Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Общая характеристика).pdf

Большинство производителей цифровой техники стремятся использовать в своей продукции, процессоры последних поколений. Однако, не для всех категорий потребителей, доступно использование современных процессоров. Например, обновление технической базы, для многих предприятий затратный и трудоемкий процесс, поэтому техника, функционирующая на процессорах, выпущенных до 2011-2013, продолжает применяться. Так, в сфере торговли, в специализированном (кассовом и др.) оборудовании применяется программное обеспечение (ОС Windows, версий XP, NT, 7) работа которого возможна преимущественно на процессорах ранних поколений.

Самой последней архитектурой является Cannonlake. Выпуск первых процессоров на основе данной архитектуры планируется со второго полугодия 2017 года. Информация по данной архитектуре на настоящий момент пока отсутствует.

Некоторые процессоры, например Intel Pentium G 2*** серии, еще продолжают выпускаться на основе архитектур Ivy и Sandy Bridge (3^rd Generation - 3-е поколение)). Основными показателями производительности процессора не всегда являются последняя архитектура или тактовая частота. Для выбора того или иного процессора следует обращаться внимание на ряд параметров, которые мы рассмотрели в главе 1, такие как количество ядер/потоков, объем кэш-памяти, количество функциональных узлов и компонентов uncore (будут рассмотрены далее), параметры энергопотребления. Возможны случаи, когда процессоры ранних архитектур, но определенной конфигурации могут обладать более высокими характеристиками производительности, в сравнении с процессорами последнего поколения, и наоборот.

На рисунке 2 представлен верхний уровень архитектуры процессоров 4-го поколения, с кодовым названием Haswell/Broadwell. На базе данной архитектуры функционируют процессоры семейств Pentium, Celeron, Core.

Рисунок 2. Структура процессора архитектур Haswell/Broadwell

В состав архитектуры входят следующие компоненты:

1. Ядро (Core). В данной конфигурации x4;
2. Системный агент (System Agent):
   1. DMI (Direct Media Interface);
   2. PCI-express (Peripheral Component Interconnect);
   3. Display controller;
   4. Memory Controller;
3. Memory controller I/O (DMA – Direct Memory Access);
4. Cash Box;
5. Graphics;
6. QPI (Quick Path Interconnect).

Core (Ядро) – компонент процессора, реализующий главные вычислительные функции. Ядро включает в себя отдельный набор микро компонентов, таких как устройства:

• Выборки инструкции;
• АЛУ – арифметико-логические устройства;
• Декодирования;
• Кэш-память и др.

---

Архитектура ядра - запатентованная технология, составляющая коммерческую тайну. И, как правило, подробная информация об архитектуре отсутствует в публичном доступе. Однако, документация к процессорам содержит общую информацию о ядре, позволяющую понять устройство и логику работы процессора.

PCI-Express – интерфейс и набор конфигурационных элементов для подключения к процессору PCI-устройств.

Memory Controller (от англ. встроенный контролер памяти, также иногда упоминаемый как Memory Control Unit (MCU) – контролер доступа к памяти. Встроенный микрочип, обеспечивающий обмен информацией между процессором и системной памятью - ОЗУ.

Display Controller – устройство, обеспечивающее вывод информации на экран пользовательского монитора.

Memory Controller I/O. Контролер доступа к памяти для устройств ввода/вывода.

Cash Box – общая кэш-память 3-го уровня (L3).

Processor Graphic (графический процессор). Одной из особенностей современных процессоров, является реализация функционала отвечающего за графические вычисления. Ядро графического процессора интегрировано (встроено) прямо в кристалл центрального процессора. Таким образом, вычислительные элементы центрального процессора состоят из двух компонентов – CPU (Central Processor Unit) и GPU (Graphic Processor Unit). Данная схемотехническая реализация у процессоров Intel имеет обозначение Intel HD Graphics. Читателю важно помнить. При изучении характеристик процессора, данный термин означает, что ядро центрального и графического процессора расположено в одном чипе.

QPI (Quick Path Interconnect) – шина, (физический канал связи) для обмена данными между компонентами процессора. QPI – собственная, запатентованная разработка компании Intel.

Различные, источники информации, определяют интерфейс как тип физического разъема. В технической документации, к процессорам Intel и AMD, интерфейс обозначает совокупность элементов процессора обеспечивающих взаимодействие между устройствами ввода/вывода и иными компонентами системы. Например, DMI-интерфейс, включает в себя шину и набор конфигурационных регистров для связи с компонентом DMA (Memory Controller I/o).

