Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора

Содержание:

Введение

Центральный процессор (центральное обрабатывающее устройство — ЦПУ или ЦП, произошел от английского «central processing unit» (CPU), что дословно переводится как центральное обрабатывающее устройство) — микросхема, исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера [1]. Он является важнейшим компонентом как персонального компьютера, так и вообще любого технического оборудования, управляя всем рабочим процессом, так же обрабатывает большую часть поступающей информации.

Сегодня едва ли найдется сфера или область деятельности, где не используется какая-либо техника и, соответственно, процессоры.

Данная тема является актуальной поскольку процессор является фундаментом любой теперешней техники, что, в свою очередь, представляется фундаментом нынешнего технического развития. Именно она обеспечивает многоуровневую коммуникацию (как международную, так и бытовую), функционирование станков, мониторинг над производственными технологическими процессами. С ее помощью несравненно ускоряются ход моделирования, процесс разработки, скорость фундаментальных исследований, потому что даже самые комплексные и трудоемкие расчеты процессор рассчитывает гораздо быстрее, чем человек. Это свидетельствует о том, что продуктивность всей компьютерной техники зависит от того, как будет эволюционировать производительность и работоспособность этой маленькой с виду детали.

Процессор являет собой воплощение самой инновационной прикладной мысли. Поскольку данной области свойственна сильная конкуренция и большие финансовые вложения, каждый раз релиз новой модели несет в себе более или менее значимый прорыв – как научный, так и технологический, и конструкторский. Во время производства отражаются научно-технические высокие достижения в таких областях, как физика, кристаллография, электротехника, математика, автоматизация, кибернетика.

Целью этой курсовой работы является изучить процессор персонального компьютера, его назначение, функции и классификацию.

Для достижения данной задачи мы пройдемся по следующим темам:

- основные понятия темы;

- структура процессоров персонального компьютера и основные функции;

- основные принципы классификаций процессоров.

Глава 1. Процессоры. Основные функции

Все слышали объяснение, что процессор компьютера похож на его мозг. Как следует из этой аналогии, центральный процессор заботится о «мыслях» компьютера, получая входные данные и обрабатывая данные для получения результатов. В отличие от мозга, центральный процессор не является основным пространством хранения для долгосрочной или кратковременной памяти, задачи относятся к жесткому диску и оперативной памяти соответственно.

Процессор выполняет арифметику и принимает логические решения со скоростью до миллиардов операций в секунду. Любой другой компонент в компьютере обслуживает ЦП, извлекая и сохраняя данные или отображая результаты на экране.

По конструкции они бывают изготовлены либо как одна большая однокристальная микросхема (чип), либо как объединённый блок, в которую входят несколько электронных микросхем.

Чаще всего процессор представлен в виде чипа, расположенного на материнской плате. На самом чипе написана его марка, его тактовая частота (число возможных операций, которые он может выполнить в единицу времени) и изготовитель [11].

Почти все сегодняшние компьютеры основаны на так называемой архитектуре фон-Неймана.

Внутри компьютера ЦП подключается непосредственно к материнской плате через разъем ЦП. Тип сокета зависит от материнской платы, накладывая ограничение на работу процессоров с каждой платой - жизненно важная спецификация, которую необходимо проверить при рассмотрении вопроса об обновлении. Рядом с процессором находятся жесткий диск, оперативная память и различные карты расширения. Все эти компоненты работают вместе для получения результатов. ЦП использует данные, хранящиеся в активной памяти ОЗУ, и выводит результаты в файлы на жестком диске. Карты расширения включают в себя дополнительные компоненты, которые освобождают работу от других компонентов, таких как видеопамять и графический процессор на видеокарте.

Нынешние центральные процессоры, которые сделаны как отдельный чип (микросхема), которые несут в себе все особенности такого рода устройств, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) [10].

Первоначально выражение «Центральное обрабатывающее устройство» характеризовало специальную группу вычислительных машин, которые должны были осуществлять комплексные программные коды. Поскольку требования тогдашних компьютеров полностью соответствовали данным возможностям, он был перенесен непосредственно в компьютер. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде [12].

В середине XX века работа больших компьютеров основывалась на работе механических реле, позже – на электронных лампах, а еще позже – на транзисторах, которые были размером с шкаф (даже несколько шкафов) и полны электроники. Такие конструкции были не очень надежны, дорого стоили и расходовали очень много электричества.

В начальные периоды центральные процессоры создавались, как совокупность уникальных частиц для неповторимых компьютерных систем, которые были предназначены для выполнения единичных задач. Со временем, благодаря развитию техники и мысли, производители перешли к производству многофункциональных типовых компьютеров и положили начало тенденции к стандартизации компьютеров и его составляющих. Этот подход появился во времена активного развития полупроводниковых элементов, больших ЭВМ (mainframe) и миникомпьютеров. Еще позже, когда появились интегральные схемы, такой подход стал на много более популярным. Самым большим прорывом создания микросхемы, было то, что это позволяло увеличить комплексность центрального процессора и одновременно уменьшить размер. Благодаря этому очень скоро цифровые устройства вошли и распространились в повседневной жизни человечества.

