Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf
Добавлен: 28.03.2023
Просмотров: 200
Скачиваний: 2
Наиболее распространены следующие архитектурные решения. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) это одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе[12].
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько автономных логических устройств работают под управлением одного управляющего устройства. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений.
Далее переходим к отличительным функциям процессора, классификация которых была выбрана основной.
Микропроцессор или процессор. Маршиан Эдвард (Тед) Хофф построил интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ — так появился первый микропроцессор Intel, 4004 быстродействие которого составило порядка 60 000 операций в секунду, а тактовая частота — 108 кГц. Он имел 2300 транзисторов на одном кристалле, адресуемую память 640 байт, мог выполнять 45 различных команд и оценивался в 200$ (при этом обладал такой же вычислительной мощностью, как первая ЭВМ ENIAC, занимавшая целую комнату)[13]. Первые микропроцессоры играли функцию центрального процессора устройств, выполняя функции расчёта и управления, такие как: калькуляторы, дорожные светофоры, анализаторы крови и т.д. Так же на их основе появились первые персональные компьютеры, где микропроцессор выполнял функции арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства, хранящего информацию с помощью набора регистров. С этого момента понятие микропроцессор и центральный процессор смешались в единое. Со временем эволюционирование микропроцессоров происходило в увеличении их плотности транзисторов, повышением разрядности, увеличении кэша. Количество ядер в процессоре постепенно увеличивалось. К ним со временем добавились встроенные графические ядра. Такие центральные процессоры как, например, AMD Ryzen 9 4900H могли производительно обрабатывать не только логически-арифметические операции, но и на достаточном уровне производили вычисления в 3D графике. В современном мире микропроцессоры не утратили своих функций. Они так же применяются в приборах учёта, в персональных компьютерах в виде центрального процессора, их устанавливают в бытовых устройствах, автомобилях, измерительных приборах и т.д. С развитием они снизили себестоимость, увеличили надёжность, стали менее энергозатратными, упростили управление устройствами, уменьшили вмешательство человека в обслуживание.
Аудиопроцессор является сегментом производства процессоров цифровой обработки сигналов (ПЦОС). Исходя из этого, рассмотрим функции процессоров цифровой обработки сигналов. Типовые задачи решаемые данными процессорами: фильтрация сигналов, сверка двух сигналов, вычисление значений авто и кросскорреляционной функции двух сигналов, усиление, нормализация или преобразование сигналов. При этом ПЦОС решают математические задачи свертки, корреляционного анализа, преобразование Гильберта, быстрого преобразования Фурье, решения задачи адаптивной фильтрации, взвешивание сигналов, синтез сигналов[14]. Архитектура процессора подразумевает размещение программы и данных в разделы запоминающего устройства и передачу их по раздельным шинам. Это позволяет полностью совмещать во времени выборку и исполнение команд. Применение конвейера позволяет обрабатывать одновременно несколько команд, находящихся в разных стадиях выполнения. Аппаратный умножитель позволяет выполнять умножение за один такт. Короткий командный цикл так же ускоряет производимые вычисления. Когда требуется высокая точность обработки данных, реализация устройства в весьма компактном и миниатюрном виде, достижение высокой стабильности характеристик устройства в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственно приемлемым решением[15]. Выбор того или иного ПЦОС для средства связи – многокритериальная задача. Процессоры ЦОС могут показывать разную производительность, например, для приложений, требующих выполнения больших объёмов математических вычислений (таких как цифровая фильтрация сигнала, вычисление корреляционных функций и т.п.) в сравнении с задачами, требующими интенсивного обмена с внешними устройствами (многопроцессорные системы, различного рода контроллеры). Расширенные коммуникационные возможности (например высокоскоростные интерфейсы), наличие достаточных объёмов внутрикристальной памяти для данных и программ, возможность защиты программ от несанкционированного доступа, поддержка режима энергосбережения являются очевидными признаками технологического совершенства ПЦОС[16].
