Файл: Процессоры для персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Процессор – это главная часть цифровой ЭВМ, осуществляющая сложную переработку информации. В него входит также устройство управления ЭВМ. Процессор не только обрабатывает информацию и управляет данным процессом, но и обеспечивает при этом взаимодействие с устройствами памяти, ввода и вывода.

В ЭВМ первых поколений, построенных на дискретных (т. е. отдельных) элементах (электронных лампах, полупроводниковых триодах), процессор представлял собой большое устройство, состоявшее из нескольких электронных плат с размещенными на них навесными компонентами радиоэлектроники. Кроме ламп и транзисторов на этих платах находились диоды, резисторы, конденсаторы. Все соединения между отдельными компонентами осуществлялись с помощью пайки и проводов, а позднее – печатным монтажом. Успехи микроэлектронных технологий позволили в одном элементе объединять несколько транзисторов, диодов, резисторов и соединений между ними. Таким образом, появились так называемые интегральные схемы (ИС). С годами степень интеграции (т.е. число элементов в одной ИС) возрастала, появились большие интегральные схемы (БИС), а затем и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Целью данной работы является проведение исследования процессора персонального компьютера, его назначения, функций и классификацию. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) определить понятие, назначение и основные характеристики процессора персонального компьютера,

2) изучить функции и структуру центрального процессора,

3) проанализировать общую классификацию процессоров,

4) исследовать процессоры Intel и AMD.

Для написания данной работы и решения поставленных задач использовалась литература многих авторов.

1. Сущность центрального процессора

1.1 Понятие, назначение и основные характеристики процессора персонального компьютера

В устройстве персонального компьютера за вычисления и обработку всей информации отвечает ЦПУ(CPU), центральное процессорное устройство.

---

Центральный процессор, или ЦПУ (Central Processing Unit - CPU), -самая важная часть аппаратного обеспечения персонального компьютера, представляет собой программируемый логический контроллер, отвечающий за реализацию вычислительного процесса.^[1]

Центральный процессор персонального компьютера выполняется в виде отдельного чипа (интегральной микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции элементов -ULSI) и реализует все функции, присущие данного рода устройствам. Такие радиоэлектронные элементы называются микропроцессорами.^[2]

Микропроцессоры ПК отвечают требованиям технологии вычислений со сложным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computing). Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel х86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).^[3]

Во время вычислений центральный процессор считывает последовательность команд, содержащихся в ОЗУ, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и определяет алгоритм полезной работы микропроцессора.

Очередность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, тогда адрес следующей выполняемой команды может оказаться другим, отличным от адреса следующей команды в памяти.

Производителями процессоров для ПК, являются INTEL и AMD, развивающие и внедряющие новые технологии и техпроцессы. Еще одна фирма производящая процессоры для бюджетных и менее производительных систем, но в тоже время, предлагая более экономичные решения, выступает VIA Tehnologies. ^[4]

Процессоры являются сложными и высокотехнологичными изделиями, в которых количество элементов(транзисторов) насчитывается уже более миллиарда. В настоящее время процессоры выпускаются в основном 64-битные и многоядерные . Разрядность процессора показывает, сколько бит обработает процессор за один раз (за один такт). В основе работы процессора лежит тактовый принцип. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в чипсет, расположенный на материнской плате^[5]. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Но не только тактовая частота влияет на производительность, влияет так же размер кеш-памяти и количество ядер процессора, а также чипсет расположенный на материнской плате. Многоядерными процессорами являются – процессоры, у которых два и более ядер, находятся в одном корпусе, в результате чего обработка информации ведется в несколько потоков, что в конечном итоге влияет на производительность.^[6]

---

Объем кэш-памяти. Процессор работает значительно быстрее, чем оперативная память, и при обращении к ней ему приходится некоторое время ожидать результата. Чтобы уменьшить время ожидания, непосредственно на кристалле процессора устанавливается небольшой объем очень быстрой памяти, называемой кэш-памятью. Она содержит данные, наиболее часто используемые процессором, и обычно работает на его тактовой частоте. Специальные алгоритмы для кэш-памяти позволяют своевременно подгружать нужные процессору данные из оперативной памяти, что увеличивает производительность системы.^[7]

Современные процессоры имеют двухуровневую организацию интегрированной кэш-памяти. У кэш-памяти первого уровня (L1) наивысшая скорость и небольшой объем (обычно 16-64 Кбайт). Кэш-память второго уровня (L2) обладает несколько меньшим быстродействием, а ее объем может составлять от 128 Кбайт до нескольких мегабайт в зависимости от модели процессора. В некоторых процессорах также встречается кэш-память третьего уровня (L3) объемом от 1 Мбайт.

Множитель процессора, или коэффициент умножения. Ядро центрального процессора работает на тактовой частоте (FSB), являющейся произведением частоты FSB на коэффициент умножения. Например, для уже упомянутого процессора Intel Core 2 Duo Е6600 частота FSB -266,6 МГц, множитель -9, в результате тактовая частота будет равна 2400 МГц. ^[8]

Тактовая частота. Параметр, показывающий реальную частоту работы ядра процессора, которая для современных процессоров может находиться в диапазоне 1,5-4 ГГц. Тактовая частота определяется умножением частоты внешней шины процессора (FSB) на коэффициент умножения.

