Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора ( Классификация процессора ).pdf

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера – это процессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Современный процессор – продукт самых совершенных технологий. Его можно встретить в компьютерах, в автомобилях, в производственных станках и в различных гаджетах.

Процессоры выполняют важную роль в автоматизации электротехнического оборудования, управлении производством, физическом и математическом моделирование, обработки результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и много других сфер. При этом всем процессоры имеют очень сложное устройство, а производители стремятся постоянно улучшать их характеристики и выпустить на рынок продукт который по сравнению с конкурентами будет отличаться эргономичностью, качеством, количеством операций и других преимуществ.

В современных процессорах воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели процессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом. Процессоры – это высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники.

В своей работе я рассмотрю классификации процессоров их функции и назначение. Начать следует именно с классификации. Так как необходимо обозначить весь объем интересуемой темы. Далее по каждому виду процессоров будет дана информация о его функциях и назначении.

Глава 1. Классификация процессора

Процессор – основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.^[1]

Персональный компьютер (ПК) – универсальная техническая система. При необходимости его конфигурацию (состав оборудования) можно изменять для соответствия большинству решаемых задач^[2].

Разбор классификации следует начать с истории создания процессоров. Важно установить, что точкой отсчета служат первые устройства, собранные на одном компоненте (кристалле). Так как компоненты, выполняющие логические операции, состоящие из множества транзисторов, реле, вакуумных ламп, собранных на платах и содержащие большое число этих плат, могут выполнять те же функции. Но исторически, размеры этих устройств и сложность их перепрограммирования сделала их трудозатратными и не конкурентными. В дальнейшем метод сборки процессоров на одном кристалле станет не актуальным. Так же на классификацию повлияет личный опыт знания тех средств, которые можно установить в персональный компьютер. И большие надежды на внедрение новых технологий в массовый потребительский сегмент.

---

Рассмотрим по истории создания:

• Микропроцессор (Intel 4004, в 1971 г.^[3]) – устройство, выполняющее арифметические и логические операции в соответствии с программой, хранимой в памяти.
• Процессор – определение (синоним микропроцессора, но выполнен на сверхбольшой интегрально схеме).
• Аудиопроцессор (процессор цифровой обработки сигналов 1979г.) – дополнительное вычислительное устройство для ускоренного исполнения алгоритмов цифровой обработки сигналов. Особенность работы данного процессора в поточном характере обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени и с интенсивным обменом данных с внешними устройствами.
• Сопроцессор (Intel 8087 1980 г.) – специализированная интегральная схема, работавшая во взаимодействии с центральным процессором. Разработан для расширения возможностей центрального процессора и ускоренного выполнения определённых задач.
• Серверный процессор (Intel Pentium Pro 1995 г.^[4]) – процессоры, созданные для эффективной конвейерной обработки команд. Отличается от центральных процессоров повышенной производительностью ориентированной на аппаратную часть, а не на микропрограммную, повышенной надёжностью, увеличенной пропускной способностью шины и большим объёмом кэша.
• Графический процессор (GPU, вторая половина 1990г.) – дополнительное вычислительное устройство для ускоренного исполнения алгоритмов трехмерных визуализации. Поскольку трехмерная визуализация допускает эффективное распараллеливание расчетов, графические процессоры разрабатывались как поточно‑параллельные системы с большим количеством вычислительных блоков^[5].
• Многоядерный процессор (IBM POWER4 2001 г.) – процессор, содержащий два и более отдельных блоков обработки интегрированных на одну интегральную схему. Многоядерными могут быть все процессоры, перечисленные в данной классификации.
• Квантовый процессор – процессор нового поколения ядра которого заменены на кубиты (квантовые биты или биты которые одновременно могут быть как 0 так и 1). Используется логическим устройством в квантовых компьютерах. Отличаются отсутствием энергопотребления и её выделением.

Процессоры имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. По всем вышеперечисленным процессорам можно состав дополнительную классификацию по числу больших интегральных схем (БИС). Дополнительная классификация нужна для более привычного понятия структуры всех видов процессоров. Так как дополнительная классификация имеет более обобщенный вид и не показывает разницы решаемых задач, выбор её в качестве основной был отклонён.

---

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств. Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных, адресов и управления^[6]. По числу БИС различают процессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

• Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных процессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных процессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.
• Многокристальные микропроцессоры получаются при разбитии его логической структуры на функционально законченные части и реализации их в виде больших интегральных схемах или сверхбольших интегральных схемах. Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
• Многокристальные секционные процессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

Однокристальные и трёхкристальные интегральных схем процессоров, как правило, изготавливают на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС процессор на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов^[7].

Дополнительно хотелось составить классификацию процессоров на основе исполняемых команд.