Сегодня процессоры обеспечивают работу как вычислительных машин, так и многих бытовых и электронных приборов, таких как машины, микроволновые печи, холодильники, смартфоны, игрушки и даже часы. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.) [12]. Широкий спектр возможностей сегодняшних микроконтроллеров (расчетные и производительные) значительно превосходят возможности персональных вычислительных машинам двадцатилетней давности.

1.1 Особенности процессора

По мере появления новых процессоров в их архитектуры постоянно добавляются новые функции, помогающие улучшить все - от производительности в конкретных типах приложений до надежности ЦП в целом. Рассмотрим некоторые из этих технологий, в том числе режим управления системой (SMM), суперскалярное выполнение, MMX, SSE, 3DNow !, технология HT и двухъядерная обработка.[9]

SMM (управление питанием)

Подстегнутая прежде всего целью установки более быстрых и более мощных процессоров в ноутбуках, Intel создала схему управления питанием. Эта схема позволяет процессорам экономить энергию и продлевать срок службы батареи. Первоначально это было представлено в процессоре Intel 486SL, который является улучшенной версией процессора 486DX. Впоследствии функции управления питанием были универсализированы и включены во все 75 МГц и более быстрые процессоры Pentium и более поздние версии [4]. Этот набор функций называется SMM, что означает режим управления системой.

Схема SMM интегрирована в физическую микросхему, но работает независимо для управления энергопотреблением процессора на основе уровня его активности. Это позволяет пользователю указывать временные интервалы, после которых ЦП будет частично или полностью выключен. Он также поддерживает функцию приостановки / возобновления, которая позволяет мгновенно включать и выключать питание, используемое в основном на ноутбуках. Этими настройками обычно управляют через системные настройки BIOS.

Суперскалярное выполнение

Pentium пятого поколения и выше имеют несколько внутренних конвейеров инициализации команд, которые позволяют им проработовать несколько команд одновременно. 486 и модели постарше могут инициализировать только одну команду за раз. Intel называет возможность выполнять больше одной команды одновременно суперскалярной технологией. Если сравнивать с 486, эта технология обеспечивает дополнительную производительность.

Суперскалярная архитектура обычно ассоциируется с высокопроизводительными чипами RISC. Чип RISC имеет менее сложный набор инструкций с меньшим количеством более простых инструкций. Хотя каждая инструкция выполняет меньше, в целом тактовая частота может быть выше, что обычно может повысить производительность. Pentium - один из первых чипов с комплексным набором команд (CISC), который считается суперскалярным. Микросхема CISC использует более богатый набор команд с более сложными инструкциями.

Intel и совместимые процессоры обычно считаются чипами CISC, хотя версии пятого и шестого поколений имеют много атрибутов RISC и внутренне разбивают инструкции CISC на версии RISC [16].

MMX технология

Технология MMX изначально была названа для мультимедийных расширений или матричных математических расширений, в зависимости от того, кого вы спрашиваете. Intel официально заявляет, что это на самом деле не аббревиатура и означает ничто иное, как буквы MMX (очевидно, что отсутствие аббревиатуры требовалось для того, чтобы буквы могли быть торговыми марками) [11]; однако внутреннее происхождение, вероятно, является одним из предшествующих. Технология MMX была представлена в более поздних процессорах Pentium пятого поколения как своего рода надстройка, которая улучшает сжатие / распаковку видео, манипулирование изображениями, шифрование и обработку ввода-вывода - все это используется в различных современных программах.

MMX состоит из двух основных архитектурных улучшений процессора. Первый очень простой; все чипы MMX имеют больший внутренний кэш L1, чем их аналоги, не относящиеся к MMX. Это повышает производительность любого программного обеспечения, работающего на чипе, независимо от того, использует ли оно на самом деле инструкции, относящиеся к MMX.

Другая часть MMX состоит в том, что он расширяет набор инструкций процессора 57 новыми командами или инструкциями, а также новой возможностью инструкций, называемой одной инструкцией, несколькими данными (SIMD) [11].

Современные мультимедийные и коммуникационные приложения часто используют повторяющиеся циклы, которые, хотя и занимают 10% или менее от общего кода приложения, могут составлять до 90% времени выполнения. SIMD позволяет одной инструкции выполнять одну и ту же функцию с несколькими частями данных, подобно тому, как учитель говорит всему классу «сесть», а не обращается к каждому ученику по одному. SIMD позволяет микросхеме сокращать циклы с интенсивным использованием процессора, общие для видео, аудио, графики и анимации.

Intel также добавила 57 новых инструкций, специально разработанных для более эффективной обработки видео, аудио и графических данных. Эти инструкции ориентированы на высокопараллельные и часто повторяющиеся последовательности, часто встречающиеся в мультимедийных операциях. Высокая параллельность относится к тому факту, что одна и та же обработка выполняется во многих точках данных, например при изменении графического изображения. Основными недостатками MMX было то, что он работал только с целочисленными значениями и использовал для обработки единицу с плавающей запятой, поэтому было потеряно время, когда был необходим переход к операциям с плавающей запятой. Эти недостатки были исправлены в дополнениях к MMX от Intel и AMD.