Архитектура Broadwell (5^th Gen, пятое поколение, рисунок 3), усовершенствованная версия предыдущей архитектуры Haswell. Наибольшую реализацию Broadwell получила в процессорах Intel Core i3, i5, i7. Процессоры Pentium G и некоторые серии Celeron также основаны на архитектуре Broadwell.

Рисунок 3. Архитектура процессора 5^ТМ (Broadwell)

---

Как возможно заметил читатель, верхний уровень представления архитектур Haswell и Broadwell имеет схожие характеристики. Общее число компонентов и их расположение идентичны. Для процессоров Broadwell характерно увеличение размера графического ядра. Конфигурации могут отличаться. Компонентная база процессоров Skylake имеет аналогичный состав.

Рисунок 4 отображает архитектуру платформы на базе процессора Intel. Как видно на схеме, процессор имеет прямое соединение с системной памятью (ОЗУ), PCH (Platform Controller Hub, «Южный мост»), а также обеспечивает возможность подключения устройств, поддерживающих интерфейсы PCI Express 3.0 и Digital Display Interface. К таким устройствам относятся чаще видеокарты и OLED-мониторы соответственно. Соединение с PCH осуществляется через интерфейс DMI (Direct Memory Interface). Intel^® Flexible Display Interface – интерфейс/шина позволяющий устройствам ввода/вывода напрямую обмениваться данными с монитором.

Рисунок 4. Архитектура платформы процессоров Intel

Процессоры Pentium, серии N3520, N2800, N2900 и Celeron, серий N2800-2900, J1800, J1750 и J1900 представляют собой «систему на кристалле» (SoC). SoC – схемотехническое решение, процессор, при котором на одном кристалле (интегральной схеме, микрочипе) размещен набор дополнительных микрочипов, таких как:

• Ядро (CPU);
• Графическое ядро (GPU);
• Контролеры памяти (NorthBridge) и ввода/вывода (SouthBridge).

Процессоры SoC в значительной степени реализованы в мобильных устройствах, планшетных компьютерах и встраиваемых системах, которые можно встретить в современных автомобилях, системах «SmartHome», банкоматах, терминалах самообслуживания. На рисунке 5 отображена архитектура процессоров указанных серий. Здесь, организация компонентов несколько иная. Ключевыми компонентами являются узлы (Core Node), в каждый узел входит по два ядра процессора и кэш-память, SoC Transaction Router (SoCTR), I/O Fabric и Platform Control Unit (PCU). PCU компонент известный нам как PCH – «Южный мост». SoCTR – центральный компонент управления транзакциями (операциями) между ядром процессора, графическим контроллером, PCH, и контроллером памяти (Memory Controller). MC компонент выполнен в виде отдельного блока, с поддержкой двух каналов передачи данных.

Рисунок 5. Блок-диаграмма структуры процессоров Intel (SoC)

Данная архитектура носит кодовое название Goldmont и также имеет широкое применение в процессорах для ноутбуков (Notebook), настольных ПК и серверах.

В процессорах Intel графическое ядро основано на микроархитектуре Generation. Рисунок 6 отображает структуру графического ядра Gen 9 процессоров 6^th поколения (Broadwell).

---

Рисунок 6. Структура ядра графического процессора Intel

Ядро состоит из компонентов:

• Scheduler. Планировщик задач;
• State Management. Управление состоянием регистров и иных блоков;
• Power Management. Управление питанием;
• Video Encode/Video Decode. Кодирование и декодирование видеоданных;
• 3D Pipeline/General Purpose Pipeline. Конвейер операций над данными для трехмерных изображений;
• Global Thread Dispath/Local Thread Dispatch. Управление потоками;
• Setup, Rasterization, Z complex, Color. Компонент растеризации, хранения значений цвета
• Execution Unit Array (EU Array). Массив исполнительных устройств. Архитектура Gen 9 поддерживает более 72 EU, в зависимости от конфигурации (SKU – StockKeepeng Unit);
• L3 Cache. Кэш-память 3-го уровня.
• Cache/Memory Interface. Интерфейс/контролер, служащий для управления доступом к основной и локальной памяти.
• System Memory. Интерфейс доступа к системной памяти.
• eDRAM (embedded Dynamic Random Access Memory). Встроенная динамическая память произвольного доступа.

