Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции. Классификация процессора..pdf
Добавлен: 28.04.2023
Просмотров: 162
Скачиваний: 1
Введение
Процессоры для персональных компьютеров имеют свою историю и этапы развития. Первые процессоры с электромеханическими реле, вакуумными лампами, ферритовыми сердечниками отличались низкой надежностью и большим выделением теплоты. На смену им, в пятидесятые годы в платы процессоров монтировали транзисторы, в шестидесятые годы применялись микросхемы , которые содержали функциональные блоки: арифметическое, логическое устройство, устройство для работы с шинами, регистры. В 1971 году корпорация Intel создала четырехразрядный микропроцессор 4004, далее все процессоры стали выпускать в формате таких микропроцессоров. Процесс перехода к микропроцессорам дал возможность создавать персональные компьютеры, проникшие сейчас в каждый дом. Важным аспектом в производстве процессоров является переход на более совершенный технологический процесс, который характеризуется удвоением количества транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы. Процессор – это одна из важнейших составляющих частей компьютера. Первостепенной задачей процессора является выполнение команд, поступающих от программ. Сегодня наиболее популярными производителями процессоров считаются компании Intel и AMD. Они на рынке микропроцессоров представляют олигополию т.е контролируют 90% производства. Микропроцессорная революция резко расширила границы использования вычислительной техники. Персональный компьютер представляет собой наиболее развитый вид микропроцессорных систем. На основе персональных компьютеров можно строить самые сложные контрольно -измерительные, управляющие, вычислительные и информационные системы. Имеющиеся в персональном компьютере аппаратные и программные средства делают его универсальным инструментом для самых разных задач. В любой электронной вычислительной машины лежит использование микропроцессоров. Он является одним из самых важных устройств в компьютере и характеризует уровень производительности персонального компьютера. Микропроцессор осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Выбирая компьютер, выбирают процессор , который будет соответствовать необходимым требованиям.
1. Процессор персонального компьютера
В нашем мире цифровых технологий как никогда ценится оперативность, производительность, скорость решения тех или иных задач. Компьютер в наше время успешно используется для выполнения множества задач. И пока есть такие тяжеловесные продукты, как современные игры, разнообразный софт для работы с видео, аудио, потребность в современном, мощном компьютере будет находиться на высоком уровне. Каждый знает, что для быстрой работы с приложениями в первую очередь необходима связка мощная видеокарта плюс большой массив оперативной памяти, плюс быстрый процессор. Технологии производства современных процессоров можно назвать близкими к совершенству. Как правило, только единицы меняют со временем свой процессор на более мощный, поэтому при выборе процессора для компьютера, лучше выбрать процессор с некоторым запасом. Сбор, анализ, систематизацию данных и вычисления, выполняет процессор. Существуют разные типы процессоров, отличающиеся качеством и набором функций. Скорость работы процессора характеризуется тактовой частотой . Измеряется она в герцах (Гц). Следует отметить, что частота прямо пропорциональна производительности компьютера, чем она выше, тем быстрее работает устройство. На сегодня частота хорошего процессора более 3герц (Гц). Второй основной характеристикой является количество ядер центрального процессорного устройства. Обработка файлов мультимедийного содержания, составление документов, несложные трехмерные игры возможны на центральном процессорном устройстве с двумя ядрами. А вот высоко технологичные 3D программы, профессиональная коррекция видео, новые игры требуют процессор с шестью ядрами. Взаимодействие процессора с оперативной памятью идет с помощью шины ( FBS) . Для нормальной скорости передачи информации требуется шина 1333 мегагерц (МГц). Объем кратковременной памяти или системный кэш – склад временно используемых данных. Его большой размер позволит увеличить работоспособность компьютера в несколько раз. Разъем, или гнездо, куда вставляется процессор, называется сокет. Socket материнской платы процессора, должны подходить друг другу, иначе устройство не будет работать, комплектация центрального процессорного устройства бывает двух видов: ( BOX ) и (TRAY). В комплект BOX входит вентилятор, охлаждающий системный блок, документация. TRAY – облегченный вариант без вентилятора, документов, в специальном пластиковом лотке. В состав процессора входят следующие устройства: устройство управления, арифметическое логическое устройство, регистры процессорной памяти. Устройство управления - выполняет работу всех устройств компьютера по заданной программе, извлекает очередную команду из регистра команд, определяет, что надо делать с данными, а затем задает последовательность действий выполнения поставленной задачи. Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть компьютера, выполняющая логические и арифметические действия, необходимые для переработки памяти информации, хранящейся в памяти. В современном мире есть два производителя компьютерных процессоров, пользующихся наибольшим авторитетом, это Amd и Intel. Процессоры с максимальной производительностью и мощностью, которая вписывается в минимальные финансовые затраты для своих параметров. Таких комплектующих от разных производителей AMD или Intel множество, они рассчитаны решать огромное количество задач различных направлений. Они способны работать как на домашних компьютерах, так и при использовании их на серверах. Процессоры от компании AMD, так как этот производитель по- настоящему завоевал это время, планирует выпустить абсолютно современные и новые процессоры с архитектурой Zen, в будущем это будет самые мощные процессоры нового поколения. А соответственно, можно отметить, что прошло немало времени после выпуска в серийное производство AMD A8-7670K, а он по прежнему считается самым лучшим в серии AMD. Данный чип имеет новую технологию и способен потреблять мощность 95 Ватт. Такой процессор способен работать при очень высоких частотах - 3,6гигагерц ( ГГц), а так же способен разгоняться до частоты 3,9 гигагерц ( ГГц). Так что выбрать хороший процессор можно у любого из этих фирм, тут скорее играет роль привычка или предпочтение к одной фирме, чем выбор лучшего процессора. Определившись с брендом, нужно выбрать сокет, на котором собран процессор. Сокет – это разъем на материнской плате, куда вставляется процессор. Во время правления Pentium I и AMD K-6, сокет был один, Socket-7. И на все материнские платы можно было установить любой процессор. Затем компания AMD пошла своим путем, а Intel своим. Выбор процессора, автоматически шел выбор материнской платы, на нужном сокете. То есть эти комплектующие приходилось покупать уже в паре. И если потом, при выходе материнской платы или процессора из строя, вы не находили нужной, то меняли все вместе.
Сейчас та же история, как только вы выбрали процессор, так сразу идет выбор материнской платы из линейки поддерживающей ваш процессор.
Здесь рекомендую обратить внимание на самые последние сокеты для вашего процессора, чтобы была возможность как можно дольше оставаться в строю.
Так, процессор Intel Core i5 выпускается на устаревшем Socket 1155 и на более новом Socket 1150. Выбор очевиден, нужно выбирать модель на более современном сокете, чтобы потом легче было модернизировать систему. Плюс, модели материнских плат на более современном сокете могут иметь лучшие характеристики по частоте шин и другие улучшенные показатели. Ядро процессора – это основная его часть. В ней выполняются все операции, которые выполняет процессор. И от его зависит скорость самого процессора, набор команд, которые им поддерживаются и количество кэш памяти.
Каждое ядро выполняет свою работу, что ускоряет процесс выполнения задачи. Сейчас в продаже можно встретить процессоры с количеством ядер от 2 до 8. В теории, чем больше ядер, тем лучше, но проблема в том, что если программа не поддерживает большое количество ядер, то толку ,от количества ядер нет. Минимальным количеством ядер для современного процессора является два ядра, оптимальным – четыре.
Есть процессоры, которые имеют два ядра, но Windows их видит, как 4-х ядерные. Это происходит благодаря технологии Hyper-Threading, которая делит выполнение задачи на два потока. Следует это учитывать при выборе процессора. Кэш память процессора – это память, которая находится на одном чипе с процессором, куда он скидывает информацию, которая может быть необходима в ближайшее время. На процессоры для персональных компьютеров устанавливают до трех уровней кэш памяти.
Первый уровень – самая быстрая память, куда процессор обращается в первую очередь. По размеру самая маленькая.
Второй уровень – медленней, чем первый, но больший по объему.
