Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Общая характеристика)

Содержание:

Введение

Большинство источников литературы, в т.ч. учебной, описывают микропроцессор (далее процессор) с точки зрения специалиста-разработчика программного обеспечения. В описании процессоров, часто можно встретить информацию о так называемых регистрах процессора. Регистр – устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. В современных процессорах, такие регистры имеют размер 16, 32, 64, 128 и 256 бит, что позволяет совершать операции над числами указанных размеров, и соответственно обрабатывать разные объема информации. Для хранения каждого бита в регистре применяется специальный элемент – ячейка памяти, которая формируется из n-го количества КМОП-транзисторов (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Также, при описании, часто упоминаются АЛУ, регистры сдвига, устройства выборки др. Число транзисторов в современных процессорах достигает 2 миллиардов. Возникает вопрос, какие схемотехнические решения реализованы, посредством такого количества транзисторов? В процессе изучения соответствующей технической документации, автором было определено, что в состав современных процессоров входит множество функциональных компонентов, выполняющих широкий набор задач разного назначения. Без более детального изучения, понять устройство и принципы работы процессоров может оказаться сложной задачей.

В данной работе, описание процессоров приведено в обобщенной форме. Отсутствие единой структурной реализации процессора, приводит к необходимости рассматривать процессор каждой марки и серии индивидуально. Изучение современных процессоров играет важную роль для разработки прикладного и системного программного обеспечения (ПО). Подходы и средства разработки ПО можно разделить на высокий и низкий уровень. Высокий уровень позволяет использовать готовые средства разработки, такие как API (Application Programming Interface), IDE (Intergrated Development Enviroment – интегрированная среда разработки), шаблоны проектирования и др. Низкий уровень, в свою очередь определяет то, на чем основан верхний уровень и все средства, имеющие к нему отношение. В первую очередь, это понимание логики работы процессора и вычислительной техники в целом. В настоящее время, среди многих специалистов данной области распространена мысль о том, что для создания ПО достаточно применения высокоуровневых средств. Тем не менее, глубокие знания в области устройства и функционирования процессоров повышают компетенцию специалистов и открывают возможности для профессионального роста и решения более сложных задач.

Говоря о понятии “современный”, автор рассматривает процессоры, выпускаемые с 2011/2013 года. Именно с указанными датами связаны фундаментальные изменения, которые производители процессоров внесли в свою продукцию. В настоящее время, рынок процессоров для настольных ПК представлен преимущественно продукцией двух наиболее крупных международных компаний Intel и AMD (Advanced Micro Device).

При написании курсовой работы, автор использовал источники информации, содержащие самую актуальную и достоверную информацию о процессорах. Основными из них являются технические спецификации, руководства по разработке программного обеспечения.

Глава 1. Общая характеристика

Перед тем, как мы перейдем к описанию структуры микропроцессоров, читателю предлагается ознакомиться с терминологией, понятиями и некоторыми теоретическими основами устройства процессора.

Современный процессор – сложное многофункциональное устройство. В период зарождения вычислительной техники, приблизительно с 1960 г., и 1981 (дата выпуска первых персональных компьютеров компанией IBM), CPU (Central Processing Unit, он же процессор) выполнял арифметико-логические операции для узкого круга задач. В наши дни, процессору отведена роль решения большего объема разнохарактерных задач, к которым относятся:

  1. Вычисления общего назначения, используемые в научно-технических целях;
  2. Управление комплексом устройств ввода/вывода: клавиатура, компьютерная мышь, монитор, и иных устройств;
  3. Управление устройствами для приема и передачи данных по телекоммуникационным сетям;
  4. Полный цикл управления вычислительной техникой;
  5. Аналого-цифровая и цифро-аналоговая обработка данных.

Решение задачи по вычислению значений для построения графических изображений (визуализация), отведено графическому процессору. Несмотря на тот факт, что в последние годы, визуализация обретает более высокое значение, центральный процессор остается главным функциональным устройством ПК.

Все названные задачи, привели к появлению многообразия процессоров, разных характеристик, конфигураций и назначения. Обращаясь к источникам информации о процессорах, таким как техническая документация, магазин электроники, читатель может столкнуться с большим числом терминов и квалификаторов.