Сопроцессор. Архитектура компьютеров на базе первых микропроцессоров опиралась исключительно на целочисленную арифметику. С ростом мощи стали появляться устройства для обработки чисел с плавающей точкой. Такими устройствами стали сопроцессоры. Они были подключены непосредственно к центральному процессору и предназначены для выполнения операций над числами в формате плавающей точкой (вещественные числа) и длинными целыми числами. Сопроцессор не управляет системой, а ждёт команду от CPU на выполнение арифметической действий и формирование результатов. Арифметический сопроцессор значительно (в десятки раз) ускоряет вычисления, связанные с вещественными числами. Он может вычислять такие функции, как синус, косинус, тангенс, логарифмы и т.д. Сопроцессор запускается центральным процессором. После запуска он выполняет все вычисления самостоятельно и параллельно с работой центрального процессора. Если центральный процессор выдает очередную команду сопроцессору в момент времени, когда тот еще не закончил выполнение предыдущей команды, центральный процессор переводится в состояние ожидания. Если же сопроцессор ничем не занят, центральный процессор, выдав команду сопроцессору, продолжает свою работу, не дожидаясь завершения вычисления. Для увеличения скорости обмена между внешним устройством и памятью управляющего комплекса используют специализированные процессоры (сопроцессоры) ввода/вывода. Это обусловлено тем, что в связи с интенсивным ростом использования телекоммуникационных сетей для межмашинного или межпроцессорного обмена, а также в связи с увеличением объема и скорости передачи данных, скорость передачи при вводе-выводе стала одним из главных критериев для оценки эффективности телекоммуникационного устройства[17].
Сопроцессор ввода-вывода берет на себя функции обработки прерываний и контроля чётности. Что позволяет ускорить выполнение программ на центральном процессоре, более эффективно использовать общую системную шину и оперативную память.
Серверный процессор. Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC — Reduced Instruction Set Computer)[18]. Система строилась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один такт). Для упрощения декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Команды, поступающие на процессор, выполняли только простые действия. Большое количество ядер и многопоточность позволяют большому количеству пользователей одновременно получать необходимую информацию, а так же непрерывно её обрабатывать. Повышенная стойкость к сбоям в памяти, за счёт интенсивного контроля ошибок и коррекция ошибок (ECC), на всех уровнях памяти. Наличие таймера, перезагружающего процессор при зависании. Поддержка больших объёмов оперативной памяти. Все эти параметры отличают серверные процессоры от центральных.
Графический процессор. Во второй половине 1990‑х годов началось быстрое развитие графических процессоров (GPU) — дополнительных вычислительных устройств для ускоренного исполнения алгоритмов визуализации трехмерных сцен. Поскольку трехмерная визуализация допускает эффективное распараллеливание расчетов, графические процессоры разрабатывались как поточно-параллельные системы с большим количеством вычислительных блоков, конвейерной обработкой данных и памятью с максимальной пропускной способностью. Современные GPU содержат набор одинаковых вычислительных устройств— «потоковых процессоров» (ПП), работающих с общей памятью GPU (видеопамять). Все ПП синхронно исполняют один и тот же шейдер, что позволяет отнести GPU к классу SIMD (Single Instruction, Multiple Data). ПП объединены в SIMD-группы мультипроцессоров (МП), но при этом разные МП работают независимо друг от друга, хотя и исполняют один и тот же шейдер. Каждый ПП является суперскалярным устройством и может выполнять до двух команд за такт. При обращении в видеопамять ему доступна вся память, как на чтение, так и на запись. За один проход, являющийся этапом вычислений на GPU, шейдер исполняется для всех точек двухмерного массива. Современные графические процессоры выполняют не только стандартные алгоритмы визуализации, но и сложные пользовательские программы, что позволяет решать на них задачи общего назначения, включая физико-математическое моделирование. При параллельных расчетах GPU может обеспечить производительность кластера из сотен обычных персональных компьютеров. В компьютерах графические процессоры обычно можно обнаружить в видеокарте. Это отдельное устройство, содержащее графический процессор на плате, имеющий свою память, для ускоренного вычисления алгоритмов визуализации трёхмерных сцен. В мобильных ПК (ноутбуках) графический процессор в виде интегрированных видеоядер встроен в центральный процессор. Встроенная графика имеет ряд недостатков: вместо отдельной памяти используется оперативная, что приводит к снижению пропускной способности памяти и невысокой производительности в 3D графике. Из плюсов таких решений можно выделить невысокую цену (за центральный процессор и графический). Так же в ноутбуках можно встретить графический процессор в виде дискретной графике. Это отдельный видеочип распаянный на материнской плате или на отдельном модуле. По характеристикам дискретная графика может не уступать видеокартам, но в производительных решениях проблемой может стать перегрев. По соотношению производительности и цены графические процессоры имеют большое преимущество перед другими вычислительными системами, в том числе перед специализированными суперкомпьютерами[19].