Третий уровень – самая медленная и самая большая по размеру. В основном встречается на тех процессорах, где кэш память L1 и L2 меньше, чем у двухуровневых процессоров. Кэш память любого уровня гораздо быстрее оперативной памяти, что позволяет процессору мгновенно брать нужную ему информацию. Технология полупроводниковых элементов, составляющих процессор, учитывается так, чем меньше транзисторы в процессоре, тем меньше его тепловыделение и лучше производительность. В настоящее время продаются процессоры выполненные по технологии от 90 нанометров (нм ) до 20 нанометров (нм). В случае разгона процессора, необходима модель, где имеется разблокированный множитель, чтобы увеличить тактовую частоту процессора. У Intel такие процессоры имеют маркировку “К” в названии модели, у AMD многие модели имеют разблокированный множитель. Процессоры, которыми оснащаются мобильные устройства. устанавливались исключительно в компьютеры, но цифровые и вычислительные технологии не стоят на месте, и с появлением таких мобильных устройств, как телефоны, смартфоны и планшеты, сфера применения процессоров значительно расширилась. Процессор — это центральный элемент системы, отвечающий за все информационные преобразования и управляющий вычислительным процессом; это одна из трех аппаратных составляющих, которая вместе с видеокартой и оперативной памятью определяет, насколько быстро и плавно будет работать устройство. На сегодняшний день существует великое множество видов процессоров с различными характеристиками. Здесь можно отметить, что процессоры как таковые в мобильных устройствах не используются. Объединяясь вместе с другими компонентами, процессоры образуют систему на кристалле. То есть на одной микросхеме находится полноценный компьютер, и среди его компонентов — процессор. Различие между архитектурами практически незаметно: Android OS хорошо работает и на ARM-процессорах, и на х86. Несовместимость устройства, работающего на процессоре архитектуры х86, можно заметить, например, в некоторых специфических приложениях и, возможно, в современных играх. Все остальные современные мобильные операционные системы, в том числе iOS и Windows Phone, работают на ARM-архитектуре.
Так как качество работы мобильного устройства в большей степени определяется характеристиками процессора, а не архитектурой, имеются технологии смартфонов основанных на процессоре SoC (система-на-чипе). Помимо центрального процессора, в него входит модем, видеоядро и прочие компоненты, распаянные на плате. Появление нового стандарта ОЗУ LPDDR4 также способствовало развитию новых систем, которые могут поддерживать такую память. Она более производительна и потребляет меньше энергии, что является ключевым аргументом для мобильных устройств. Мобильные микропроцессоры отличаются от обычных как внутренней конструкцией, так и внешней упаковкой. Это делается для уменьшения размеров и обеспечения минимальных энергопотребления и тепловыделения. Процессорная архитектура стартовала процессорами шестого поколения, процессоры обозначаются как G39XX («Целерон»), G44XX и G45XX (так маркируются «Пентиумы»). Процессоры «Кор Ай3» имеют обозначение 61ХХ и 63ХХ. В свою очередь, «Кор Ай5» - это 64ХХ, 65ХХ и 66ХХ. , но обозначение флагманских решений выделено лишь маркировка 67ХХ. Новое поколение процессоров Intel пребывает лишь только в начале своего жизненного цикла и такие чипы будут актуальными еще достаточно длительное время. Чипы на основе данной архитектуры имеют заблокированный множитель. Разгон происходит за счет увеличения частоты системной шины. Шестое поколение процессоров Intel имеют высокую степень энергоэффективности и феноменального уровня быстродействия.
2. Архитектура процессора
Программно–управляемое устройство в виде интегральной микросхем: большой интегральной схемы и сверхбольшой интегральной схемы (БИС или СБИС) – это микропроцессор, предназначенный для обработки цифровой информации. Многие современные микропроцессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор. Он сконструирован для реализации функций управления (control —управление). Процессор (Digital Signal Processor — DSP), приспособлен для обработки цифровых сигналов.
Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор. Это понятие объединяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и кончая компьютерными системами, отражающими собой набор отдельных конструктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и т.д.). Далее рассматриваем простейшие (однокристальные) микропроцессорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие системы можно отнести к классу микропроцессоров.