На рисунке 1 представлена структура и характеристика наименования (маркировки), процессоров Intel.

4th generation Intel® Core™ processor family

Рисунок 1. Маркировка процессоров Intel

Элементы маркировки включают в себя:

  • Название торговой марки (семейства)/бренд. То же, что и для примера, «Билайн», компании «Вымпелком»;
  • Модификатор бренда. Дополнительная информация бренда;
  • Число, ссылка на поколение (архитектуру);
  • 3 цифры – SKU число. SKU - Stock Keeping Unit (идентификатор товарной позиции). Характеризует компонентную структура процессора;
  • Product/Processor Line суффикс. Дополнительный квалификатор, выражает определенные физические и вычислительные особенности процессора. Например, следующие суффиксы характеризуют уровень энергопотребления процессора:
  • U — Ultra low voltage (TDP — ниже 15 Вт);
  • L — Low voltage (TDP — от 15 до 25 Вт);
  • T — standard mobile (TDP — от 25 до 55 Вт);
  • E — standard desktop (TDP — от 55 до 75 Вт);
  • X — extreme (TDP — выше 75 Вт);

Суффикс «K» - unlocked/overclock (с англ. разблокированный/ разгонять), определяющий возможность процессора увеличивать скорость работы. Процессоры компании AMD имеют в своем названии:

  • Наименование компании и торговой марки (AMD RayzenТМ, AMD FXТМ);
  • Указатель серии (AMD RyzenТМ 5);
  • Номер модели (AMD RyzenТМ 5 1500);

При рассмотрении характеристик процессора, мы выделим следующие группы:

  • микроархитектура и архитектура платформы;
  • производительность;
  • поддерживаемые технологии и архитектура набора инструкций.

Микроархитектура (далее архитектура) – схемотехническое решение, характеризующее расположение компонентов, отвечающих за реализацию функций процессора. Описание архитектуры процессора включает два уровня. Первый уровень описывает общее число всех функциональных элементов входящих в процессор - ядро (количество зависит от конфигурации), элементы категории uncore, средства обеспечивающие взаимосвязь между компонентами – шины и вспомогательные элементы. Второй уровень дает описание вычислительного блока - ядра и всех элементов входящих в его состав. Среди таких элементов – АЛУ (арифметико-логические устройства), кэш-память, устройства выборки и декодирования инструкций и др. Далее мы будем рассматривать понятие «архитектура» применительно к ядру процессора.

Реализация определенной архитектуры, есть результат технологии производства процессора, которая имеет название технологический процесс. Совершенствование архитектуры означает такое изменение техпроцесса, при котором уменьшаются размеры, увеличивается плотность размещения и количество полупроводниковых структур, образующих функциональные блоки процессора. С течением времени, все новый технологический процесс позволяет создавать более совершенную архитектуру. Каждая архитектура, основанная на соответствующем техпроцессе, имеет кодовое название, которое можно часто встретить в технической документации и множестве источников. Например, в процессорах компании Intel, реализованы архитектуры следующих названий:

  • Sandy Bridge/Ivy Bridge;
  • Haswell/Broadwell;
  • Skylake.

Мы рассмотрим более подробно каждую архитектуру в главе 2.

Архитектура платформы - физическое расположение процессора в архитектуре компонентов материнской платы ПК.

К параметрам производительности относятся следующие пункты:

  • Количество ядер;
  • Количество потоков. Поток – это последовательность инструкций. Данный параметр характеризует возможность процессора одновременно исполнять несколько последовательностей инструкций. Чаще это имеет отношение к числу приложений запущенных на ПК;
  • Базовая тактовая частота. Характеризует количество микроопераций, выполняемых процессоров за секунду.
  • Кэш-память – сверхбыстрая оперативная память, интегрированная в процессор и ядро. Предназначена для хранения инструкций и данных;
  • Частота системной шины;
  • Разрядность процессора. Величина, определяющая размер машинного слова, которым можно закодировать информацию, равная размеру регистров процессора. В процессорах реализуется разрядность в 32-бита и 64-бита.

