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

Другой метод повышения производительности процессора технология Hyper-Threading (HT). Процессоры, использующие HT, ведут себя как два независимых процессора. В этом случае они могут выполнять два потока команд параллельно, из-за большой длины конвейера.

3 Принципы построения центрального процессора ЭВМ

3.1. Базовые концепции

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

На некоторых компьютерах есть два или несколько процессоров. Они состоят из двух или более отдельных физических процессоров, расположенных бок о бок на одной плате или на отдельных платах. Каждый процессор имеет независимый интерфейс, отдельный кеш и отдельные соединения к шине системы. Несколько процессоров идеально подходят для интенсивных параллельных задач, требующих многозадачности.

Так и в персональном компьютере, да и всей компьютерной системе центральный процессор не является единственным. Видеоплата является ярким представителем устройства имеющего свой собственный микрочип процессора GPU (Graphics Processing Unit) – графический процессор.

Такое устройство как МФУ также имеет управляющий микрочип. Отличие таких устройств в том, что они занимаются управлением определённой функции, это является одним из их отличий от центрального процессора. [10, стр.78]

Поколения микропроцессоров

1-е поколение. Это был период с 1971 по 1973 год в истории микропроцессора. В 1971 году INTEL создал первый микропроцессор 4004, который будет работать с тактовой частотой 108 кГц. В течение этого периода использовались другие микропроцессоры на рынке, в том числе Rockwell International PPS-4, INTEL-8008 и National Semiconductors IMP-16. Но все это были не совместимые с TTL процессоры.

Данный этап эволюции процессоров затронул период с сороковых по самый конец пятидесятых годов. Такие процессоры устанавливали в специальные разъёмы на отдельных модулях, которые были собраны в стойки. Огромное количество подобных стоек, соединённых проводниками, в совокупности представляли собой процессор. Отличительной чертой являлась их низкая надёжность, небольшое быстродействие, а также огромное выделение теплоты.

2-е поколение.: Это был период с 1973 по 1978 год, в котором были реализованы очень эффективные 8-битные микропроцессоры, такие как Motorola 6800 и 6801, INTEL-8085 и Zilogs-Z80, которые были одними из самых популярных. Благодаря их сверхбыстрой скорости они были дорогостоящими, поскольку они были основаны на изготовлении технологии NMOS. [7, стр.39]

Это был второй этап эволюции процессоров, который длился, начиная с середины пятидесятых годов до середины шестидесятых. Транзисторы монтировали уже на платы весьма близкие к нынешним платам по облику, которые устанавливались в стойки. Как и раньше, процессор в среднем состоял из нескольких подобных стоек. Выросло быстродействие, повысился уровень надёжности, уменьшился уровень энергопотребления.

Третье поколение: за этот период были созданы и спроектированы 16-битные процессоры с использованием технологии HMOS. С 1979 по 1980 год были разработаны INTEL 8086/80186/80286 и Motorola 68000 и 68010. Скорости этих процессоров были в четыре раза лучше, чем процессоры второго поколения.

4-е поколение: с 1981 по 1995 год это поколение разработало 32-битные микропроцессоры с использованием изготовления HCMOS. INTEL-80386 и Motorola 68020/68030 были популярными процессорами.

Со временем почти все процессоры стали выпускать в формате таких микропроцессоров. Исключением длительное время были только лишь малосерийные процессоры, которые аппаратно оптимизировались для решения различных специальных задач. К примеру, суперкомпьютеры или процессоры для осуществления решения целого ряда военных задач, или же какие-нибудь процессоры, к которым, как правило, предъявлялись некие особые требования по уровню надёжности, своему быстродействию, либо же защите от воздействия электромагнитных импульсов, а также воздействия ионизирующей радиации. С удешевлением, а также распространением самых современных технологий, данные процессоры тоже начинают делать в формате микропроцессора. [6, стр.74]

5-е поколение: с 1995 года по настоящее время это поколение выпускает высокопроизводительные и высокоскоростные процессоры, которые используют 64-разрядные процессоры.

В 1978 году Intel выпускает новый шестнадцатиразрядный микропроцессор Intel 8086, содержащий набор команд х86, который заложил основы архитектуры всех нынешних настольных процессоров. Микропроцессор Intel 80868086 работал на частоте 5 МГц и содержал 29000 транзисторов. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти благодаря 20-разрядной адресной шине. По причине большой распространённости восьмиразрядных модулей памяти выпущен был весьма дешевый Intel 8088, являющийся упрощенной версией 8086 со всеми теми же характеристиками, но с восьмиразрядной шиной данных. Это дало возможность программной и аппаратной совместимости как с процессором 8086, так и с предыдущими 8-разрядными процессорами 8085 и 8080. [14, стр.62]

Таким образом, микропроцессор эволюционировал через все эти поколения, а микропроцессоры пятого поколения представляют собой усовершенствования в спецификациях.