Intel лицензировала возможности MMX для конкурентов, таких как AMD и Cyrix, которые затем смогли обновить свои собственные Intel-совместимые процессоры с технологией MMX.

SSE, SSE2 и SSE3

В феврале 1999 года Intel представила процессор Pentium III и включила в него обновление MMX под названием Streaming SIMD Extensions (SSE). Они также назывались Katmai New Instructions (KNI) вплоть до их дебюта, потому что они изначально были включены в процессор Katmai, который был кодовым названием для Pentium III. Celeron 533A и более быстрые процессоры Celeron на базе ядра Pentium III также поддерживают инструкции SSE. Предыдущие Pentium II и Celeron 533 и ниже (основанные на ядре Pentium II) не поддерживают SSE.

SSE включает в себя 70 новых инструкций для графики и обработки звука по сравнению с MMX. SSE похож на MMX [9]; на самом деле, помимо того, что SSE называли KNI, некоторые также называли MMX-2 до его выпуска. В дополнение к добавлению дополнительных инструкций в стиле MMX, инструкции SSE допускают вычисления с плавающей запятой и теперь используют отдельный модуль в процессоре вместо совместного использования стандартного модуля с плавающей запятой, как MMX.

SSE2 был представлен в ноябре 2000 года вместе с процессором Pentium 4 и добавляет 144 дополнительных инструкции SIMD. SSE2 также включает в себя все предыдущие инструкции MMX и SSE.

SSE3 был представлен в феврале 2004 года вместе с процессором Pentium 4 Prescott и добавляет 13 новых инструкций SIMD для улучшения сложной математики, графики, кодирования видео и синхронизации потоков. SSE3 также включает в себя все предыдущие инструкции MMX, SSE и SSE2.

Расширения Streaming SIMD состоят из новых инструкций, в том числе SIMD с плавающей запятой, дополнительного целого числа SIMD и инструкций по управлению кэшируемостью.

SSEx особенно полезны при декодировании MPEG2, который является стандартной схемой, используемой на DVD-видеодисках. Поэтому процессоры, оснащенные SSE, должны быть более способными выполнять декодирование MPEG2 в программном обеспечении на полной скорости, не требуя дополнительной аппаратной карты декодера MPEG2. Процессоры с SSE намного лучше и быстрее, чем предыдущие процессоры, когда дело доходит до распознавания речи.

Одним из основных преимуществ SSE по сравнению с обычным MMX является то, что он поддерживает SIMD-операции с плавающей запятой одинарной точности, что является узким местом в обработке трехмерной графики [9]. Как и в обычном MMX, SIMD позволяет выполнять несколько операций для одной инструкции процессора. В частности, SSE поддерживает до четырех операций с плавающей запятой за цикл; то есть одна инструкция может работать с четырьмя частями данных одновременно. Инструкции SSE с плавающей точкой могут быть смешаны с инструкциями MMX без потери производительности. SSE также поддерживает предварительную выборку данных, которая представляет собой механизм для чтения данных в кэш-память до того, как она будет фактически вызвана.

Обратите внимание, что для того, чтобы любая из инструкций SSE была полезной, они должны быть закодированы в используемом вами программном обеспечении, поэтому для просмотра преимуществ необходимо использовать приложения, поддерживающие SSE. Большинство софтверных компаний, пишущих сегодня графическое и звуковое программное обеспечение, обновили эти приложения, чтобы они знали SSE и использовали функции SSE. Например, высокопроизводительные графические приложения, такие как Adobe Photoshop, поддерживают инструкции SSE для более высокой производительности на процессорах, оснащенных SSE. Microsoft включает поддержку SSE в своих видео и звуковых драйверах DirectX 6.1 и более поздних версиях, которые включены в Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4.0 (с пакетом обновления 5 или более поздней версии), Windows 2000 и Windows XP [11].

SSE является расширением MMX; SSE2 является расширением SSE; и SSE3 является расширением SSE2. Поэтому процессоры, которые поддерживают SSE3, также поддерживают инструкции SSE2, процессоры, которые поддерживают SSE2, также поддерживают SSE, а процессоры, которые поддерживают SSE, также поддерживают оригинальные инструкции MMX. Это означает, что стандартные приложения с поддержкой MMX работают так же, как и на процессорах с поддержкой только MMX.

Первыми процессорами AMD, поддерживающими SSE3, являются 0,09-микронные версии Athlon 64 и все версии двухъядерного Athlon 64 X2.

3DNow !, Улучшенная 3DNow !, и Профессиональная 3DNow!

