Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Теоретические аспекты ЭВМ).pdf

Количество линий управления определит разнообразие режимов обмена, эффективность обмена процессора и других устройств системы.

Магистраль или системная шина (рисунок 6) обязательно включает в себя 3 многоразрядные шины:

• шину управления;
• шину данных;
• шину адресов.

Рисунок 6 Магистрально-модульное устройство компьютера

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией в двоичном виде.

Шина данных предназначена для передачи информации между различными устройствами. Данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

Говоря о шине адреса, важно упомянуть что выбор устройства и ячейки памяти, куда именно пересылаются или откуда могут считываться данные по шине, производит процессор. Каждое такое устройство или ячейка памяти имеет свой конкретный адрес. Этот адрес передается по адресной шине, а сигналы по ней передаются только в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и к устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти, то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле:

В современных ПК разрядность шины адреса составляет 32 или 64 бита. Таким образом максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти может быть равно:

Шина управления передает сигналы, которые определяют характер обмена информацией магистрали. Данные сигналы управления говорят о том, какую операцию – считывание или запись информации из памяти необходимо произвести, а также синхронизируют обмен информацией между устройствами.

Во второй главе рассматривались основные понятия об устройстве процессора, описаны его составные части, функции, основные характеристики.

1. Поколения процессора
   1. История процессоров Intel

Свой первый микропроцессор компания Intel продала в 1971 году, это был чип с кодовым названием 4004 (рисунок 7). Он предназначался для совместной работы с тремя другими микрочипами, ПЗУ 4001, ОЗУ 4002 и сдвиговым регистром 4003. 4004 предназначался для вычисления, а остальные компоненты играли важнейшую роль для работы процессора. Эти чипы в основном использовались в калькуляторах и прочих подобных устройствах и не предназначались для компьютеров. Его максимальная тактовая чистота составляла 740 кГц.

---

Рисунок 7 Процессор Intel 4004

После успеха с 4004 микропроцессором Intel выпустили серию 8-битных процессоров 8008, которые появились в 1972 году, а далее в 1974 – чипы 8080 – улучшенную версию 8008. Чипы 8080 имели большой успех и использовались в бесчисленном множестве устройств, в связи с чем несколько разработчиков программного обеспечения, например недавно сформированная Microsoft, сосредоточились на программном обеспечении для процессоров Intel.

Первым 16-битным процессором Intel был 8086, который имел существенно большую производительность и обладал 16-разрядной шиной данных и аппаратными исполнительными блоками, которые позволяли выполнять две восьмибитные инструкции одновременно. Разрядность адресной шины также была расширена до 20-бит, что дало процессору доступ к 1 Мбайт памяти и увеличило производительность. 8086 процессор стал первым на архитектуре x86, на которой сейчас базируются почти все процессоры AMD и Intel.

Далее в истории процессоров Intel были попытки перейти с архитектуры x86 на другие, например процессор iAPX 432, который имел громоздкую конфигурацию процессора и был выпущен в формате двух отдельных кристаллов. Он был рассчитан на высокие нагрузки и не мог работать хорошо в условиях недостатка пропускной способности шин или поступления данных и его быстро затмили более новые процессоры на архитектуре x86.

Логическим развитием стало появление 32-битного процессора 80386 в 1985 году. Его ключевым преимуществом являлась 32-битная адресная шина, которая позволяла адресовать до 4 Гбайт системной памяти и хотя в те времена столько памяти практически никто не использовал, ограничения ОЗУ мешали производительности предшествующих процессоров и конкурирующих ЦП.

В 1993 году появляется первый процессор Pentium, он использовал архитектуру P5 – первую суперскалярную микроархитектуру x86 Intel. Далее этот процессор улучшался и обрастал расширениями. А в 2005 году компания Intel представила свой первый двухъядерный процессор Pentium D (рисунок 8), который получился не самым удачным, так как процессор обладал высоким тепловыделением и ограничением тактовой частоты в 2,8 ГГц. Также большую роль сыграло использование медленной DDR2-памяти и неоптимизированность большинства приложений под работу с двумя ядрами. Но несмотря на это первый двухъядерный процессор стал отправной точкой к созданию многоядерных процессоров, которые содержат два или более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. Многоядерные процессоры будут более подробно описаны ниже.

