Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции и классификация процессоров.pdf

«Энергоэффективность процессора, как и его производительность, не имеет численного выражения и в этом смысле не является технической характеристикой процессора. В то же время энергоэффективность зависит от таких характеристик, как микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая мощность и поддержка процессором функций энергосбережения» [3, с. 82].

Кроме производительности и энергоэффективности современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. Нужно отметить, что, несмотря на разные названия и реализацию, набор поддерживаемых технологий в современных процессорах Intel и AMD практически одинаков.

Так, нынешние процессоры Intel поддерживают следующие технологии: виртуализации Intel Virtualization Technology (Intel VT), защиты от вирусов Execute Disable Bit, 64-разрядных вычислений Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T), защиты от перегрева Intel Thermal Monitor 2, энергосбережения Enhanced Intel SpeedStep и Enhanced Halt State (C1E).

Современные процессоры AMD поддерживают такие технологии, как технология виртуализации AMD Virtualization, технология антивирусной защиты NX Bit, технология 64-разрядных вычислений AMD64 и технология энергосбережения AMD Cool ‘n’ Quiet.

С точки зрения домашнего пользователя, далеко не все функциональные возможности процессоров реально востребованы. К примеру, не так много найдется домашних пользователей, которые действительно пользуются технологией виртуализации, а кроме того, как показывают тесты, ее аппаратная поддержка на уровне процессора сегодня малоэффективна по сравнению с программной реализацией виртуализации.

Еще одна сомнительная в плане востребованности технология - это процессорная технология защиты от вирусов. Сегодня она реализована во всех новых процессорах Intel и AMD, так что задумываться о наличии данной технологии в процессоре не приходится. Другое дело, что, несмотря на поддержку этой технологии, подавляющее большинство домашних пользователей ее просто не используют и не активируют в операционной системе ее поддержку.

Технология поддержки 64-разрядных вычислений также применяется во всех современных многоядерных процессорах. Однако не стоит забывать, что для ее реализации нужна 64-разрядная операционная система, реальную выгоду от которой можно получить при объеме оперативной памяти более 4 Гбайт.

А вот технологии AMD Cool ‘n’ Quiet для процессоров AMD, а также Enhanced Intel SpeedStep, Enhanced Halt State (C1E) и Intel Thermal Monitor 2 для процессоров Intel являются реально востребованными и позволяют не только снизить энергопотребление процессоров, но и, что более важно, создавать малошумные компьютеры.

Главными критериями при выборе процессора являются сферы его применения и доступный бюджет.

1.2 Основные функции и состав процессора

На процессор возлагается выпол­нение операций, предусмотренных его системой команд.

При выполнении программы центральный процессор обеспечивает выполнение всех функций, предусмотренных программой. К ним относится:

- формирование адреса команд или данных, хранящихся оперативной памяти;

- выборка команд из памяти и их дешифрация;

- прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними арифметиче­ских, логических и других операций, определяемых кодом команды, и пере­дача обработанных данных во внешние устройства или память;

- формирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;

- временное хранение результатов выполненных операций, адресов, формиру­емых сигналов состояния и других данных;

- прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.

Для выполнения перечисленных функций процессор должен располагать не­обходимым набором аппаратных средств. Основными функциональными блоками процессора являются:

- блок арифметическо–логических операций, выполняющий обработку поступа­ющих данных. Перечень выполняемых операций зависит от типа микропро­цессора. «В большинстве процессоров выполняются следующие операции: арифметическое сложение и вычитание; логические операции ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ; операции инкремента и декремента; логические и арифметические сдвиги вправо и влево» [6, с. 67]. Что касается операций умножения и деле­ния, то в 8–разрядных процессорах они выполняются программным способом, в 16–разрядных процессорах для их реализации предусмотрены специальные команды. Блок арифметическо–логических операций строится на основе двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для вре­менного хранения операндов и регистров-сдвигателей, комбинационных схем для выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других функциональных узлов;

- блок обработки команд, предназначенный для приема и декодирования ко­манд, а также для формирования сигналов управления узлами обработки денных;

- блок формирования адресов, обеспечивающий адресацию к внешней памяти и внешним устройствам. Его основными узлами являются программный счет­чик, указатель стека, инкрементор-декрементор, адресный регистр;

- блок регистров, выполняющих функции сверхоперативной внутренней памя­ти, функции временного хранения операндов и др.;

- блок синхронизации и управления, координирующий работу всех узлов процессора;

- внутренняя шина, которая используется для связи между отдельными блоками и узлами процессора. В общем случае она включает в себя шины для пе­редачи данных, адреса и управляющих сигналов.

В качестве примеров рассмотрим структурно–функциональную организацию 8– и 16–разрядных процессоров.

Для описания основных узлов 8–разрядного процессора воспользуемся рисунком 1, на котором изображена структурная схема процессора 8080 (КР580ВМ80А).

Рисунок 1 – Структурная схема 8-разрядного процессора

Арифметическо–логическое устройство (АЛУ) позволяет выпол­нить следующие операции над 8–разрядными операндами:

- арифметическое сложение двух операндов с передачей переноса в старший разряд (и без него) и вычитание с передачей заема в младший разряд (и без него);

- логическое сложение, умножение, исключающее ИЛИ и сравнение;

- четыре вида циклических сдвигов;

- арифметические операции над десятичными числами.

При выполнении операций один из операндов поступает в АЛУ через аккуму­лятор А и дополнительный регистр 1, другой операнд - через дополнительный регистр 2. Циклические сдвиги выполняются только над содержимым аккумулято­ра А. В аккумулятор также помещаются результаты выполненных в АЛУ операций.