3DNow! Технология изначально была представлена как альтернатива AMD инструкциям SSE в процессорах Intel. На самом деле, 3DNow! был впервые представлен в серии K6 до того, как Intel выпустила SSE в Pentium III, а затем AMD добавила Enhanced 3DNow! процессорам Athlon и Duron. Последняя версия Professional 3DNow !, была представлена в первых процессорах Athlon XP. AMD лицензировала MMX от Intel, и все ее процессоры серии K6, Athlon, Duron и более поздние включают полную поддержку инструкций MMX. Не желая дополнительно лицензировать инструкции SSE, разрабатываемые Intel, AMD сначала предложила другой набор расширений, помимо MMX, под названием 3DNow !. Представленный в мае 1998 года в процессоре K6-2 и улучшенный, когда Athlon был представлен в июне 1999 года [6], 3DNow !, и Enhanced 3DNow! Это наборы инструкций, которые расширяют мультимедийные возможности чипов AMD за пределы MMX. Это обеспечивает более высокую производительность для 3D-графики, мультимедиа и других приложений для ПК с интенсивной плавающей точкой.

3DNow! Технология представляет собой набор из 21 инструкции, которая использует методы SIMD для работы с массивами данных, а не с отдельными элементами. Улучшено 3DNow! добавляет еще 24 инструкции (19 SSE и 5 DSP / коммуникационные инструкции) к исходным 21, что в сумме дает 45 новых инструкций. Позиционируется как расширение технологии MMX, 3DNow! похож на SSE, найденный в процессорах Pentium III и Celeron от Intel. По словам AMD, 3DNow! обеспечивает примерно тот же уровень улучшения MMX, что и SSE, но содержит меньше инструкций с меньшей сложностью. Хотя они похожи по возможностям, они не совместимы на уровне команд, поэтому программное обеспечение, специально разработанное для поддержки SSE, не поддерживает 3DNow !, и наоборот. Последняя версия 3DNow !, 3DNow! Professional, добавляет 51 команду SSE в 3DNow! Улучшено, что означает, что 3DNow! Professional теперь поддерживает все команды SSE, а это означает, что чипы AMD теперь по существу поддерживают SSE. К сожалению, AMD включает SSE2 только на процессорах Athlon 64, Athlon 64FX и Opteron.

Как и в случае с SSE, 3DNow! также поддерживает операции SIMD с плавающей запятой одинарной точности и позволяет выполнять до четырех операций с плавающей запятой за цикл. 3DNow! Инструкции с плавающей точкой могут быть смешаны с инструкциями MMX без потери производительности. 3DNow! также поддерживает предварительную выборку данных.

Также как SSE, 3DNow! хорошо поддерживается программным обеспечением, включая Windows 9x, Windows NT 4.0 и все более новые операционные системы Microsoft. Поддержка 3DNow! Больше не является большой проблемой, если вы используете процессор Athlon XP или Athlon 64, поскольку теперь они полностью поддерживают SSE благодаря поддержке 3DNow! Professional.

Динамическое выполнение

Впервые использованный в процессорах P6 или шестого поколения, динамическое выполнение позволяет процессору выполнять больше команд параллельно, что ускоряет выполнение задач. Это технологическое новшество состоит из трех основных элементов:

Предсказание нескольких ветвей. Предсказывает ход программы через несколько веток

Анализ потока данных. Планирует выполнение инструкций, когда они будут готовы, независимо от их порядка в исходной программе.

Спекулятивное исполнение. Увеличивает скорость выполнения, просматривая счетчик программ и выполняя инструкции, которые могут быть необходимы.

Прогнозирование отрасли

Прогнозирование ветвлений - это функция, ранее встречавшаяся только в процессорах мэйнфреймов высокого класса. Это позволяет процессору поддерживать конвейер инструкций заполненным при работе с высокой скоростью. Специальный модуль выборки / декодирования в процессоре использует высокооптимизированный алгоритм прогнозирования ветвлений для прогнозирования направления и результата выполнения инструкций через несколько уровней ветвлений, вызовов и возвратов [7]. Это похоже на то, как шахматист разрабатывает несколько стратегий до начала игры, предсказывая стратегию противника на несколько шагов в будущее. Прогнозируя результат команды заранее, инструкции могут быть выполнены без ожидания.

Анализ потока данных

Анализ потока данных изучает поток данных через процессор, чтобы обнаружить любые возможности для выполнения команд в неупорядоченном порядке. Специальный модуль диспетчеризации / выполнения в процессоре отслеживает множество команд и может выполнять эти инструкции в порядке, оптимизирующем использование нескольких суперскалярных исполнительных модулей. Результирующее неупорядоченное выполнение инструкций может держать исполнительные блоки занятыми, даже если кэш пропадает, а другие зависящие от данных инструкции в противном случае могли бы сдерживать ситуацию.

Спекулятивное исполнение

Спекулятивное выполнение - это способность процессора выполнять инструкции до фактического счетчика программы. Блок обработки / выполнения процессора использует анализ потока данных для выполнения всех доступных инструкций в пуле команд и сохранения результатов во временных регистрах [5]. Модуль вывода затем выполняет поиск в пуле команд для выполненных инструкций, которые больше не зависят от данных для выполнения других команд или имеют неразрешенные прогнозы ветвления. Если найдены какие-либо такие завершенные инструкции, результаты сохраняются в памяти модулем вывода или соответствующей стандартной архитектурой Intel в том порядке, в котором они были выданы. Затем они удалились из бассейна.