---

Рисунок 8 Pentium D

Вместе с самими процессорами улучшались и совершенствовались и их корпуса, о которых речь пойдет в следующем разделе.

• 1. Корпуса процессоров

После изготовления кристалла с ядрами и дополнительными схемами, для применения в конечном изделии ядерный процессор упаковывается в защитный корпус. В зависимости от сложности процессора, его рассеиваемой мощности и назначения применяются различные типы корпусов:

• DIP – Dual In-line Package (рисунок 9), корпус с двухрядным расположением контактов для впайки. В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения PDIP и CDIP, пластиковый и керамический корпусы соответственно.

Рисунок 9 Dual In-line Package

• PGA – Pin Grid Array (рисунок 10), керамический корпус с матрицей выводов. В зависимости от материала корпуса различают PPGA (пластиковый корпус), CPGA (керамический корпус) и OPGA (корпус из органического материала). Также существует модификация корпуса данного вида:
  • FCPGA – Flip-chip PGA – в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса;
  • FCPGA2 – Flip-chip PGA 2, отличается от FCPGA наличием теплораспределителя, закрывающего кристалл процессора;
  • μFCPGA – Micro Flip-chip PGA, компактный вариант корпуса FCPGA;
  • μFCPGA – Micro PGA, компактный вариант корпуса FCPGA2.

Рисунок 10 Pin Grid Array

• QFP – Quad Flat Pack (рисунок 11), плоский корпус с четырьмя рядами контактов для поверхностного монтажа. Корпус может различаться по материалу – быть пластиковым или керамическим, а также по высоте корпуса – иметь малую высоту корпуса (TQFP, LQFP)

Рисунок 11 Quad Flat Pack

• BGA – Ball Grid Array (рисунок 12), корпус PGA, в котором штырьковые контакты заменены на шарики припоя. Чаще всего используется в мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах. Существуют следующие варианты корпуса BGA:
  • FCPGA – Flip-chip BGA, открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса, изготовленного из органического материала. Также существует версия корпуса с улучшенным теплообменом процессора с окружающей средой – HFCPGA.
  • μBGA и μFCBGA – компактные варианты корпусов BGA и FCPGA.

---

Рисунок 12 Ball Grid Array

Также различают понятие картриджей, которые представляют собой печатную плату с расположенными на ней процессором и вспомогательными элементами, устанавливаемую в слот.

Существует несколько видов процессорных картриджей:

• SECC – Single edge contact cartridge, полностью закрытый картридж с теплоотводной пластиной, обеспечивающей тепловой контакт между корпусом картриджа и процессором.
• SECC2 – картридж без теплоотводной пластины.
• SEPP – Single edge processor package, полностью открытая печатная плата.
• MMC – Mobile module connector, картридж с открытым кристаллом процессора, предназначенный для мобильных компьютеров.

В зависимости от корпуса процессора существуют и различные разъемы центрального процессора. Разъем ЦПУ (сокет) – гнездовой или щелевой разъем в материнской плате, предназначенный для установки в него центрального процессора. Разъем может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты. На физическом уровне разъемы отличаются количеством и типом контактов, расстоянием креплений для процессорных кулеров, что делает практически все разъемы несовместимыми. На рисунке 13 можно увидеть, как разительно отличаются разъемы разных поколений процессоров в зависимости от производителя.

Рисунок 13 Разъемы процессоров

Старые разъемы для процессоров x86 нумеровались в порядке выпуска, одной цифрой. К этому разряду относятся сокеты начиная с Socket 1 и заканчивая Socket 7. Номер сокета представляет число пинов процессора.

Более поздние разъемы можно поделить на десктопные, мобильные и серверные. Такие разъемы производят компании Intel и AMD.