При суммировании десятичных чисел может потребоваться коррекция результата, для выполнения которой в микропроцессоре предусмотрен блок десятичной коррекции. При сложении каждый разряд десятичного числа (цифра) представляется четырехразрядным двоичным кодом (полубайтом, тетрадой), например, кодом 8421. Сложение полубайтов про­исходит по правилам двоичной арифметики. Если сумма больше 9, то возникает необходимость в проведении коррекции. Коррекция осуществляется дополни­тельным прибавлением двоичного числа 0110 (6) к полученному результату. Это обусловлено тем, что вес пятого разряда двоичного числа составляет 16 деся­тичных единиц, а вес старшего разряда десятичного числа — 10, т.е. разность равна 6.

АЛУ непосредственно связано с 5–разрядным реги­стром признаков (флагов), в котором фиксируется результат выполнения некото­рых арифметических и логических операций. Регистр содержит пять триггеров:

- триггер переноса, вырабатывающий сигнал С = 1, если при выполнении опе­раций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда;

- триггер дополнительного переноса, вырабатывающий сигнал V = 1, если при выполнении операции с двоично-десятичными кодами появляется единица из третьего разряда (старшего разряда младшего полубайта);

- триггер нуля, вырабатывающий сигнал Z = 1, если результат операции равен нулю;

- триггер знака, вырабатывающий сигнал S = 1, если значение старшего раз­ряда операнда (в дополнительном коде) равно единице, т. е. результат опера­ции - отрицательное число;

- триггер четности, вырабатывающий сигнал Р = 1, если результат операции содержит четное число единиц.

Указанные триггеры обеспечивают выполнение в программе условных пере­ходов. Например, если результат выполнения предыдущей операции равен нулю, то триггер нуля устанавливается в единичное состояние (Z = 1), и условие пере­хода в другую часть программы окажется выполненным.

«Обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами осуществляется через двунаправленный буферный регистр, а адресация к памя­ти и внешним устройствам - через 16–разрядный регистр адреса» [1, с. 158]. Особенность буферного и адресного регистров состоит в том, что кроме состояния логическо­го нуля и единицы в них предусмотрено третье состояние, в котором выходное сопротивление регистров бесконечно велико. В этом состоянии микропроцессора внешними устройствами осуществляется прямой доступ к памяти.

Указатель команд, или программный счетчик (Program Counter — PC) указывает адрес, где находится в памяти очередной байт команды (для команд используются 3–байтовые форматы). Байты команд обычно выбираются в порядке нарастания их адресов. Поэтому после выборки каждого очередного байта схема инкремента–декремента увеличивает содержимое программного счетчика на единицу. Перед началом выборки какой-нибудь команды в счетчик заносится адрес ее первого байта. В процессе выбора 3–байтной команды содер­жимое счетчика увеличивается трижды. Обычный порядок следования адресов может быть изменен. Для этого в счетчике предусмотрена возможность записи начального адреса той части программы, именуемой подпрограммой, которая должна выполниться.

«Указатель стека (StackPointer - SP) представляет собой 16–разрядный регистр, предназначенный для быстрой адресации особого вида памяти, и именуемой стеком. Стековая память используется при обслуживании прерываний и характеризуется тем, что из нее первыми выбираются данные, которые поступили последними» [5, с. 97].

В стек заносится адрес возврата к прерванной программе на время обработки микропроцессором подпрограммы, содержимое аккумулятора, регистра при­знаков.

1.3 Классификация процессоров

Каждый компьютер, независимо от того, как именно он используется, состоит из идентичных базовых компонентов. Главным элементом в любом персональном компьютере является процессор, который выполняет все вычислительные операции, и от производительности этой небольшой детали зависит работоспособность системы в целом. За лидерство на рынке процессоров борются всего две компании - AMD или Intel.

Обе компании начали свой путь в эпоху, когда вычислительные машины занимали целые  комнаты, а понятие персональный компьютер только начало входить в моду. Первым на этом поприще стала компания Intel, созданная в 1968 году и ставшая практически единственным разработчиком и производителем процессов. Первоначальной продукцией бренда были интегральные микросхемы, но довольно скоро производитель сосредоточился только на процессорах. Компания AMD появилась в 1969 году и изначально была нацелена на рынок процессов.

На тот момент процессоры AMD стали продуктом, который появился при активном взаимодействии двух производителей. Технический отдел Intel всячески поддерживал юного конкурента и делился технологиями, а также патентами. После того как компания твердо встала на ноги, пути производителей разошлись в разные стороны, и сегодня два мировых производителя сталкиваются лбами в каждом поколении процессоров.

На рынке представлено множество решений как от одного производителя, так и от другого. Принять сторону одной компании и кардинально отказаться от второй не так-то просто, ведь при выборе процессора нужно учитывать множество факторов. Для начала, стоит отметить, что обе компании производят процессоры для всех областей использования и для любого бюджета:

- офисные. Такие процессоры обладают минимальными техническими показателями и невысокой стоимостью, предназначены для запуска офисных приложений и не рассчитаны на программы с высокими вычислительными потребностями;

- домашние. Это тип процессов обычно мощнее офисного варианта, т.к предполагает запас производительности для казуального гейминга, но и стоимость такого элемента значительно выше;

- игровые или профессиональные. Компьютерные игры выдвигают определенные требования к мощности центрального процессора, и такой процессор достаточно дорогой.

В 2019 году обе компании представят новое поколение процессоров, которые будут обладать более совершенными характеристиками. На данный момент, лучшим выбором для домашнего компьютера по соотношению цена/качество являются два процессора - Intel Core i5 и AMD Ryzen 5 1600.