Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.pdf

Регистры стека делятся на стек и указатель стека.

Стек - набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Запись данных в стек производится по принципу LIFO («Last In – First Out» или «последним пришел - первым ушел») [15]. Для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека – содержит указатель на вершину стека в текущем сегменте стека [12, стр. 469], т.е. хранит адрес последней занятой ячейки стека. Противоположный конец стека называется дном стека.

Регистр признаков предназначен для фиксации и хранения признаков, характеризующих результат последней выполненной логической или арифметической операции [9, стр. 124]. Триггеры-флажки устанавливаются в значения 0 или 1 в зависимости от результата операции, выполненной в АЛУ, и определяют содержимое регистра.

Взаимодействие с периферийными устройствами производится с помощью регистров ввода-вывода.

ГЛАВА 2 ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И ИХ КЛЮЧЕВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Классификация микропроцессоров

Все современные микропроцессоры можно классифицировать по семи признакам. Остановимся подробно на каждом из них.

1. Классификация по назначению:

• Универсальные;
• Специализированные.

Универсальные микропроцессоры применяются для решения широкого круга разнообразных задач, при этом их производительность слабо зависит от специфики решаемой задачи.

Специализированный микропроцессоры, к ним относят различного рода микроконтроллеры, направленные на выполнение сложных логических операций, математические микропроцессоры для решения математических задач, микропроцессоры для обработки данных и т.д.

1. Классификация по числу больших интегральных схем, задействованных в микропроцессоре:

• Однокристальные;
• Многокристальные;
• Многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры – это одна сверхбольшая интегральная схема (СБИС, либо ультрабольшая ИС (УБИС) или гигабольшая ИС (ГБИС)) – один кристалл, на котором расположены все аппаратные и функциональные блоки процессора (регистры, АЛУ, стеки и т.д.).

Многокристальные микропроцессоры – несколько отдельных СБИС, которые выполняют каждая свои определенные функции автономно. Такая необходимость появилась из-за ограниченных технологических ресурсов кристалла, используемого в однокристальных микропроцессорах.

Многокристальные секционные – выполняют ту же задачу, что и многокристальные, отличие состоит в способе разбиения логической структуры процессора. Обычно микропроцессорная секция - это СБИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС микропроцессора подразумевает возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при «параллельном» включении большого числа БИС [10, стр.94].

1. Классификация в соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд [5, стр.9], различают:

• Микропроцессоры с CISC архитектурой;
• Микропроцессоры с RISC архитектурой;
• Микропроцессоры с MISC архитектурой.

CISC архитектура (Complex Instruction Set Computer) – компьютер со сложной системой команд. Данная архитектура была реализована первой и имеет большое количество команд. К данной категории относятся все микропроцессоры компании Intel и AMD.

RISC архитектура (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенной системой команд. В данной архитектуре, за счет упрощения инструкций, увеличивается быстродействие. В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, например, ARM, SPARC, AVR и Power PC.

MISC архитектура (Minimum Instruction Set Computer) – компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет [5, стр.10]

1. Классификация по характеру временной организации работы:

• Синхронные;
• Асинхронные.

В синхронных микропроцессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления, время выполнения операций при этом не зависит от вида команд и величин операндов.

В асинхронных микропроцессорах начало выполнения каждой следующей операции определяется сигналом фактического окончания выполнения предыдущей операции [10, стр. 96].

1. Классификация по количеству выполняемых программ:

• Однопрограммные;
• Многопрограммные.

В однопрограммном МП в текущий момент времени выполняется только одна программа, выполнение которой начнется только после окончания выполнения предыдущей.

В многопрограммном МП соответственно выполняется сразу несколько программ.

1. Классификация по виду входного сигнала:

• Аналоговые;
• Цифровые.

Данная классификация основана на том, что в составе микропроцессора могут быть аналого-цифровые (АЦП) или цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Например, в микропроцессор поступает входной аналоговый сигнал через АЦП, что соответственно относит его в класс аналоговых.

1. Классификация по организации структуры микропроцессорных систем [10, стр.96]:

• Одномагистральные;
• Многомагистральные.

В одномагистральных процессорах подключение к общей информационной магистрали, происходит с помощью одного интерфейса, а в многомагистральных – каждого подключение производится отдельно, что сказывается на быстродействии, но увеличивает аппаратные затраты.

2.2. Основные характеристики

Перейдем к рассмотрению основных характеристик микропроцессоров, благодаря которым можно подобрать процессор в зависимости от поставленной задачи при проектировании различных микропроцессорных систем.

