальную и достоверную информацию о процессорах. Основными из них являются технические спецификации, руководства по разработке программного обеспечения.

Глава 1. Общая характеристика

Перед тем, как мы перейдем к описанию структуры микропроцессоров, читателю предлагается ознакомиться с терминологией, понятиями и некоторыми теоретическими основами устройства процессора.

Современный процессор – сложное многофункциональное устройство. В период зарождения вычислительной техники, приблизительно с 1960 г., и 1981 (дата выпуска первых персональных компьютеров компанией IBM), CPU (Central Processing Unit, он же процессор) выполнял арифметико-логические операции для узкого круга задач. В наши дни, процессору отведена роль решения большего объема разнохарактерных задач, к которым относятся:

1. Вычисления общего назначения, используемые в научно-технических целях;
2. Управление комплексом устройств ввода/вывода: клавиатура, компьютерная мышь, монитор, и иных устройств;
3. Управление устройствами для приема и передачи данных по телекоммуникационным сетям;
4. Полный цикл управления вычислительной техникой;
5. Аналого-цифровая и цифро-аналоговая обработка данных.

Решение задачи по вычислению значений для построения графических изображений (визуализация), отведено графическому процессору. Несмотря на тот факт, что в последние годы, визуализация обретает более высокое значение, центральный процессор остается главным функциональным устройством ПК.

Все названные задачи, привели к появлению многообразия процессоров, разных характеристик, конфигураций и назначения. Обращаясь к источникам информации о процессорах, таким как техническая документация, магазин электроники, читатель может столкнуться с большим числом терминов и квалификаторов.

На рисунке 1 представлена структура и характеристика наименования (маркировки), процессоров Intel.

---

Рисунок 1. Маркировка процессоров Intel

Элементы маркировки включают в себя:

• Название торговой марки (семейства)/бренд. То же, что и для примера, «Билайн», компании «Вымпелком»;
• Модификатор бренда. Дополнительная информация бренда;
• Число, ссылка на поколение (архитектуру);
• 3 цифры – SKU число. SKU - Stock Keeping Unit (идентификатор товарной позиции). Характеризует компонентную структура процессора;
• Product/Processor Line суффикс. Дополнительный квалификатор, выражает определенные физические и вычислительные особенности процессора. Например, следующие суффиксы характеризуют уровень энергопотребления процессора:
• U — Ultra low voltage (TDP — ниже 15 Вт);
• L — Low voltage (TDP — от 15 до 25 Вт);
• T — standard mobile (TDP — от 25 до 55 Вт);
• E — standard desktop (TDP — от 55 до 75 Вт);
• X — extreme (TDP — выше 75 Вт);

Суффикс «K» - unlocked/overclock (с англ. разблокированный/ разгонять), определяющий возможность процессора увеличивать скорость работы. Процессоры компании AMD имеют в своем названии:

• Наименование компании и торговой марки (AMD Rayzen^ТМ, AMD FX^ТМ);
• Указатель серии (AMD Ryzen^ТМ 5);
• Номер модели (AMD Ryzen^ТМ 5 1500);

При рассмотрении характеристик процессора, мы выделим следующие группы:

• микроархитектура и архитектура платформы;
• производительность;
• поддерживаемые технологии и архитектура набора инструкций.

Микроархитектура (далее архитектура) – схемотехническое решение, характеризующее расположение компонентов, отвечающих за реализацию функций процессора. Описание архитектуры процессора включает два уровня. Первый уровень описывает общее число всех функциональных элементов входящих в процессор - ядро (количество зависит от конфигурации), элементы категории uncore, средства обеспечивающие взаимосвязь между компонентами – шины и вспомогательные элементы. Второй уровень дает описание вычислительного блока - ядра и всех элементов входящих в его состав. Среди таких элементов – АЛУ (арифметико-логические устройства), кэш-память, устройства выборки и декодирования инструкций и др. Далее мы будем рассматривать понятие «архитектура» применительно к ядру процессора.

Реализация определенной архитектуры, есть результат технологии производства процессора, которая имеет название технологический процесс. Совершенствование архитектуры означает такое изменение техпроцесса, при котором уменьшаются размеры, увеличивается плотность размещения и количество полупроводниковых структур, образующих функциональные блоки процессора. С течением времени, все новый технологический процесс позволяет создавать более совершенную архитектуру. Каждая архитектура, основанная на соответствующем техпроцессе, имеет кодовое название, которое можно часто встретить в технической документации и множестве источников. Например, в процессорах компании Intel, реализованы архитектуры следующих названий:

---

• Sandy Bridge/Ivy Bridge;
• Haswell/Broadwell;
• Skylake.

Мы рассмотрим более подробно каждую архитектуру в главе 2.

Архитектура платформы - физическое расположение процессора в архитектуре компонентов материнской платы ПК.