Динамическое выполнение существенно устраняет ограничения и зависимость от линейной последовательности команд. Способствуя выполнению команд вне очереди, он может поддерживать работу блоков команд, а не ожидать данных из памяти. Даже если инструкции можно прогнозировать и выполнять не по порядку, результаты сохраняются в исходном порядке, чтобы не нарушать или не изменять ход программы. Это позволяет P6 запускать существующее программное обеспечение архитектуры Intel точно так же, как P5 (Pentium) и предыдущие процессоры - намного быстрее!

Двойная независимая архитектура шины

Архитектура Dual Independent Bus (DIB) впервые была реализована в процессорах шестого поколения от Intel и AMD. DIB был создан для улучшения пропускной способности и производительности процессорной шины. Наличие двух (двойных) независимых шин ввода-вывода данных позволяет процессору получать доступ к данным с любой из его шин одновременно и параллельно, а не единичным последовательным образом (как в системе с одной шиной). Основной (часто называемой лицевой стороной) процессорной шиной является интерфейс между процессором и материнской платой или набором микросхем. Вторая (задняя) шина в процессоре с DIB используется для кэша L2, что позволяет ему работать с гораздо большей скоростью, чем если бы он разделял шину основного процессора.

Архитектура DIB составляет две шины: шина кэш-памяти L2 и основная шина ЦП, часто называемая FSB (лицевая шина). Процессоры класса P6 от Pentium Pro до процессоров Celeron, Pentium II / III / 4 и Athlon / Duron могут использовать обе шины одновременно, что устраняет узкие места [10]. Архитектура с двумя шинами позволяет кэш-памяти второго уровня новых процессоров работать на полной скорости внутри процессорного ядра на независимой шине, оставляя основную шину процессора (FSB) для обработки обычных данных, поступающих в чип и из него. Два автобуса ходят на разных скоростях. Шина на передней панели или основная шина ЦП связана со скоростью материнской платы, а шина на задней стороне или кэш-память L2 связана со скоростью ядра процессора. По мере увеличения частоты процессоров увеличивается и скорость кэш-памяти L2.

Ключом к реализации DIB было перемещение кэш-памяти L2 с материнской платы в процессорный пакет. Кэш-память L1 всегда была прямой частью кристалла процессора, но L2 был больше и изначально должен был быть внешним. Перемещая кэш L2 в процессор, кэш L2 может работать на скоростях, более похожих на кэш L1, намного быстрее, чем материнская плата или процессорная шина.

DIB также позволяет системной шине выполнять несколько одновременных транзакций (вместо единичных последовательных транзакций), ускоряя поток информации в системе и повышая производительность. В целом, архитектура DIB обеспечивает пропускную способность в три раза выше, чем у процессора с одной шиной.

Технология Hyper-Threading

Компьютеры с двумя или более физическими процессорами уже давно имеют преимущество в производительности по сравнению с однопроцессорными компьютерами, когда операционная система поддерживает несколько процессоров, как в случае с Windows NT 4.0, 2000, XP Professional и Linux [10]. Однако двухпроцессорные материнские платы и системы всегда были дороже, чем сопоставимые в других отношениях однопроцессорные системы, и переход на двухпроцессорную систему до двухпроцессорного состояния может быть затруднен только с одним процессором из-за необходимости соответствовать процессорной скорости и технические характеристики. Однако технология Intel Hyper-Threading (HT) позволяет одному процессору обрабатывать два независимых набора инструкций одновременно. По сути, технология HT преобразует один физический процессор в два виртуальных процессора.

Изначально Intel представила технологию HT в линейке процессоров Xeon для серверов в марте 2002 года [12]. Технология HT позволяет многопроцессорным серверам работать так, как если бы у них было установлено в два раза больше процессоров. Технология HT была внедрена на процессорах класса рабочих станций Xeon с системной шиной 533 МГц, а затем нашла свое применение в процессорах ПК с процессором Pentium 4 3,06 ГГц в ноябре 2002 года. Технология HT также присутствует во всех процессорах Pentium 4 с частотой шины процессора 800 МГц (2,4–3,8 ГГц), а также Pentium 4 Extreme Edition и двухъядерный Pentium Extreme Edition. Тем не менее, двухъядерный Pentium D не включает в себя технологию HT.

Внутри процессор с поддержкой HT имеет два набора регистров общего назначения, регистров управления и других компонентов архитектуры, но оба логических процессора совместно используют один и тот же кэш, исполнительные блоки и шины. Во время операций каждый логический процессор обрабатывает один поток.

Хотя совместное использование некоторых компонентов процессора означает, что общая скорость системы с поддержкой HT не так высока, как у настоящей двухпроцессорной системы, увеличение скорости на 25% и более возможно при использовании нескольких приложений или одного многопоточного приложения. Выполняется.