Архитектура инструкций процессора (Instruction Set Architecture, IS) – набор команд (микрокода), поступление которых на входы ядра, выполняет определенные действия над объявленными данными. Наибольший интерес инструкции представляют для разработчиков программного обеспечения. Поддержка определенного набора команд - важный параметр процессора. Это дает гарантии работы процессора на большинстве устройств, и запуск программного обеспечения для решения задач определенно назначения. Справедливо полагать, что ISA в большей степени определяют архитектуру процессора. Число и структура компонентов процессора должны быть размещены таким образом, чтобы исполнение каждой инструкции давало точный заявленный результат вычислительного процесса. С появлением новых архитектурных решений, за последнее десятилетие, в большинстве процессоров появилась возможность выполнять операции над числами длиной 128 и 256 бит. Это реализовано путем добавления к существующей ISA дополнительных классов инструкций.

Ниже представлено обозначение наборов инструкций, в т.ч. с указанием длины машинного слова:

  • General Purpose, x86-x64 – инструкции общего назначения для операций над числами 32 и 64 бита;
  • x87 FPU (Floating Point Unit) – числа с плавающей точкой (вещественное, в виде десятичной дроби);
  • MMXTM (Multimedia Instruction) – обработка мультимедийных данных размером 128-256 бит; (аудио, видео данные, графические изображения);
  • SIMD Extensions - SSE2-4. Расширения для чисел размером 64 бита;
  • AVXТМ – Advanced Vector Extension. Еще одно расширение системы команд x86;
  • CLMUL. Расширение, для обработки чисел размером 64 бита;

Большинство процессоров Intel и AMD поддерживают исполнение инструкций данных наборов.

Изначально, термин “Персональный компьютер” (сокращенно ПК, термин был применен к первым компьютерам компании IBM) представлял собой настольный компьютер для использования в бытовых условиях, для личных целей. С развитием локальных и глобальной сети, появился новый подкласс компьютеров, называемых серверами. Сервер - специализированный компьютер, выполняющий расширенный набор задач для обмена информацией с другими компьютерами. Следовательно, с появлением новых вычислительных задач, возникает потребность в процессорах с более высокими характеристиками.

Главные отличия процессоров для серверов и настольных ПК выражаются в следующих параметрах:

  • объем обрабатываемой информации, выраженный в количестве исполняемых операций над числами,
  • продолжительность операционного процесса. В большинстве случаев, серверы работают в круглосуточном режиме.

Приведенные параметры определяют конфигурацию процессора и архитектуру платформы. В главе 2 мы рассмотрим процессоры для серверов более подробно.

Глава 2. Структура процессора

2.1. Процессоры Intel

Для персональных компьютеров, компания Intel предлагает процессоры следующих серий:

  • Intel Core;
  • Intel Pentium;
  • Intel Celeron;
  • Intel Xeon.

В таблице №1 перечислены названия торговых марок процессоров, выпускаемых для настольных ПК.

Таблица 1. Процессоры Intel для настольных ПК

Семейства (торговые марки)

PENTIUM

CELERON

XEON

CORE

Серии

  • D;
  • G;
  • J;

Generation: 2th, 3th, 4th, 5th, 6th.

Серии

  • G;
  • J;

Generation: 2th, 3th, 4th, 5th, 6th.

Серии

  • Масштабируемые процессоры Xeon;
      • E3: v2, v3;
      • E5: v2, v3, v4;
      • E7: v2,v3,v4;
  • D.

Generation: 2th, 3th, 4th, 5th, 6th.

Серии

  • i3;
  • i5;
  • i7;
  • X;

Generation: 4th, 5th, 6th.

Процессоры Intel CoreTM производятся на основе архитектур Haswell (4th), Broadwell (5th), Skylake (6th) и одной из последних – Kaby Lake и Kaby Lake R (7th, 8th). Серия X представляет самые мощные многоядерные процессоры. Семейства Pentium и Celeron базируются на тех же архитектурах что и процессоры Intel CoreTM. Большая часть процессоров Intel Xeon предназначена для работы на сервере.

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 (3rd 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.

C:\Users\1\Desktop\datasheet\intel\Intel-4th-Generation-Processor-Die.jpg

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 (5th 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.

C:\Users\1\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Word\Intel-Broadwell-CPUs-Architecture-5th-Generation-U-Processors.jpg

Рисунок 3. Архитектура процессора 5ТМ (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 6th 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 3rd 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.