Поскольку тактовая частота процессора зависит от шины FSB, есть возможность заставить его работать с большей скоростью, изменив частоту FSB. Эта операция называется разгоном.^[9]

Основным техническим параметром процессора является техпроцес - это масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора (эти цепи состоят из соединенных соответствующим образом между собой транзисторов). Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению характеристик процессоров.

---

1.2 Функции и структура центрального процессора

Центральный процессор - это микросхема, размером чуть менее ладони человека, способная выполнять определённый набор (несколько сотен) команд, направленных на преобразование данных.^[10]

Центральный процессор выполняет арифметические действия, логические операции и осуществляет управление всем компьютером. Команды, адресованные ЦП для автоматизации процесса обработки входных данных, объединяются в блоки и хранятся в памяти компьютера или на диске. Эти блоки называются программами. Таким образом, входные данные, введенные в память компьютера пользователем, обрабатываются центральным процессором по заранее составленной программе. Результаты обработки сохраняются в памяти компьютера.^[11]

ЦП контролирует и обслуживает системную шину и оперативную паять, а также, что более важно, выполняет объектный код программ.

Центральный процессор современного ПК, ноутбука или планшета представлен ядром, кэш-памятью на различных уровнях, а также контроллерами: ОЗУ, системной шины^[12]. Производительность микросхемы соответствующего типа определяется ее ключевыми характеристиками. В какой совокупности они могут быть представлены?

Наиболее значимые характеристики центрального процессора на современных ПК следующие:

- тип микроархитектуры (обычно указывается в нанометрах),

- тактовая частота (в гигагерцах),

- объем кэш-памяти на каждом уровне (в мегабайтах),

- энергопотребление (в ваттах), а также наличие или отсутствие графического модуля. ^[13]

Изучим специфику работы некоторых ключевых модулей центрального процессора подробнее.

Центральный процессор современного ПК всегда имеет ядро. В нем содержатся ключевые функциональные блоки микросхемы, посредством которых она выполняет необходимые логические и арифметические функции. ^[14] Как правило, они представлены в некоторой совокупности элементов. Так, устройство центрального процессора чаще всего предполагает наличие блоков, которые отвечают за решение следующих задач:

- выборка и декодирование инструкций;

- выборка данных;

- выполнение инструкций;

- сохранение результатов вычислений;

- работа с прерываниями. ^[15]

Также структура микросхем соответствующего типа дополняется управляющим блоком, запоминающим устройством, счетчиком команд, а также набором регистров. Рассмотрим специфику работы соответствующих компонентов подробнее. На рис. 1 представлена упращенная схема центрального процессора.

---

В числе ключевых блоков в ядре центрального процессора -тот, что отвечает за считывание инструкций, которые прописываются в адресе, зафиксированном в счетчике команд. Как правило, в течение одного такта выполняется сразу несколько операций соответствующего типа. Общее количество инструкций, подлежащих считыванию, предопределяется показателем в блоках декодирования. Главный принцип здесь -чтобы при каждом такте отмеченные компоненты были максимально загружены. С целью обеспечения соответствия данному критерию в структуре процессора могут присутствовать вспомогательные аппаратные элементы.

Рис. 1 Упрощенная структурная схема процессора^[16]

В блоке декодирования обрабатываются инструкции, определяющие алгоритм работы микросхемы в ходе решения тех или иных задач. Обеспечение их функционирования -сложная задача, как считают многие IT-специалисты. Это обусловлено, в частности, тем, что длина инструкции не всегда четко определена.^[17] Современные процессоры обычно включают 2 или 4 блока, в которых осуществляется соответствующее декодирование.

Касательно компонентов, отвечающих за выборку данных -их основная задача заключается в обеспечении приема команд из кэш-памяти либо ОЗУ, которые необходимы для обеспечения выполнения инструкций. В ядрах современных процессоров обычно присутствует несколько блоков соответствующего типа.^[18]

Управляющие компоненты, присутствующие в микросхеме, также базируются на декодированных инструкциях. Они призваны осуществлять контроль над работой блоков, которые ответственны за выполнение инструкций, а также распределять задачи между ними, контролировать своевременное их выполнение. Управляющие компоненты относятся к категории важнейших в структуре микропроцессоров. ^[19]

В ядрах микросхем соответствующего типа присутствуют также блоки, отвечающие за корректное выполнение инструкций. В их структуре присутствуют такие элементы, как арифметическое и логическое устройство, а также компонент, отвечающий за вычисления с плавающей точкой.

Есть в составе ядер процессоров блоки, которые контролируют обработку расширения наборов, что установлены для инструкций. Данные алгоритмы, дополняющие основные команды, используются для повышения интенсивности обработки данных, осуществления процедур шифрования или дешифрования файлов. Решение подобных задач требует введения в структуру ядра микросхемы дополнительных регистров, а также наборов инструкций. Современные процессоры включают обычно следующие расширения: MMX (предназначены для кодирования аудио- и видеофайлов), SSE (применяются при распараллеливании вычислений), ATA (задействуется с целью ускорения работы программ и снижения уровня энергопотребления ПК), 3DNow (расширение мультимедийных возможностей компьютера), AES (шифрование данных), а также многие другие стандарты. ^[20]

---