Первым процессором с поддержкой HT был процессор Intel Pentium 4 3,06 ГГц. Все 3,06 ГГц и более быстрые модели Pentium 4 поддерживают технологию HT, также как и все процессоры 2,4 ГГц и выше, использующие шину 800 МГц [6]. Однако сам по себе процессор P4 с поддержкой HT не может принести в вашу систему преимущества технологии HT. Вам также необходимо следующее:

Двухъядерные технологии

HT Technology предназначена для моделирования двух процессоров в одном физическом устройстве. Благодаря правильно написанному программному обеспечению HT Technology может улучшить производительность приложений. К сожалению, многие приложения не поддерживают технологию HT и замедляются при включении технологии HT. Однако приложения не нужно переписывать, чтобы использовать преимущества нескольких процессоров или двухъядерных процессоров. Двухъядерный процессор, как следует из названия, содержит два ядра процессора в одном корпусе процессора. Двухъядерный процессор обеспечивает практически все преимущества многопроцессорного компьютера по цене ниже, чем два подходящих процессора.

Как AMD, так и Intel представили двухъядерные x86-совместимые настольные процессоры в 2005 году [12]. Новинка AMD - Athlon 64 X2 - может быть установлена на большинстве материнских плат Socket 939, предназначенных для оригинальных одноядерных процессоров Athlon 64 или Athlon 64 FX. В некоторых ситуациях может потребоваться обновление BIOS. AMD также представила двухъядерные версии рабочей станции и серверного процессора Opteron в 2005 году [12]. Первые двухъядерные процессоры Intel - Pentium Extreme Edition и Pentium D - используют тот же Socket 775, что и самые последние модели Pentium 4. Однако им требуются новые материнские платы, использующие наборы микросхем Intel 945 и 955 или сторонние наборы микросхем, которые поддерживают работу с двумя ядрами.

Глава 2. Назначение процессора

Центральный процессор является, пожалуй, самым важным компонентом любого вычислительного устройства. Это горстка инструкций. Это ядро вашего ПК, смартфона или планшета. и это не обязательно.

Сам ЦП является ключевым компонентом того, что делает компьютер компьютером, но это не сам компьютер - это просто мозг операции. Это небольшая компьютерная микросхема, которая установлена на основной плате (материнской плате) компьютера, будь то настольный ПК, ноутбук или планшет. Он отчетливо отделен от памяти, в которой хранится информация, и от графической карты или графического чипа, который обрабатывает весь рендеринг видео и 3D-графики на вашем мониторе или экране.

Процессоры строятся путем размещения миллиардов микроскопических транзисторов на одном компьютерном чипе. Эти транзисторы позволяют ему производить вычисления, необходимые для запуска программ, которые хранятся в памяти вашей системы.

Одно из наиболее распространенных достижений технологии ЦП заключается в уменьшении и уменьшении этих транзисторов [5]. Это привело к улучшению скорости процессора в течение десятилетий, часто называемых законом Мура.

В контексте современных устройств настольный компьютер или ноутбук будет иметь выделенный ЦП, который выполняет ряд функций обработки для системы. Мобильные устройства и некоторые планшеты вместо этого используют «Систему на чипе» (SoC), которая является чипом, который содержит свой ЦП наряду с другими компонентами. Как Intel, так и AMD предлагают процессоры с графическими чипами и памятью, хранящейся на них, что означает, что они могут выполнять больше, чем просто стандартные функции процессора [7].

По своей сути, CPU берет инструкции из программы или приложения и выполняет вычисления. Этот процесс можно разбить на три основных этапа: выборка, декодирование и выполнение. ЦП извлекает инструкцию из ОЗУ системы, затем декодирует, какой на самом деле является инструкция, до того, как она будет выполнена соответствующими частями ЦП.

Выполняемая инструкция или вычисление может включать основную арифметику, сравнивая определенные числа вместе или перемещая их в памяти. Поскольку все в компьютере представлено числами, такие простые задачи приравниваются к тому, что делает процессор. Это то, что облегчает все: от запуска Windows до просмотра видео на YouTube.

В современных системах ЦП не делает все, но ему все равно приходится снабжать специализированное оборудование теми номерами, которые необходимы им для выполнения своей работы. Нужно указать графической карте, чтобы он показывал этот взрыв, потому что вы нажали на этот топливный бак или извлекли содержимое документа Office из локальной памяти.

Два основных компонента процессора:

Блок управления - кр
Арифметико-логическая единица - АЛУ

Блок управления CU является частью CPU, которая помогает организовать выполнение инструкций [6]. Он говорит, что делать. Согласно инструкции, он помогает активировать провода, соединяющие ЦП с другими частями компьютера, включая АЛУ. Блок управления является первым компонентом ЦП, получившим инструкцию для обработки.

Существует два типа блоков управления:

Проводные блоки управления.
микропрограммируемые (микропрограммируемые) блоки управления.