Intel® Device Protection Technology with Intel® Secure Key. Дополнительное расширение по безопасности программной среды.

Intel® Transactional Synchronization Extensions – New Instructions (Intel® TSX-NI). Дополнительный набор инструкций для ускорения вычислительных процессов.

Execute Disable Bit. Позволяет памяти помечаться как не исполняемой, т.е. не используемой для работы операционной системы. Такая функция может предотвратить доступ вредоносного кода к памяти.

Intel® Secure Key. Дополнение в виде инструкции RDRAND, выполняющей генерацию случайного числа.

PCLMULQDQ инструкция, класса инструкций SIMD, которая вычисляет 128-битное значение двух 64-битных операндов. Данное расширение - существенный компонент реализации криптографических систем и стандартов.

Hyper Threading Technology. Данная технология позволяет одному физическому ядру процессора функционировать как два логических. Тем самым, обеспечивается многозадачность в одном потоке.

Intel® Software Guard Extensions (SGX). Расширение для защиты памяти. Данная технология является одной из ключевых в безопасности программного обеспечения. Intel® SGX реализация основана на использовании программного кода в защищенной области памяти, называемой Enclave. Код из области Enclave может быть доступным посредством использования специального ISA. Функциональный блок SGX шифрует Enclave память, тем самым защищая ее от различного рода хакерских атак.

Intel® Memory Protection Extensions (Intel® MPE). Технология, регулирующая доступ к памяти, путем создания границ. Особое значение Intel® MPE имеет в сфере объектно-ориентированного программирования.

Intel® Image Signal Processor (Intel® ISP). Процессор сигнальной обработки изображения. Применяется для обработки изображений получаемых от цифровой видео камеры.

Intel MMXTM. Это технология концепции (класса) SIMD, определяющая инструкции процессора для операций над числами длиной 64-бита.

Совокупность перечисленных технологий является индивидуальной особенностью процессоров Intel. Их реализация основана путем внедрения дополнительных функциональных блоков в виде регистров и контролеров в компонентную базу процессоров.

Процессоры AMD

Большинство современных процессоров AMD базируются на архитектурах имеющих следующие кодовые названия:

  • Bobcat – 14h.
  • Bulldozer – 15h. Базовая архитектура, на основе которой, создана новая версия с кодовым названием Piledriver(Trinity);
  • Jaguar, Puma Family – 16h;
  • Zen – 17h.

Процессоры с реализацией архитектуры Bobcat продолжают оставаться на рынке, однако в компании наблюдается снижение производства процессоров данной архитектуры. Поэтому мы рассмотрим наиболее актуальные 15h, 16h и 17h.

Рисунок №8 дает нам информацию о марках процессоров AMD для настольных ПК.

Таблица 2. Процессоры AMD

Семейства процессоров для настольных ПК

AMD Pro AТМ

RYZENТМ

ATHLONТМ

FXТМ

Серии

  • 4,6,7,8;
  • 10-76**;
  • 10-78**;

Серии:

  • 3: 1200, 1300;
  • 5: 1400, 1500, 1600;
  • 7: 1700, 1700X, 1800.

Серии:

  • X4;
  • 5000

Серии:

8: 120, 300, 320E, 350, 370E.

Серии: X, S, 3000, 4000, 6000

AMD OPTERONТМ

AMD SEMPRONТМ

Серии: 2650, 3850

Архитектура 16h представляет особый интерес. Процессоры на ее основе реализуют дополнительное архитектурное решение, такое как APU (Accelerated Processor Unit) процессор – модель процессора, в которой кристалл чипа состоит из центрального и графического процессора. Мы уже познакомились с подобной архитектурой в главе 2.1 при изучении процессоров Intel. Таким образом, в сфере графических вычислений, компания AMD предлагает пользователям несколько решений:

  • Графический процессор выполнен в отдельном чипе, и включен в архитектуру платформы.
  • Видеокарта. Графический процессор с собственной оперативной памятью (видеопамять);
  • Объединение с центральным процессором – гибридные процессоры. Общее название такой реализации AMD Fusion (APU);

На рисунке 8 приведена обобщенная структура процессора на базе архитектуры 15h. Каждый процессор представляет собой так называемый “package” (дословно с англ. – пакет, упаковка) в который входит 1 и более узлов (Nodes).