3.2 Основные характеристики процессоров

Существуют разные типы процессоров, отличающиеся набором функций. Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования моделей ранних изделий Intel. На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD, VIA, SiS, Cyrix и многих других.

Основные характеристики процессоров:

1.Тактовая частота — тактом мы можем условно назвать одну операцию. Единица измерения МГц и ГГц (мегагерц и гигагерц). 1 МГц — значит, что процессор может выполнить 1 миллион операций в секунду, к примеру процессор 3,16 ГГц может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1 секунду.

2.Другой основной характеристикой процессора является его разрядность. Сейчас всё больше процессоров 64 разрядные. В общем виде — разрядность означает, сколько оперативной памяти допустимо установить в свой компьютер.

3.Кэш процессора — довольно важный параметр. Чем он больше, тем больше данных хранится в особой памяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные, которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время.

4. Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП.

5.Socket – этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключения к материнской плате.

6. Количество ядер

Первоначально процессоры имели одно ядро. Это означало, что на физическом процессоре на нем был один центральный процессор. Для повышения производительности производители добавляют дополнительные «ядра» или центральные процессоры. Двухъядерный процессор имеет два центральных процессора, поэтому он представляется операционной системе в виде двух процессоров. Например, центральный процессор с двумя ядрами может запускать два разных процесса одновременно. Это ускоряет работу вашей системы, потому что ваш компьютер может делать сразу несколько действий. [15, стр.43]

До появления процессоров с многопоточными и многоядерными процессорами, пытались увеличить вычислительную мощность на компьютерах, добавив дополнительные процессоры. Для этого требуется материнская плата с несколькими гнездами процессора. Материнской плате также требуется дополнительное оборудование для подключения этих сокетов процессора к ОЗУ и другим ресурсам. В такой конфигурации много накладных расходов. Есть дополнительная задержка, если процессоры должны взаимодействовать друг с другом, системы с несколькими процессорами потребляют больше энергии, а материнской плате требуется больше сокетов и оборудования.

Частота шины процессора скорость с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной компьютера. В компьютере тактовая частота относится к числу импульсов в секунду, генерируемых генератором, который устанавливает скорость вычислении для процессора. Тактовая частота - это один из показателей мощности компьютера. Другие факторы также влияют на общую производительность компьютера. Примеры включают количество процессоров, скорость шины, размер кэша, скорость работы ОЗУ и скорость жесткого диска или SSD. Поэтому, в то время как тактовая частота процессора является важным показателем величины быстродействия компьютера, это не единственный фактор, который имеет значение.

3.3 Устройство процессора

На любом процессорном кристалле находятся:

Процессор; сопроцессор; кэш-память первого уровня; кэш-память второго уровня;

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 6 см2. Только под микроскопом можно разглядеть элементы, из которых состоит микропроцессор.

В состав центрального процессора входят:

• устройство управления (УУ);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
• генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Рисунок 2 - Схема работы ЦП и описание взаимодействия с компонентами ЭВМ

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты.

Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую быстро загружаются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

Рисунок 3 - Структура ЦП

Алгоритм работы процессора компьютера может быть представлен в виде последовательности следующих действий.

- Блок управления процессора берет из основной памяти, в которую загружается программа, определенные значения (данные) и команды для выполнения (инструкции). Эти данные загружаются в кэш-память процессора.

- Из буферной памяти процессора (кэша) инструкции и полученные данные записываются в регистры. Инструкции помещаются в регистры инструкций, а значения-в регистры данных.

- Арифметическое логическое устройство считывает инструкции и данные из соответствующих регистров процессора и выполняет эти команды по полученным номерам.

- Результаты записываются обратно в регистры и если расчеты завершены в буфер памяти процессора. Процессор имеет очень мало регистров, поэтому он вынужден хранить промежуточные результаты в кэш-памяти различного уровня.

- Новые данные и команды, необходимые для вычислений, загружаются в кэш верхнего уровня (от третьего к второму, от второго к первому), а неиспользуемые данные являются обратными в кэше нижнего уровня.

- Если цикл вычислений завершен, результат записывается в оперативную память компьютера, чтобы освободить место в буферной памяти процессора для новых вычислений. То же самое происходит, когда данные кэша полный: неиспользуемые данные перемещаются на более низком уровне кэш-памяти или в ОЗУ.

3.4. Основные особенности архитектуры

X86 — это CISC-архитектура. Доступ к памяти происходит по «словам». «Слова» размещаются по принципу little-endian, известному также как Intel-формат. Современные процессоры включают в себя декодеры команд x86 для преобразования их в упрощённый внутренний формат с последующим их выполнением.