Аппаратно-аппаратные блоки управления являются аппаратными средствами и нуждаются в смене аппаратных средств, чтобы добавить изменения в их работу, когда микропрограммируемый блок управления может быть запрограммирован для изменения его поведения. Проводные CU быстрее в обработке инструкции, а микропрограммируемые как более гибкие.

Арифметическая и логическая единица ALU, как следует из названия, выполняет все арифметические и логические вычисления. АЛУ выполняет операции, такие как сложение, вычитание. АЛУ состоит из логических схем или логических элементов, которые выполняют эти операции.

Большинство логических вентилей принимают два входа и выдают один выход.

Основная задача CPU - выполнять предоставленные ему инструкции [3]. Чтобы обрабатывать эти инструкции большую часть времени, нужны данные. Некоторые данные являются промежуточными, некоторые являются входными данными, а другие - выходными. Эти данные вместе с инструкциями хранятся в следующем хранилище:

Регистрация - это небольшой набор мест, где можно хранить данные [2]. Регистр представляет собой комбинацию защелок. Защелки, также известные как триггеры, представляют собой комбинации логических элементов, в которых хранится 1 бит информации.

Защелка имеет два входных провода, провод записи и ввода и один выходной провод. Мы можем активировать провод записи для внесения изменений в сохраненные данные. Когда провод записи отключен, выход всегда остается неизменным.

CPU имеет регистры для хранения данных вывода. Отправка в основную память (ОЗУ) будет медленной, поскольку это промежуточные данные. Эти данные отправляются в другой регистр, который подключен через шину. Регистр может хранить инструкции, выходные данные, адрес хранения или любые другие данные.

Ram - это набор регистров, упорядоченных и оптимизированных таким образом, что он может хранить большее количество данных [2]. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) является энергозависимым, и его данные теряются, когда мы выключаем питание. Поскольку ОЗУ представляет собой набор регистров для чтения / записи данных, ОЗУ принимает ввод 8-битного адреса, ввод данных для фактических данных, которые должны быть сохранены, и, наконец, активатор чтения и записи, который работает так же, как и для защелок.

Инструкция - это детальное вычисление уровня, которое может выполнить компьютер [2]. Существуют различные типы инструкций, которые процессор может обрабатывать.

Инструкции включают в себя:

Арифметика, такая как сложение и вычитание
Логические инструкции, такие как и, или, а не
Данные инструкции, такие как перемещение, ввод, вывод, загрузка и сохранение
Инструкции потока управления, такие как goto, если… goto, вызов и возврат
Уведомить ЦП о завершении программы

Инструкции предоставляются компьютеру на ассемблере, генерируются компилятором или интерпретируются на некоторых языках высокого уровня.

Эти инструкции встроены в процессор. ALU содержит арифметическое и логическое значение, в котором поток управления управляется CU.

За один такт компьютеры могут выполнять одну инструкцию, а современные компьютеры могут выполнять более одной.

Группа инструкций, которые может выполнять компьютер, называется набором инструкций.

Инструкции хранятся в оперативной памяти в последовательном порядке. Для гипотетического CPU инструкция состоит из кода OP (операционного кода) и адреса памяти или регистра.

В регистре команд блока управления (IR) есть два регистра, которые загружают код операции инструкции и регистр адреса инструкции, который загружает адрес текущей исполняемой команды. Внутри ЦП имеются другие регистры, в которых хранится значение, хранящееся в адресе последних 4 битов инструкции.

Mного оптимизаций било сделано, чтобы ЦП работал быстрее и как можно эффективнее. При написании любой программы нужно учитывать, как сокращение количества инструкций, которые мы предоставляем процессору, повысит производительность компьютерной программы.

Глава 3. Классификация процессоров

Традиционно дизайн и инновации компьютерных процессоров развивались чрезвычайно быстрыми темпами. Как следствие, рынок компьютерных процессоров огромен и часто вводит в заблуждение новичка. Однако изучение основных наборов функций и функций, которые отличают каждый процессор друг от друга, совсем не сложно.

Архитектура центрального процессора (ЦП) функционирует от «Архитектуры набора инструкций» до того места, где она была спроектирована. Архитектурный дизайн ЦП - это вычисление с использованием сокращенного набора команд (RISC) и вычисления с использованием комплексного набора команд (CISC) [16]. CISC способен выполнять многошаговые операции или режимы адресации в одном наборе команд. Это дизайн процессора, где одна инструкция работает несколько низкоуровневых действий. Например, память, загрузка из памяти и арифметическая операция. Вычисление сокращенного набора команд - это стратегия проектирования центрального процессора, основанная на видении, что базовый набор команд дает отличную производительность в сочетании с микропроцессорной архитектурой, которая способна выполнять инструкции, используя несколько циклов микропроцессора на команду. В этой статье обсуждается различие между архитектурой RISC и CISC. Аппаратная часть Intel названа «Компьютер со сложным набором инструкций» (CISC), а аппаратное обеспечение Apple - «Компьютер с сокращенным набором инструкций» (RISC).