Рисунок 8. Блок-диаграмма процессора с одним узлом

Узел – это интегрированная схема, которая включает в себя:

  • 1-4 вычислительных устройств (Compute Unit)), по 2 ядра на каждое устройство. Каждое вычислительное устройство состоит из компонентов:
    • Исполнительное устройство (x86 Execution Unit) x86;
    • MSR регистры - Model-Specific-Register. Регистры управления ядром процессора;
    • Контроллер прерываний APIC (Advanced Programmed Interrupt Controller). Обеспечивает прямой обмен данными между устройствами ввода/вывода и ядром процессора;
    • Контроллер памяти (DC – DRAM Controller).
  • Свыше 4-х высокоскоростных интерфейсов HyperTransportТМ – двунаправленная высокоскоростная шина;
  • Интерфейс для соединения с системной памятью;
  • «Северный мост» (NorthBridge);

Архитектура 15h позволяет реализовать конфигурации Dual-Node (двойной узел). Такая конфигурация является наиболее подходящим решением для обеспечения работы серверов. На рисунке 9 изображение конфигурации Dual-Node.

Рисунок 9. Конфигурация из 2-х узлов процессора 15h

В каждый узел входит 4 комплекса, по 2 ядра на каждый, кэш-память L2. На каждый узел предназначено по одному чипу North Bridge.

Архитектура платформы на базе процессора AMD аналогична платформе на базе процессоров Intel и характерна для большинства современных платформ (рисунок 10). Процессор подключен к трем компонентам платформы – системная память, DDI (Digital Display Interface) и FCH.

Рисунок 10. Блок-диаграмма платформы на базе процессоров AMD

Процессоры поколения 16h (Jaguar) реализованные в марках Athlon и Opteron, разработаны на основе концепции «Системы на Кристалле» (SoC) и APU. Структура данной архитектура изображена на рисунке 11.

Процессоры архитектуры 16h APU включают в себя следующие компоненты

  • Вычислительное устройство:
    • Ядро x4;
    • Кэш-память L2(Level 2);
    • L2 interface;
  • «Северный мост» (“NorthBridge”) - интегрированный контролер памяти. Реализует функции:
    • Доступ к памяти для устройств:
      • CPU и GPU ядра;
      • Ввода/вывода;
    • Маршрутизация транзакций;
  • Контролер памяти DDR;
  • Fusion Controller Hub (FCH).

В некоторые процессоры архитектуры 16h, семейства A8, A10 серий также входит интегрированное графическое ядро.

Рисунок 11. Блок-диаграмма процессоров APU (16h)

Данная схема процессора не является окончательной. В конфигурации для настольных ПК (марки Athlon, Opteron) компонент FCH (Fusion Controller Hub) – контролер ввода/вывода «Южный мост» располагается в отдельном чипе.

Компания AMD придерживается определенной концепции в представлении информации о своей продукции. Технические спецификации содержат описание структуры и функций, которые поддерживаются большинством процессоров. Конкретную конфигурацию и наличие того или иного компонента возможно определить преимущественно средствами программного обеспечения.

Семейства процессоров архитектуры 17h представляют собой «Систему на кристалле» (SoC). На рисунке 12 отображена общая структура процессоров архитектуры 17h. Ключевыми компонентами являются:

Рисунок 12. Блок-диаграмма архитектуры 17h

  • CPU Core Complex (CPU CCX). Каждый комплекс состоит из набора Ядро (x4), 512KiB L2 и 2MiB L3 общей кэш-памяти;
  • Scalable Data Fabric. Обеспечивает соединение CPU CCX, Input/Output и DRAM интерфейсами. Выполняет функции запроса, ответа и транспортировку данных между устройствами с указанными интерфейсами.
  • 2 контроллера памяти UMC (Unified Memory Controller). Каждый контроллер поддерживает один канал связи с DRAM;
  • NBIO North Bridge I/O – в виде IOMMU.
  • FCH (Fusion Controller Hub). На схеме имеет обозначение SCH.
  • Azalia. Управление устройствами ввода/вывода аудио данных.
  • Ethernet Complex. Элемент управления сетевыми устройствами, функционирующих на основе стандартов пакетной передачи данных в вычислительных сетях Ethernet;
  • PHYs muxing. Компонент процессора, обеспечивающий ввод/вывод устройств SATA, xGMI, PCI, Ethernet.
  • USB 3.0 интерфейс.
  • UMC (Unified Memory Controller) – контролер доступа процессора к системной памяти. В каждый процессор входит два UMC компонента. Каждый UMC обслуживает один физический канал (шину) DDR4.

