Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Определение процессора)

Содержание:

Введение

Можно начинать введение с 60-70 годов, с Силиконовой долины, Стива Джобса, Билла Гейтса, IBM, когда все начиналось, зарождалось. Но сейчас 21 век и ситуация своя. 2017 год, по моему мнению, начало перелома в индустрии процессоров для ПК. Так как закон Мура уже не властен, компании производители процессоров ищут новые ресурсы и материалы для создания чипов, так как Кремний уже исчерпал свой максимум мощности и производительности. Производители просто добавляют новые инструкции, «фишки» и еле еле вытягивают чуть больше производительности, что не инновация, а тупик. Ведется разработка и развитие квантовых компьютеров, но в связи с проблемой охлаждения, в ближайшие лет 5-10 не думаю, что мы увидим их на потребительском рынке. Конечно, не стоит забывать про мобильные процессоры, некоторые из которых уже перегоняют по мощности настольные процессоры, но нужна ли такая мощь, пока вопрос, да и поговорим мы о процессоров для ПК. Безусловно, центральный процессор (CPU) является центром обработки машинного кода и передает информацию ко всем остальным узлам компьютера: оперативная память, контроллеры, чипы на материнской плате и так далее. Вся эта работа выполняется с помощью процессора и этот факт фундаментален в компьютерной сфере. Бываю так же, к примеру, цифровые процессоры и другие, но их мы пройдем обзорно.

Данная курсовая работа выполнена на компьютере с конфигурацией: процессор AMD FX 8320 c программным обеспечением Windows 10 и Microsoft Office 2010.

1. Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК

1.1 Определение процессора

Центральный процессор (ЦП) - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Хотя создание первых процессоров и началось в 1940-х годах, мы поговорим о современных процессорах 2016-2017 года.

Итак, сейчас чипы процессоров делаются из кремния. Процедура довольно сложная и требует максимальной точности, стерильности и аккуратности. После выхода партии чипов, они подвергаются проверке и разгону. После длительной проверки выявляются разные чипы, которые могут стабильно работать на определенной, для каждого чипа, максимальной частоте. Отсюда и получаются «топовые», «средние» и «начальные» процессоры. Топовые процессоры стабильно работают на более высокой частоте и стоят дороже и получают свое название (грубый пример: Core i7, а вот менее «удачные» уходят в Core i5 и i3).

1.2 Классификация процессоров

Какие бывают процессоры? Конвейерная архитектура процессора, суперскалярная архитектура, CISC-процессоры, RISC-процессоры, MISC-процессоры, VLIW-процессоры, многоядерные процессоры, Гарвардская архитектура, параллельная архитектура, цифровые, сигнальные процессоры.

Так как мы говорим о процессорах для ПК, остановимся на многоядерных процессорах.

Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Компании гиганты по производству процессоров – INTEL, AMD, IBM.

Ну, про Intel понятно – начиная 8086, Pentium и по наше время это Core i3, i5, i7, Xeon, Atom. С AMD тоже – Athlon, Duron и заканчивая A-серия (версии с интегрированным видео), FX-серия (высокопроизводительные, но без встроенного видео). А вот, что IBM делают процессоры знают уже специалисты в сфере IT. Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

1.3 Структура микропроцессора

Функционально центральный процессор можно разделить на две части:

1. Операционную, содержащую арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения
2. Интерфейсную, содержащую адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Программная модель центрального процессора

Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Системная шина – набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.

Шина данных – служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

Шина адреса – используется для передачи сигналов, с помощью которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций чтения/записи и ввода-вывода.

Шина управления – служит для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

Микропроцессорная память

Микропроцессорная память представляет собой набор регистров, которые условно можно разделить на 4 группы:

регистры общего назначения;

сегментные регистры;

регистр счетчика команд;

регистр признаков.

Регистр – устройство сверхбыстродействующей памяти в процессоре, служащее для временного хранения управляющей информации, операндов и/или результатов выполняемых операций. Совокупность регистров процессора называется набором регистров.

1.4 Основные характеристики процессоров ПК

На сегодняшний день процессоры делятся по характеристикам:

1. Тактовая частота
2. Количество ядер
3. Размер кэша (1,2,3 уровня)
4. Энергопотребление
5. Техпроцесс

Конечно, есть куча других характеристик и технологий, но основные эти.

Рассмотрим подробнее.

Тактовая частота - количество тактов (операций) процессора в секунду. Тактовая частота процессора пропорциональна частоте шины.

Как правило, чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность.

Но подобное сравнение уместно только для моделей одной линейки, поскольку, помимо частоты, на производительность процессора влияют такие параметры, как размер кэша второго уровня (L2), наличие и частота кэша третьего уровня (L3), наличие специальных инструкций и другие.

Ядро - самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора, способное выполнять поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена (к примеру, ядро процессора AMD – Zambezi, а Intel – Lynnfield). С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. Например, линейки процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad от Intel, в которых используются двухъядерные и четырехъядерные ЦП, соответственно. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.

Кэш - сверхоперативная память, используемый процессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша. Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию, используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти. Здесь процессоры делятся на серверные и пользовательские. Серверные процессоры содержат кэш свыше 24 МБ, что нужно для обработки и хранения большого количества информации, когда в простых около 6-8 МБ, что считается вполне достаточным.

Энергопотребление (TDP) – максимальное количество Вт, потребляемое процессором при его максимальной частоте и при полной нагрузке. Важный пункт при выборе процессора, так как от значения энергопотребления зависит его рабочая температура. Как правило в энергоэкономных процессорах Intel рабочая температура гораздо ниже, чем, к примеру, в процессорах AMD, так как в AMD выше вольтаж, подаваемый на процессор.

Техпроцесс - параметр напрямую влияет на кол-во транзисторов, т. к. собственно этот параметр относится к ним. Чем меньше транзисторы, тем больше их можно разместить на кристалле. Вот эта величина транзистора и означает техпроцесс.

Заключение

В заключение могу сказать, что закон Мура уже не действует на данный момент из-за атомарной природы вещества. Кремний подходит к пределу возможности создания более мощных процессоров и сейчас активно ищут альтернативы. Идея квантового процессора в ближайшие лет 10 не будет иметь потребительского назначения из-за сложности охлаждения.

Процессоры не становятся мощнее в целом и не перепрыгивают на шаг вперед, нет инноваций таких как создания технологии гиперпоточности HyperThreading созданной компанией AMD и запатентованной в 1999 году (многие путают с Intel, так как именно они по патенту смогли успешно использовать технологию в своих процессорах. Хотя AMD и пытались выпустить процессоры Athlon в 2003 году, но не смогли конкурировать с Intel.). Тогда это был прорыв, использование 1 физического ядра, создавая 2 логических. Но с того момента процессоры стали совершенствоваться, добавлять разные технологии и инструкции к ним, но инноваций пока нет. Все же процессоры – вершина инженерского ума, но не потолок и я считаю мир электроники в целом имеет бесконечное развитие, лишь бы умы были.

Список литературы

1) Иванько А.Ф. Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин. – http://www.hi-edu.ru/x-books/glblinks/files/refs.htm

2) Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры. - http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/index.html

3) Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2004 - 640с.

4) Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2005. – М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. - 800с.

5) Микропроцессоры. Структура микропроцессора и его основные характеристики. http://shkola.lv/index.php?mode=cht&chtid=459

6) Майстренко А.В. Информатика: Учебное пособие. Ч.1. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.

7) ВикиПедия - Центральный процессор - https://ru.wikipedia.org/wiki/Центральный_процессор