CISC - это сокращение от компьютера с комплексными инструкциями [3]. Архитектура CISC пытается уменьшить количество инструкций, которые есть в программе, оптимизируя таким образом количество инструкций для каждой программы в приведенном выше уравнении. Это делается путем объединения множества простых инструкций в одну сложную.

В аналогии с собакой «Fetch» можно рассматривать как инструкцию CISC. Когда собака «подбирает» мяч, она фактически выполняет серию инструкций, которые включают: «Следуй за мячом», затем «Подними его», затем «Возвращайся к человеку» и, наконец, «Дай человеку мяч».

Очевидно, что дать собаке одну инструкцию «извлечь» легче и быстрее, чем дать ей четыре отдельных инструкции. И именно поэтому первоначальные производители процессоров, такие как Intel, разработали процессоры CISC.

Это уменьшает объем работы, которую должен выполнять компилятор, поскольку сами инструкции очень высокого уровня. Инструкции занимают очень мало памяти в ОЗУ, и большая часть работы выполняется аппаратными средствами при декодировании инструкций.

Так как в инструкции в стиле CISC, ЦП должен выполнять больше работы в одной инструкции, поэтому тактовые частоты немного ниже. Кроме того, число регистров общего назначения меньше, так как для декодирования команд необходимо использовать больше транзисторов.

С другой стороны, в компьютерах с уменьшенным набором команд или в архитектурах RISC имеется больше инструкций, но они уменьшают количество циклов, которые инструкция выполняет для выполнения. Как правило, одна инструкция в машине RISC займет всего один цикл ЦП [12]. Это может быть как «сидячая» инструкция, которую мы даем собаке.

Однако преимущество во времени не лишено недостатков. Поскольку RISC имеет более простые наборы инструкций, компилятор должен разбивать сложные инструкции высокого уровня на множество инструкций. Хотя инструкции просты и не нуждаются в сложных архитектурах для декодирования, работа компилятора состоит в том, чтобы разбить сложные высокоуровневые программы на множество простых инструкций.

Это создает большую нагрузку на программное обеспечение и разработчиков программного обеспечения, в то же время сокращая объем работы, которую необходимо выполнять аппаратному обеспечению.

Поскольку логика декодирования проста, требуемые транзисторы меньше, и большее количество регистров общего назначения может быть помещено в ЦПУ.

Однако в настоящее время границы между архитектурами RISC и CISC очень размыты, и в большинстве случаев это не важно. Устройства ARM, PIC и почти все производители смартфонов используют устройства RISC, поскольку они быстрее и требуют меньше ресурсов и энергии. Единственное полностью существующее устройство CISC - это, вероятно, серия Intel x86.

Заключение

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно - управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. [1]

На сегодняшний день трудно представить нашу жизнь без компютеров или других «умных» машин, а процессор является важнейшим компонентом роботы всех типов устройств, начиная с битовой техники, заканчивая ноутбуками и игрушками. Он отвечает за все функции и расчеты так или иначе связаннъе с работоспособностью прибора.

Форма, дизайн и реализация процессоров менялись в течение их истории, но их фундаментальная работа остается практически неизменной.

Несмотря на то, что технологии стермительно развиваются, но зная маханизм работы составляющих компонентов, можно с легкостью совладать и с оптимизацией машин, и с пользованием.

Список использованной литературы

Воройский Ф. С. Информатика. Энциклопедия словарь справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 768 с.
Гридина Е. А. Современный русский язык. Словообразование: теория, алгоритмы анализа, тренинг. Учебное пособие/ Т. А. Гридина, Н. И. Коновалова. – 2-е изд. – М.: Наука: Флинта, 2008. – 160 с.
Макарова, Информатика. Практикум по технологии работы на компьютере. - Под редакцией/ Макаровой,-Изд. 3-е, 2005.
Соболь Б. В. Информатика: учебник / Б. В. Соболь и др.-Изд. 3-е, допол. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 446 с.
Макарова Н.В., Николайчук Г.С., Титова Ю.Ф. Компьютерное делопроизводство. - СПб.: Издательский дом «Питер», 2002.
Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. Практикум по экономической информатике. - М.: Перспектива, 2000.
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.
Николай Алексеев. Кремниевая эволюция // ComputerBild : журнал. — 2011. — 10 октября (№ 22). — С. 80—85.
Каган Борис Моисеевич Электронные вычислительные машины и системы. Третье издание. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 590 с.
Сабуро Мурога Системное проектирование сверхбольших интегральных схем 1985.
bibliotekar.ru [Электронный ресурс]: ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
Частиков А.П. История компьютера. – М.: Информатика и образование. 1996.
Андреева Е., Фалина И. Информатика. Системы счисления и компьютерная арифметика. – М.: Лаборатория Базовых Знаний. 1999.
Вирт И. Алгоритмы и структуры данных. – Невский Диалект, 2008.
Непейвода Н. Н., Скопин И. Н. Основания программирования. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.
Вильям Столлингс Структурная организация и архитектура компьютерных систем - 5-е издание, 2002.