Десктопные сокеты компании AMD: Super Socket 7, Slot A, Socket 462/Socket A, Socket 754, Socket 939, сокеты линейки Socket AMD2 и AM3, FM1, FM2, AM1, AM4, TR4, TRX4. Последние из них работают на новой микроархитектуре Zen и обладают поддержкой памяти DDR4.

К серверным сокетам AMD относятся Socket 940, серии Socket F, Socket C, Socket G, Socket S. Такие сокеты используются для процессоров крупных дата-центров и ИТ-организаций.

Сокеты производства компании Intel, как и их процессоры наиболее популярны в современных персональных компьютерах. К ним относятся Socket R, B2, которые использованы в процессорах Core i7 и Xeon, Socket 270, Socket 478 и другие.

• 1. Многоядерные и мультипроцессорные системы

Архитектура многоядерных процессоров во многом повторяет архитектуру мультипроцессоров, которые впервые появились на рынке в конце 1980-х годов. Отличительной чертой мультипроцессоров было наличие нескольких процессоров и только одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. Среди мультипроцессоров классифицируют симметричные мультипроцессоры и ассиметричные. Первые имеют архитектуру, в которой два или более одинаковых процессора сравнимой производительности подключаются к общей памяти и выполняют одни и те же функции. В этом классе процессоры тесно связаны друг с другом через общую шину и имеют равный доступ к памяти и устройствам ввода-вывода и управляются одной копией ОС [21].

---

Рисунок 14 Схема симметричной мультипроцессорной системы

В системе с ассиметричной мультипроцессорностью не все процессоры играют одинаковую роль. Например, только один процессор может выполнять операции ввода-вывода, а другой используется для исполнения кода ОС.

Возвращаясь к архитектуре многоядерных процессоров важно упомянуть, что различают два поколения. Первое поколение представляло собой самые простые схемы – два процессорных ядра, размещенных на одном кристалле без разделения ресурсов, кроме шины памяти, к ним относится, например, Intel Pentium D, о котором упоминалось ранее как о самом первом двухъядерном процессоре.

Вторым поколением считается архитектура процессора, когда его вычислительные ядра совместно используют кэш второго или третьего уровня, к нему относятся все современные многоядерные процессоры. В таких процессорах намеренно снижают тактовую частоту, что позволяет уменьшить энергопотребление процессора без потери производительности. Удвоим количество ядер процессора и снизив вдвое их тактовую частоту, мы получаем ту же производительность, но при этом энергопотребление снизится в 4 раза, так как энергопотребление прямо пропорционально кубу от частоты процессора. В таблице 1 можно явно проследить зависимость между количеством операций в секунду и потребляемой мощностью.

Таблица 1 Производительность многоядерных процессоров

Процессор	Количество ядер	Миллионов операций в секунду (общее)	МФлопс (общее)	Количество потоков на ядро	Потребляемая мощность, Вт
SEAforth40	40	26000	–	1	0,5
Tile64pro	64	443000	–	1	20
Tile-Gx100	100	750000		1	10-50
AsAP	167	10824-196800	770	1	0,01-10
CSX700	192	48000	96000	1	9
Larrabee	~32		2000	4
G80	128		518000	96	150
Mips32 1004k	4	3200	90	2	0,4
xlp832	8	4000-16000		4	15-50
ARM11 MPCore	4	1200-2400		1
ARM Cortex-A9 MPCore	4	~8000		1
ARM Cortex-A5 MPCore	4	~2000		1
Cell Broadband	9	17000	250000	2	80
AMD Opteron	4/6/12	21600-46800	28800-41600/ 2 40-75 43200-62400/ 86400-124800	2	40-75
Sun Ultra Spark T2	4/6/8	7200-22400	11000	8	46/57/91
Intel Core i7	4/8	38400-105600	60000-70000	2	90-130
МС-24	2	640	480	1	1,5
МС-0226	3	1600	1200	1
NVCom-01	3	4800	3600	1	0,28-1,0

---