К параметрам производительности относятся следующие пункты:

• Количество ядер;
• Количество потоков. Поток – это последовательность инструкций. Данный параметр характеризует возможность процессора одновременно исполнять несколько последовательностей инструкций. Чаще это имеет отношение к числу приложений запущенных на ПК;
• Базовая тактовая частота. Характеризует количество микроопераций, выполняемых процессоров за секунду.
• Кэш-память – сверхбыстрая оперативная память, интегрированная в процессор и ядро. Предназначена для хранения инструкций и данных;
• Частота системной шины;
• Разрядность процессора. Величина, определяющая размер машинного слова, которым можно закодировать информацию, равная размеру регистров процессора. В процессорах реализуется разрядность в 32-бита и 64-бита.

Архитектура инструкций процессора (Instruction Set Architecture, IS) – набор команд (микрокода), поступление которых на входы ядра, выполняет определенные действия над объявленными данными. Наибольший интерес инструкции представляют для разработчиков программного обеспечения. Поддержка определенного набора команд - важный параметр процессора. Это дает гарантии работы процессора на большинстве устройств, и запуск программного обеспечения для решения задач определенно назначения. Справедливо полагать, что ISA в большей степени определяют архитектуру процессора. Число и структура компонентов процессора должны быть размещены таким образом, чтобы исполнение каждой инструкции давало точный заявленный результат вычислительного процесса. С появлением новых архитектурных решений, за последнее десятилетие, в большинстве процессоров появилась возможность выполнять операции над числами длиной 128 и 256 бит. Это реализовано путем добавления к существующей ISA дополнительных классов инструкций.

Ниже представлено обозначение наборов инструкций, в т.ч. с указанием длины машинного слова:

• General Purpose, x86-x64 – инструкции общего назначения для операций над числами 32 и 64 бита;
• x87 FPU (Floating Point Unit) – числа с плавающей точкой (вещественное, в виде десятичной дроби);
• MMX^TM (Multimedia Instruction) – обработка мультимедийных данных размером 128-256 бит; (аудио, видео данные, графические изображения);
• SIMD Extensions - SSE2-4. Расширения для чисел размером 64 бита;
• AVX^ТМ – Advanced Vector Extension. Еще одно расширение системы команд x86;
• CLMUL. Расширение, для обработки чисел размером 64 бита;

---

Большинство процессоров Intel и AMD поддерживают исполнение инструкций данных наборов.

Изначально, термин “Персональный компьютер” (сокращенно ПК, термин был применен к первым компьютерам компании IBM) представлял собой настольный компьютер для использования в бытовых условиях, для личных целей. С развитием локальных и глобальной сети, появился новый подкласс компьютеров, называемых серверами. Сервер - специализированный компьютер, выполняющий расширенный набор задач для обмена информацией с другими компьютерами. Следовательно, с появлением новых вычислительных задач, возникает потребность в процессорах с более высокими характеристиками.

Главные отличия процессоров для серверов и настольных ПК выражаются в следующих параметрах:

• объем обрабатываемой информации, выраженный в количестве исполняемых операций над числами,
• продолжительность операционного процесса. В большинстве случаев, серверы работают в круглосуточном режиме.

Приведенные параметры определяют конфигурацию процессора и архитектуру платформы. В главе 2 мы рассмотрим процессоры для серверов более подробно.

Глава 2. Структура процессора

2.1. Процессоры Intel

Для персональных компьютеров, компания Intel предлагает процессоры следующих серий:

• Intel Core;
• Intel Pentium;
• Intel Celeron;
• Intel Xeon.

В таблице №1 перечислены названия торговых марок процессоров, выпускаемых для настольных ПК.

Таблица 1. Процессоры Intel для настольных ПК

Семейства (торговые марки)

PENTIUM

CELERON

XEON

CORE

Серии

• D;
• G;
• J;

Generation: 2^th, 3^th, 4^th, 5^th, 6^th.

Серии

• G;
• J;

Generation: 2^th, 3^th, 4^th, 5^th, 6^th.

Серии

• Масштабируемые процессоры Xeon;
  • • E3: v2, v3;
    • E5: v2, v3, v4;
    • E7: v2,v3,v4;
• D.

Generation: 2^th, 3^th, 4^th, 5^th, 6^th.

Серии

• i3;
• i5;
• i7;
• X;

Generation: 4^th, 5^th, 6^th.

Процессоры Intel Core^TM производятся на основе архитектур Haswell (4^th), Broadwell (5^th), Skylake (6^th) и одной из последних – Kaby Lake и Kaby Lake R (7^th, 8th). Серия X представляет самые мощные многоядерные процессоры. Семейства Pentium и Celeron базируются на тех же архитектурах что и процессоры Intel Core^TM. Большая часть процессоров Intel Xeon предназначена для работы на сервере.

---