• CISC-процессоры. Это процессорная архитектура, которая характеризуется: не фиксируемым значением длины команды; арифметические действия кодируются в одной команде; небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию. Типичными представителями CISC-архитектуры являются процессоры на основе команд x86. Благодаря распространённости процессоров архитектур x86 и x86-64, CISC-системы являются самыми распространённым в мире вычислительной техники — они доминируют в сегментах рабочих станций, персональных компьютеров, серверов начального и среднего уровня. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд, при этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд, исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук. Основной недостаток CISC-архитектуры в сравнении с RISC — более сложный подход к распараллеливанию вычислений.
• RISC-процессоры. Это процессорная архитектура, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками). Однако многие компиляторы не задействовали все возможности таких наборов инструкций, а на сложные методы адресации уходит много времени из-за дополнительных обращений к медленной памяти. Было показано, что такие функции лучше исполнять последовательностью более простых инструкций, если при этом процессор упрощается и в нём остаётся место для большего числа регистров, за счёт которых можно сократить количество обращений к памяти. В первых архитектурах, причисляемых к RISC, большинство инструкций для упрощения декодирования имеют одинаковую длину и похожую структуру, арифметические операции работают только с регистрами, а работа с памятью идёт через отдельные инструкции загрузки и сохранения. Эти свойства и позволили лучше сбалансировать этапы конвейеризации, сделав конвейеры в RISC значительно более эффективными и позволив поднять тактовую частоту.
• MISC-процессоры. Это процессорная архитектура, в которой увеличено быстродействие за счёт сокращения длины команды до минимума. Эта архитектура отличается наилучшей эффективностью и простотой в сравнении с CISC и RISC. Может содержать в себе блок RISC, обрабатывающий в себе от 10 базовых команд, из которых формируются более сложные операции над значениями, методом ветвления полученных результатов в постоянном запоминающем устройстве. С точки зрения быстродействия, время выполнения инструкции, скорость записи и передачи данных в память, сокращается в разы, так как не нужно ожидать, пока заполнится и очистится конвейер, а выполнять всё потоковом порядке, без задержек. Причиной, по которой данная архитектура не стала популярной в компьютерных технологиях – сложность написания программ под различные процессоры. Ведь все нюансы по подбору методов вычисления и оптимизаций возлагались на плечи программистов. К тому же, с повышением сложности выполняемых задач, требовалось более сложное программное обеспечение, что тормозило бы развитие микропроцессорного рынка.
• VLIW-процессоры. Это процессорная архитектура, разработанная для использования параллельного выполнения команд, содержащих сверхдлинное командное слово. Повышение производительности в процессорах включает в себя разделение инструкций на этапы, благодаря чему инструкции могут выполняться конвейерно, раздельно на отдельные команды, которые должны выполняться независимо, в разных частях процессора и даже выполнение инструкций в порядке, отличном от программы. Все эти методы усложняют аппаратное обеспечение (большие схемы, более высокая стоимость и энергопотребление), потому что процессор должен принимать все внутренние решения, чтобы эти методы работали. Метод VLIW зависит от программ, обеспечивающих все решения относительно того, какие инструкции выполнять одновременно и как разрешать конфликты. На практике это означает, что компилятор (программное обеспечение, используемое для создания конечных программ) становится гораздо более сложным, но аппаратное обеспечение проще, чем во многих других средствах параллелизма.

---

Первая классификация составлялась для отображения принципиальной разницы работы процессора и разнообразия применения их в различных устройств. Так как множество процессоров могут находиться в одном ПК, это существенно позволяет расширить область применения персональных компьютеров. Позволяет им быстро решать определенные типы задач и дает простор выбора и замены определенных составных устройств, для дальнейшего увеличения производительности.

Данную классификацию возможно дополнительно расширить специализированными процессорами работу которых применяют: в ускоренных расчётах физики, созданных для ускорения работы конкретных приложений. Так же классификацию возможно расширить процессорами новых исполнений функционал которых будет создан в недалёком будущем. Из-за быстрого мирового развития даже сейчас проскальзывают новости о разработках биологических процессоров работающих на белковых переключателях в клетках. Вторая же классификация показывает, что принципиальные функциональные части процессоров схожи у всех типов.

Глава 2. Функции процессора

После классификации рассмотрим функции процессоров. К общим функциям процессора мы можем отнести: обработку данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программное управление работой устройств компьютера.

Процессор обрабатывает инструкции, которые он получает в процессе декодирования данных. При обработке этих данных, процессор выполняет четыре основных шага:

• Выборка. Каждая команда сохраняется в памяти и имеет свой собственный адрес. Процессор запоминает этот адрес из программного счетчика, который отвечает за отслеживание того, какую инструкцию центрального процессора (ЦП) должен выполнить следующей.
• Расшифровка. Все программы, которые должны быть выполнены, будут переведены на язык Ассемблер. Код Ассемблера выполнен в бинарных инструкциях, которые понятны процессору. Этот шаг называется декодированием.
• Выполнение. При выполнении инструкции, процессор может сделать одно из трех действий: передать инструкцию в арифметико-логическое устройство, переместить данные из одного места памяти в другое, или перейти к другому адресу.
• Исполнение. Процессор должен передать результаты после выполнения инструкции, эти выходные данные записываются в память.

---

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством, а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления^[8].

Эти два устройства выделяются условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора (специальные регистры)^[9].

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• Сумматор — регистр, участвующий в выполнении каждой операции. Сумматор служит, прежде всего, центральным узлом арифметико-логического устройства компьютера, однако он находит применение также и в других устройствах машины;
• Счетчик команд — регистр устройства управления, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
• Регистр команд — регистр устройства управления для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и другие. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешней памяти периферийных устройств^[10].

Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации^[11].

---