Следует добавить, что графическое ядро в реализации архитектуры 17h отсутствует.

В процессорах AMD реализована поддержка проприетарной технологии много поточности AMD HyperThreadingТМ (AMD HTTM) которая обеспечивает повышение производительности процессора, позволяя запускать одновременно несколько потоков инструкций на каждое ядро. Также, процессоры 15h, 16h, 17h поддерживают наборы инструкций, SIMD (SSE1,SSE2,SS3,SSE4a,SSE4.1, SSE4.2.), AVX, собственную реализацию инструкций криптографического стандарта AES (Advanced Encryption Standart), функция реализации криптографического алгоритма SHA (Secure Hash Algoritm – безопасный алгоритм хеширования). Компания AMD в разработке процессоров придерживается концепции RAS (Reliability, Availability and Serviceability) – надежность, доступность и удобство обслуживания. The Machine Check Architecture («Машина проверки архитектуры») - совокупность программно-аппаратных методов с помощью которых системное программное обеспечение получает информацию о состоянии процессора, а также обнаруживает и исправляет ошибки. Ключевыми моментами являются состояние температуры процессора, состояния регистров разных блоков и др. Для реализации данных возможностей, в процессоры AMD включены дополнительные функциональные блоки.

Процессоры семейства Ryzen, одного из последних семейств процессоров AMD, реализованы на базе архитектуры 17h (Zen).

Рассмотрим модель исполнительного блока – ядра, процессоров 17h, структура которого изображена на рисунке 13.

Рисунок 13. Блок-диаграмма ядра процессора 17h

В состав ядра входят следующие компоненты:

  • Блок управления
    • Предсказатель переходов (Branch Prediction). Устройство, определяющее наличие события для условного перехода. Участок программы, хранящейся в памяти по определенному адресу, в начале запуска программы поступает в регистры процессора. Далее следует последовательное исполнение инструкций. Предсказатель переходов позволяет менять ход исполнения программы и «переходить» к исполнению кода, в зависимости от логики работы программы. В программировании это тесно связано с операторами условных переходов.
    • 64K ICACHE – кэш-память размером 64 килобайта для хранения инструкций;
    • Decode – устройство декодирования инструкции. Определяет тип операции (для примера умножение, сложение) и тип данных – целое число или число с плавающей точкой, для отправки на следующий этап обработки.
    • Micro OP Queue - очередь микроопераций. Исполнение регулярно поступающих инструкций организовано по принципу очереди (чаще всего на основе принципа FIFO – First-Input-First-Output).
    • Op Cache. Кэш-память. Используется для хранения предыдущих декодированных инструкций.
  • Блок операций над целыми числами (Integer):
  • Блок операций над числами с плавающей запятой (FPU)
  • Устройство загрузки/хранения. Позволяет исполнять операции загрузки и сохранения данных между процессором и системной памятью.

Компоненты Integer и FPU имеют функциональные элементы так называемого математического сопроцессора:

  • Rename. Вспомогательное устройство для устранения ложных зависимостей данных. Для понимания зависимости данных, рекомендуется обратиться к руководствам по программированию для процессоров AMD, доступным для свободного скачивания на официальном сайте AMD.
  • Scheduler. Устройство управления операциями. Получает на входе более 6-ти макро операций, которые в свою очередь делятся на микрооперации.
  • Register File. Массив дополнительной сверхбыстрой памяти;

а также ALU, AGU, ADD, MUL компоненты. АЛУ (ALU) – арифметико-логическое устройство. В ALU входят функциональные блоки для выполнения операций сложения, умножения, битовые операции (арифметический сдвиг). АГУ (AGU, иногда ACU) – устройство вычисления адреса, используемое для доступа (получения) данных из системной памяти. Как видно из схемы, основные вычислительные блоки состоят из устройств выполняющих операции сложения и умножения.