К основным характеристикам относят:

1. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно [5 стр.10]. Последние поколения современных микропроцессоров для ПК в основном строятся на архитектуре 64-х бит. Например, i7-6700 (6-е поколение) компании Intel или Ryzen 7 1800X компании AMD.
2. Рабочая тактовая частота – определяет количество элементарных операций(тактов), которые он может выполнить за одну секунду [1 стр.98]. Измеряется в герцах. При этом, не стоит забывать, что количество операций в секунду, выполняемых компьютером, не совпадает с количеством операций, выполняемых процессором за ту же единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем больше скорость процессора. На данный момент разработаны процессоры серии FX компании AMD способные работать на тактовой частоте 5ГГц.
3. Виды и размер кэш-памяти. В кэш-память помещаются все часто используемые данные, соответственно от ее размера зависит производительность процессора. Она подразделяется несколько видов. Самая быстрая – это память первого уровня (L1). Она является неотъемлемой частью процессора, работает на его частоте и зачастую выполняет несколько операций чтения/записи одновременно. В современных процессорах эта память обычно разделена на два уровня: кэш-команд и кэш-данных.

Память второго уровня (L2) – следующая по быстродействию. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования – при общем объеме кэша в n Мб на каждое ядро приходится по n/c Мб, где c – количество ядер процессора [16]. Например, у процессоров AMD FX 9590 – кэш L2 8 Мб (4x2 Мб).

Кэш третьего уровня (L3) может быть большой (более 24 Мб) и она наименее быстродействующая. Предназначена в основном для синхронизации данных L2.

Существует и четвертый уровень кэша, но он используется в основном для серверов и обычно реализован в виде отдельной микросхемы.

1. Частота системной шины. С помощью системной шины производится обмен данных процессора между чипсетом и материнской платой [11 стр.63]. Обозначается аббревиатурой FSB и в спецификации выражается в герцах, либо в значении пропускной способности. Частота системной шины всегда меньше частоты процессора, т.к. системная шина не может работать на больших частотах.
2. Тип конструктивного исполнения – устройство корпуса процессора. Определяет совместимость процессора, т.е. допускает его установку только в соответствующий разъем на материнской плате (Socket). Например, современные процессоры Intel используют Socket 2066.
3. Технологический процесс изготовления определяет размеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме. Измеряется в микрометрах и нанометрах. Чем меньше изготовленный кристалл, тем меньше потребляемая мощность и тепловыделение. Это значительные характеристики, так как например, большое тепловыделение сильно влияет на частоту работы микропроцессора – она снижается. Современные процессоры уже могут производится на 14 нм техпроцессе.
4. Количество ядер. Двухъядерные или многоядерные процессоры – это два или более отдельных процессоров, которые расположены на одном кристалле или в одном корпусе [3, стр.82]. Наличие дополнительных ядер в микропроцессоре позволяет ему принимать и обрабатывать сразу несколько потоков команд и данных. В качестве наглядного примера на рисунке 4 сравним работу одноядерного и двухъядерного процессоров:

Рисунок 4. Сравнение обработки двух потоков задач в одноядерном и двухъядерном процессорах.

В настоящее время существуют процессоры с 10-ю и более ядер, например, процессор компании Intel i9-7900x.

1. Эксплуатационные параметры микропроцессоров:

• Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения. Напряжение напрямую зависит от технологического процесса и частоты ядра, т.е. чем меньше размер кристалла и частота, тем меньше напряжение питания;
• Ток ядра;
• Потребляемая мощность (энергопотребление) прямопропорциональна изменению напряжения питания и частоты ядра. Например, у нового поколения процессоров Intel i7-7740X энергопотребление 112 Вт.
• Максимальная температура нагрева кристалла – это критическая температура, при которой возможна стабильная работа процессора. Данное значение у современных микропроцессоров колеблется в пределах 65…95°С.

В спецификации микропроцессора производитель чаще всего указывает значение потребляемой мощности и максимальную температуру, т.к. остальные эксплуатационные характеристики не так важны для рядового пользователя.

Чтобы обобщить представление о характеристиках микропроцессора для ПК рассмотрим характеристики процессора компании Intel i7-6700 [17], собранные в таблице 1:

Таблица 1 «Характеристики процессора i7-6700»

Конечно характеристик микропроцессоров значительно большее количество, но в данном параграфе собраны ключевые характеристики необходимые простому пользователю при выборе процессора для своего персонального компьютера в зависимости от предъявляемых требований.

От момента представления нового процессора до снятия его с производства проходит около года. Также постоянно выходят новые операционные системы, программы, приложения, требующие больших аппаратных ресурсов, что ускоряет процесс «морального устаревания» техники. Всё это обязывает потребителя легко ориентироваться в линейках всех современных выпускаемых микропроцессоров.

2.3. Микропроцессор в современном ПК

В настоящее время крупными производителями процессоров для ПК являются AMD и Intel, которые занимают лидирующие позиции в этой области на протяжении приблизительно 3-х десятков лет. Отечественный производитель «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ) в настоящее время большими темпами нагоняет выше перечислены компании. Ведутся интенсивные исследования и разработки архитектуры микропроцессоров «Эльбрус». Рассмотрим более подробно современные линейки микропроцессоров и проведем небольшой сравнительный анализ.

2.3.1. Микропроцессоры Intel

Последние выпущенные процессоры компанией Intel представлены архитектурой Kaby Lake в 2017 году, а в 2015 году – Skylake. Проследим как менялись характеристики, технологии данных линеек процессоров.