Под процессором понимаем, совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характеристики. Организация определяет аппаратную организацию процессора, т. е. состав и взаимодействие его аппаратных средств. Выделяют два уровня организации физическую организацию в виде принципиальной схемы; логическую организацию в виде структурно–функциональной схемы.
В дальнейшем рассматриваем организацию микропроцессоров на логическом уровне, или структурно–функциональная организация процессоров.
Архитектура процессора - это его совокупность программно–аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой информации и всех средств, доступных программе. Надо исходить, что организация включает в себя набор программно–доступных регистров и операционных устройств, а также систему основных команд и способов адресации, объем и организацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, прерывания, примой доступ к памяти и др.). надо понимать 32–разрядные процессоры х86 с архитектуройIA–32 (Intel Architecture — 32 bit) имеют стандартный набор регистров, общую систему основных команд, одинаковые способы организации и адресации памяти, защиты памяти и обслуживания прерываний. Понятие архитектуры в большей степени характеризует свойства системы, чем устройства. По формированию команд следует выделить: CISC – архитектуру, относящуюся к процессорам с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer — CISC). Она реализована во многих типах микропроцессоров ( Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать несколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени сложности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.
Развитие обычных CISC–архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и снижение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей устранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выполнения; Процессоры с RISC –архитектурой, с сокращенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). ПоявлениеRISC–архитектуры продиктовано тем, что многие CISC–команды и способы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из небольшого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл центрального процессора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на программном уровне .За счет значительного повышения скорости исполнения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказаться выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.
Большинство команд RISC–процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зрения временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.
Современные RISC–процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наиболее простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC–процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC–процессорах используется только в операциях загрузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет сокращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схем RISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC–процессорах (последние модели Pentium и К7) используется RISC–ядро. При этом сложные CISC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро выполняются RISC–ядром;
VLIW – архитектура, относящуюся к микропроцессорам с использованием длинных команд (Very Large Instruction Word — VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW–команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование VLIW–koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня.VLIW – архитектура реализована в некоторых типах микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров. Различают два вида архитектуры. Архитектура фон–Неймана или (пристонская), особенностью которой является; общая основная (оперативная) память для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора; общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров, из-за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены во времени. Гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требованиями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры. На сегодня целый ряд процессоров известных уже фирм продолжают удивлять пользователей своими техническими возможностями. Intel Core i7-990x. идеален для игрового ПК последнего поколения. Устройство предназначено для разъема 1366, оснащено 6 ядрами, имеет частоту в 3,46 гигигерц( гГц) и 12 мегабайтами кэш-памяти. Intel Core i7-3970X Extreme Edition. Одна из самых популярных моделей. Оснащена 6 ядрами, имеет 15мегабайт (Мб) кэш-памяти и 3,5 гигагерц ( гГц) тактовой частоты. Отлично работает с любыми новыми требовательными играми и программами. Intel Core i5-4690K. Недорогая модель покажет прекрасные результаты в плане быстродействия. Если сравнить i5-4690K с другими устройствами, оно выгодно выделяется благодаря соотношению цены/качества. Процессор оснащен кэш-памятью третьего уровня, имеет 3,5гигагерц ( гГц) тактовой частоты и 4 ядра. AMD FX-9370. Самый мощный процессор AMD имеет новый сокет АМ3+ и 8 ядер, развивающих максимальную частоту до 4,4гигагерц ( гГц). Модель оборудована 8 Мб кэш-памяти, что позволяет улучшить работу персонального компьютера и использовать любые программы, игры. Intel Xeon E3-1230 v3. Четырехъядерное устройство относится к четвертому поколению процессоров от Интел. Оно оснащено сокетом типа 1150, который считается лучшим среди существующих. Тактовая частота Xeon E3-1230 v3 – 3,3гигагерц (гГц), объем памяти кэш равен 8 мегабайт (Мб). В процессорах последних поколений часто реализована архитектура, называемая APU (Accelerated Processing Unit), суть которой заключается в объединении в одном кристалле центрального процессора и графического ядра. Эта технология в целом удешевляет системы на основе таких процессоров поскольку отпадает потребность в отдельном видеочипе на материнской плате или видеокарте.