На рисунке 14, одна из конфигураций процессора для сервера AMD Opteron 6100 серии.

C:\Users\1\Desktop\datasheet\amd\opteron.jpg

Рисунок 14. Структура процессора AMD OpteronТМ 6200 серии

В данную конфигурацию входят следующие компоненты:

  • Ядро x16;
  • Контролер памяти (Memory Controller, MC);
  • Кэш-память;
    • L2-уровень;
    • L3-уровень;
  • System Request Interface. Устройство, обеспечивающее обмен данными между разными компонентами процессора.

Ключевые функциональные особенности процессора:

  • AMD VirtualizationTM (AMD-VTM) – технология виртуализации (аналогично Intel Virtualization TechnologyTM) и усовершенствованная версия AMD-ViТМ;
  • Поддержка инструкция классов SSE, CLMUL, AVX, MMXТМ;
  • AMD CoolCoreTM. Улучшенная версия технологии AMD PowerNowТМ, которая позволяет автоматически снижать тактовую частоту и напряжение при слабой нагрузке или режиме простоя компьютера;
  • HyperTransportТМ 3.0. Последовательно-параллельная шина высокой пропускной способности и малыми задержками.
  • APML – Advanced Platform Management Link. Набор вспомогательных компонентов для осуществления контроля температуры.

2.3. Ценовая характеристика

Критериями определения цен на процессоры являются конфигурация, архитектура и ряд параметров производительности, таких как тактовая частота, разрядность инструкций (32/64 бита). Общий ценовой диапазон процессоров компаний Intel и AMD находится в пределах 70- 10000$. Среди процессоров Intel, к категории бюджетных можно отнести семейства Pentium и Celeron. По данным с официального сайта компании Intel, рекомендованная розничная цена начинается от 94$, для процессоров серии Pentium N, от 100-200$ для серий D. Цены на некоторые процессоры серии G, основанные на последних архитектурах Skylake и Kaby Lake начинаются от 64$. Самыми низко бюджетными являются процессоры Celeron серии G – 42$. При этом в таких процессорах обеспечена поддержка относительно высокой тактовой частоты – от 2.9 ГГц и реализация архитектур SkyLake и KabyLake. Большой выбор процессоров для настольных ПК представлен сериями Intel Core i3, i5, i7. Минимальная цена – 117$. Доля процессоров Pentium и Celeron для настольных ПК сокращается, и больше находит реализацию среди процессоров для мобильных устройств.

Стоимость на официальном сайте Intel и у партнеров компании может отличаться.

Среди всех линеек процессоров Intel, самые высокие цены приходятся на процессоры серии Intel Xeon Scalable – масштабируемые процессоры. Серия делится дополнительно на подкатегории Bronze, Silver, Gold и Platinum. Самая низкая цена у категории Bronze – $213-$223. Самая высокая Platinum 8180M - $13011. Цена процессоров категории Gold находится в пределах $1221-$3543.

Информацию о среднерыночной стоимости процессоров AMD можно получить на официальном интернет-ресурсе компании AMD – http://shop.amd.com, а также у партнеров компании. Наиболее известные, компании Citilink (https://citilink.ru) и DNS (https://dns-shop.ru). К категории бюджетных процессоров относятся семейства AMD Athlon и A4-6. Минимальная стоимость 1399 р. – AMD Athlon II X2 340, основной диапазон составляет от 2000 до 5499 рублей. Процессоры марки FX представляют среднюю ценовую категорию. Стоимость начинается от 3580 р. – процессор AMD FX 4330 и доходит до максимальной стоимости равной 14780 р. на процессор AMD FX 9370. Представителем последнего поколения процессоров является семейство AMD RyzenТМ серий 5 и 7, которые построены на архитектурe Zen. AMD RyzenТМ поддерживают значительную часть вспомогательных технологий и обладают повышенными характеристиками производительности. Начальная цена составляет 10730 рублей – AMD Ryzen 5 1400. Самый мощный в линейке процессор AMD Ryzen 7 1800X. Цена такого процессора начинается от 34 тысяч рублей.