Многоядерный процессор. Историческая гонка увеличения мощности процессора на основе повышения тактовой частоты оказались на грани исчерпания. Производители выбрали в качестве альтернативного пути развитие увеличение числа ядер на кристалле. Данный подход позволяет реализовать в единственном кремневом кристалле несколько вычислительных ядер, при этом по своим вычислительным возможностям эти ядра могут не уступать обычным (одноядерным) процессорам. Помимо увеличения ядер современные процессоры получили и несколько кремниевых кристаллов на одной подложке. Так же процессоры оснащаются поддержкой одновременной многопоточности (hyper threading). Процессор дополняется средствами запоминания состояния потоков. Одновременно выполняемые потоки конкурируют за исполнительные блоки единственного процессора и, как результат, выполнение отдельных потоков может блокироваться, если требуемые в данный момент времени блоки процессора оказываются уже задействованными. Поддерживаемые потоки на логическом уровне операционных систем Linux и Windows воспринимаются как отдельные процессоры, т.е., например, единственный процессор с двумя аппаратно-поддерживаемыми потоками в операционной системы Windows диагностируется как два отдельных процессора. Потенциал производимости многоядерных процессоров может быть задействован только при надлежащей разработке программного обеспечения (программы должны быть очень хорошо распараллелены).
Квантовый процессор. Новый тип процессоров и компьютеров получил своё название благодаря открытиям сделанным на квантовом уровне. Само открытие, говоря кратко, описывает частицы, которые могут находиться в состояниях волны и частицы одновременно. Именно это подтолкнуло на разработку вычислительных устройств, способных обрабатывать сигнал частиц находящихся в суперпозиции. Канадская компания D-Wave System ещё в январе 2007 года представила первый работающий прототип квантового компьютера состоящего из 16 кубитного процессора[20]. Текущие выпущенные компьютеры содержат в себе вычислительные блоки, состоящие из 2000 кубитов. Данные компьютеры постоянно модернизируются. Ученые находят новые способы преодоления ограничений в работе квантовых процессоров, компьютерные специалисты создают новые языки программирования для упрощения работы и увеличению объёма решаемых задач на квантовых компьютерах. Работа процессора выполняется в температурных условиях близкого ноля (примерно 0,015 Кельвина). При наличии вакуума и необходимой температуры квантовый процессор ограничивается от внешнего мира данной средой. Это состояние позволяет протекать квантовым эффектам по необходимым сценариям. Небольшое повышение температуры приводит к хаотичным последствиям, что отображается в виде шума на итоговых показаниях. Большим преимуществом данной системы является её масштабируемость. Один кубит может содержать в себе 2 бита информации, два кубита – 4 бита, три кубита – 8 бит и т.д. (2n = X бит, где n – количество кубитов). Преимущество такой системы не в быстроте решения операции, а в экспоненциальном уменьшении шагов для достижения конечного результата.
Уникальность работы каждого вида процессора говорит о сложности решаемых задач. Проектирование процессоров под конкретные задачи является оптимальным решением на текущий момент. Конечно, можно создать процессор общего типа, функциональные блоки которого могли содержать все преимущества каждого типа, но данный процессор получился огромных габаритов, очень сложной архитектуры, отдельным питающим блоком и огромным тепловыделением. Очень сложная технология, очень хрупкая, без права на ошибку стоила бы огромных денег. Данное направление не целесообразно. Поэтому совершенствование технологий создания энергоэффективных процессоров под конкретные задачи и будет и продолжаться в будущем. Развитие человечества создаёт огромный класс новых задач. Решение распределения электроэнергии, расчёт и представление математических и физических явлений, обработка огромных объёмов данных и многие другие задачи на сегодняшний день требуют от персональных компьютеров. Все эти задачи лежат в своей среде обитания и чаще не являются схожими по решению. Именно для таких задач и разрабатываются системы, содержащие в себе набор вычислительных блоков. Поможет в данных вопросах и переход на новый тип технологий. Квантовые процессоры могут стать началом этой технологии, но в данный момент они не могут преодолеть барьер доступного устройства с простыми требованиями к работе. Отсутствие массового потребления устройства говорит о том, что поиском решаемых задач на квантовых компьютерах занимаются не большие группы людей, сконцентрированные на определенном плане задач. Что не могут полно раскрыть его функционала. Вычисления с большим количеством переменных и экспоненциальный рост производительности от числа кубитов создадут условия большой конкуренции квантовых вычислений. Обычные компьютеры не исчезнут с полок магазинов. Решение простых задач в более короткое время останется за привычными для нас устройствами. Новый класс вычислений расширит границы понимания человечества. Предоставит возможности в понимании новых процессов, выборе оптимальных решений, новых научных открытиях.
Глава 3. Назначения процессора в персональном компьютере.
После написания классификации и функций процессора можно поговорить о назначение каждого вида процессора.