Компонентная база графического ядра, у большинства производителей процессоров, определяется в соответствии с общепринятыми концепциями в области разработки устройств, для графических вычислений. Построение изображений на экране монитора есть результат некоторого числа этапов по обработке графических данных. Для примера, OpenGL – открытая графическая библиотека. Это стандарт и набор API, разработанный международным консорциумом Khronos Group, куда входят представители таких компаний как Intel, AMD, Nvidia, Apple и др., для разработки графических приложений. Согласно стандарту, каждая операция визуализации объекта (картинки) на экране, должна включать в себя этапы определения вершин объекта, растеризации, тестирование глубины, цвета и др. На основе данных концепций визуализации изображения, производители выбирают архитектурное решение для процессора.

2.1.1. Процессор Intel Xeon

Процессоры семейства Xeon представляют собой мощные, многоядерные и высокопроизводительные процессоры для работы на сервере. Каждая серия процессоров, также как у настольных ПК, отличается конфигурацией (SKU), которая определяется количеством ядер, размером кэш-памяти, наличие дополнительных компонентов. В состав процессоров для настольных ПК, чаще всего, входит максимально до 8 ядер. В процессор для сервера – от 8 до 22. Объем кэш-памяти достигает 60 МБ.

На рисунке 7, представлена схема архитектуры процессора Intel Xeon, серии E7-2,3,4(800). В процессорах данной серии продолжается применение архитектуры 3^rd Gen Ivy Bridge – третье поколение.

---

Рисунок 7. Структура процессора Intel Xeon

Рассмотрим характерные особенности процессоров Intel Xeon. В состав процессора входят компоненты:

• Ядро. Максимальное число составляет 15 ядер;
• Ubox (Config Agent). Один из элементов, обеспечивающих логику работы процессора, путем реализации набора функций, таких как:
  • Управление сигналами прерываний между регистрами различных устройств ввода/вывода;
  • Декодирование и маршрутизация транзакций в регистры ядра и устройств uncore;
  • Блокирование и разблокирование QPI шины;
  • Счетчик времени и др.
• Integrated (Internal) I\O Module (IIO) – интегрированный модуль ввода\вывода, Включает в себя интерфейсы :
  • PCI Express Gen3;
  • DMI;
  • IOxAPIC – контролер, используемый для конвертирования сигналов прерывания от устройств ввода/вывода или PCI (Gen 2) в сигналы локального APIC контролера.
• PMU. Power Management Unit – управление питанием процессора;
• iMC – контролер памяти. Обеспечивает доступ процессору к системной памяти;

Большинство процессоров 5-го, 6-го и 7-го поколений поддерживают комплекс проприетарных (патентованных) технологий Intel. Мы привели обобщенную структуру процессоров. Описанные элементы функционируют совместно с рядом дополнительных компонентов процессора, которые представляют комплекс технологий. Ниже представлен полный список технологий с пояснением.

Intel^® Virtualization Technology (Intel^® VT). Технология виртуализации, которая позволяет обеспечивать работу нескольких виртуальных машин на одной физической машине.

Intel^® Active Management Technology 10.0 (Intel^® AMT). Технология осуществляет возможность дистанционного доступа и технического обслуживания к ПК.

Intel^® Trusted Execution Technology (Intel^® TXT). Набор программно-аппаратных расширений для безопасности программной среды, благодаря которой, исполняемая среда (операционная система) может предотвратить любые попытки исполнения вредоносного кода.

Intel^® Turbo Bust Technology. Реализует управление напряжением и температурой процессора.

Intel^® Advanced Vector Extensions 2.0 (Intel^® AVX2). Одно из последних решений для выполнения операций над числами длиной 256-бит. Полезно для применения в математических приложениях, кодеках, программном обеспечении выполняющих цифровую обработку сигналов.

Intel^® Device Protection Technology with Intel^® Advanced Encryption Standard New Instructions (Intel^® AES –NI). Реализация подкласса инструкций класса SIMD – Single Instruction Multiple Data – «Одна инструкция – множество данных». Данные инструкции позволяют быстро и безопасно выполнять операции шифрования и дешифрования, основанные на стандарте AES. В набор входит 6 функций SSE, 6 специальных инструкции AESENC, AESENCLAST, AESDEC, AESDELAST и AESIMC и AESKEYGENASSIST. Intel^® AES –NI подходит для криптографических приложений, которые реализуют функции аутентификации, генераторов случайных чисел, шифрование аутентификации.

---