Заключение

В настоящей работе приведена общая информация, характеризующая современные процессоры для ПК. Можно сделать вывод, что большинство процессоров имеют однородные характеристики. Так, менее чем десять лет назад применялся отдельный компонент, чип NorthBridge (Северный мост), для доступа устройств ввода/вывода к системной памяти. В современных процессорах данный чип встроен в кристалл устройства CPU. Также находят широкое применение чипы SoC (Система на кристалле). Появление данной архитектуры связано в большей степени с развитием мобильной техники. SoC нашла отражение и в процессорах для настольных ПК и серверов. Можно добавить, что концепции производства процессоров у компаний Intel и AMD, несмотря на общие элементы, представляют разные направления. Компания Intel, вместе с повышением вычислительных возможностей процессоров, делает значительный акцент на различных, вспомогательных технологиях. Компания AMD наоборот, уделяет внимание вычислительным характеристикам своих процессоров.

Один из основателей компании Intel, Гордон Мур, обладающий степенью доктора в области химии и физики, заметил, что полупроводниковые технологии развиваются с такой скоростью, что число транзисторов, размещаемых на микросхеме, каждый год удваивается. Эта мысль, вскоре стала известна как закон Мура, согласно которому количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые два года, а вместе с этим растет и производительность процессора. Данная особенность объясняется растущей из года в год потребностью в вычислительных средствах, способных решать все новые возникающие задачи. Занимателен тот факт, что при достижении максимальной плотности размещения транзисторов возникнет необходимость поиска новых решений для технологического процесса.

В курсовой работе, автор постарался дать исчерпывающую информацию для данного этапа обучения.

Список литературы и источников информации

  1. Официальный интернет-ресурс компании Intel. Спецификации к продукции. Процессоры [Электронный ресурс] http://ark.intel.com/#@Processors;
  2. Официальный, русскоязычный интернет-ресурс компании AMD. Продукция. Процессоры для настольных ПК [Электронный ресурс] http://www.amd.com/ru-ru/products/processors/desktop;
  3. Техническая спецификация процессоров 6-го поколения. 6th Generation Intel® Processor Datasheet for S-Platforms, Volume 1.

https://www.intel.com/content/www/us/en/processors/core/desktop-6th-gen-core-family-datasheet-vol-1.html

  1. Техническая спецификация к процессору Intel Xeon. Intel® Xeon® Processor E7 v2 2800/4800/8800 Product Family.

https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/processors/xeon/xeon-e7-v2-datasheet-vol-2.html;

  1. Техническая спецификация к процессорам Intel семейств Pentium и Celeron Intel PentiumTM Intel® Pentium® Processor N3500-series, J2850, J2900, and Intel® Celeron® Processor N2900-series,N2800-series, J1800-series, J1900,J1750 [Электронный ресурс] . https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/embedded/products/bay-trail/pentium-n3520-j2850-celeron-n2920-n2820-n2815-n2806-j1850-j1750-datasheet.html
  2. Руководство для разработчиков. BIOS and Kernel Developer’s Guide (BKDG) for Family 15h Models 00h-0Fh Processors;1
  3. Руководство для разработчиков. BIOS and Kernel Developer’s Guide (BKDG) for Family 17h Models 00h-0Fh Processors;1
  4. Руководство для разработчиков. BIOS and Kernel Developer’s Guide (BKDG) for Family 17h Models 00h-0Fh Processors;1
  5. Руководство по оптимизации программного обеспечения. System Optimization Guide for AMD Family 17h Processors;1
  6. Официальный сайт интернет-магазина DNS [Электронный ресурс]. https://www.dns-shop.ru/;

1Примечание. Ссылка на электронный ресурс - http://developer.amd.com/resources/developer-guides-manuals/

  1. Официальный сайт интернет-магазин Citilink [Электронный ресурс]. https://www.citilink.ru/;
  2. Официальный интернет-магазин компании AMD [Электронный ресурс]. http://shop.amd.com/en-us;
  3. Дэвид М.Харрис и Сара Л.Харрис. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Второе издание. Издательство Morgan Kaufman © English Edition 2013.

СПИСОК ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ССЫЛОК