Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (История развития)

Содержание:

Введение

В наши дни информационные технологии и электроника вошли и достаточно прочно закрепились в жизни общества по всему миру.

Количество сфер и отраслей производства, в которых применяются и эксплуатируются электронно-вычислительные машины (ЭВМ) с каждым годом постоянно увеличивается, оказывая большое влияние на развитие отдельного человека и общества в целом, так как в нынешних условиях область деятельности людей практически не обходится без использования компьютера вне зависимости от деятельности и прикладных задач.

По мере развития прогресса персональный компьютер наращивает вычислительные мощности, изменяются технические характеристики, показатели производительности и расширяется область применения. В основе устройства любого компьютера лежит обработка и преобразование информации: ЭВМ обрабатывает входные данные, хранит, выводит информацию и осуществляет обмен информацией с внешними объектами. Выделенные сервера, сетевое оборудование, персональные компьютеры, умные дома, планшеты, смартфоны, носимая электроника обрабатывают поток информации с помощью процессора - электронной микросхемы, исполняющей машинные инструкции.

Цель и актуальность данной работы состоит в определении основного назначения, архитектуры и классификации современных процессоров.

Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить историю развития;
• Выполнить анализ основных характеристик процессора;
• Рассмотреть архитектуру и назначение процессоров;
• Исследовать актуальные модели и производителей, рассмотреть их достоинства и характеристики.

1. История развития

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Первый процессор, реализованный в одной схеме, был выпущен 15 ноября 1971 года, процессор Intel 4004 с тактовой частотой 715кГц. Количество транзисторов — не более 3000, в то время, как в современных процессорах на конец 2019г количество транзисторов достигает 3,9 млрд. Первые однокристальные процессоры были изготовлены по технологии 10 мкм PMOS, память для программ: 4-8 Кбайт, быстродействие: 0,09 MIPS^[1]. Применялись в программируемых калькуляторах.

8 июня 1978 года появился 16-битный процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах. Быстродействие колеблется от 0,33 до 2,66 MIPS. Использовались в первых персональных компьютерах, терминалах, контроллерах, автоматизированной технике.

Первый 32-битный процессор Intel был представлен 1 января 1981 года. Впервые появился двухуровневый кэш. Применяются в различных ЭВМ, терминалах. 32-разрядные ЦП все еще достаточно широко распространены и в наши дни.

Первый 64-разрядный микропроцессор Intel выпустила в 2001 году (совместно с Hewlett-Packard), под названием Intel Itanium. В будущем, 32-битные процессоры будут полностью вытеснены 64-разрядными, как ранее 4, 8 и 16-битные микропроцессоры. Быстродействие современных процессоров составляет от 300 MIPS.

2. Понятие и основные характеристики современных процессоров

В настоящее время общее представление о том, что такое процессор имеет практически каждый человек.

Центральный процессор (Микропроцессор, ЦП, CPU) – транзисторная микросхема, важнейшая часть аппаратного обеспечения любого компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение необходимых арифметических операций (машинных инструкций), заданных программами, координирующая работу всех устройств компьютера. Во время выполнения процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером.

Большинство процессоров, используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и, блоков, как процессоры, выпускаемые компаний Intel. Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM, для мобильных устройств Qualcomm.

Первым процессором, предназначенным для массового использования, стал POWER4 содержащий два ядра, выполняющий команды архитектуры PowerPC на одном кристалле. Был выпущен компанией IBM в 2001 году.

2-ядерный IBM PowerPC-970MP (G5) был представлен в 2005 году и стал последним процессором семейства PowerPC. Эти CPU использовались в Power Mac G5 и в IBM IntelliStation POWER 185.

В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный для серверов.

В мае того же года Intel выпустила процессор Pentium D, который стал первым 2-ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров. Pentium D, созданный на основе архитектуры NetBurst, состоял из двух раздельных процессоров, помещенных на одну подложку, без каких либо общих элементов. Так как компания Intel отказалась от архитектуры NetBurst в конце 2005 года, развитие Pentium D не получил. Настоящий многоядерный процессор Core Duo на более экономичной архитектуре Core был выпущен компанией Intel в январе 2006 года.

Проанализировать и оценить вычислительную мощность и производительность персонального компьютера, можно зная характеристики процессора, что имеет большое значение.

По мере развития и повышения производительности процессоров наращивать тактовую частоту становилось все тяжелее, так как увеличивались требования к системе охлаждения процессоров^[2], что привело к необходимости растить процессоры в ширину, то есть добавлять ядра. На одном кристалле кремния располагается два и более вычислительных ядер, так возникло понятие многоядерности.

Смысл повышения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в том, что выполнение потоков разбивается на несколько ядер. В целом каждый процесс, запущенный в операционной системе, имеет несколько потоков или тредов. В диспетчере устройств отображение многоядерного процессора представлено на Рисунок 1 Многоядерный процессор в Диспетчере устройств.

Рисунок 1 Многоядерный процессор в Диспетчере устройств

Физически процессор может быть одноядерным, но при этом операционная система виртуально создает для себя большое количество потоков и выполняет их одновременно. Этот принцип реализует многозадачность Windows и других Операционных Систем, таких как mac OS, семейство Linux.

Особенно заметно увеличение скорости работы системы на нескольких ядрах при работе одновременно с несколькими приложениями. Наибольшую выгоду дополнительные ядра приносят в рабочих задачах, подверженных эффективному распараллеливанию. К ним относятся, например, архивация файлов, обработка графики, кодирование аудио/видео, моделирование.

Как пример можно привести HandBrake ^[3]– это программа, которая конвертирует видео в различные форматы. Во время ее работы один поток будет кодировать видео, другой – аудио.

При этом если процессор одноядерный, но имеет виртуальное ядро и два потока выполняются одновременно, то нужно визуально нужно создать эту одновременность выполнения. Действия операционной системы: она мгновенно переключается между выполнением потоков. Таким образом, система сначала выполняет одно действие, затем другое и так по очереди. Следует отметить, что производительность при этом снижается.

В случае если процессор многоядерный такого переключения не будет. Система начнет направлять каждый поток на отдельное ядро, это позволит избавиться от переключения с потока на поток, тем самым повысится производительность. Принцип многоядерности и многопоточности заключается в том, что потоки могут выполняться одновременно, без потери производительности и времени. К сожалению не все программы оптимизированы на поддержку многоядерности. Несмотря на это разработчиками создаются множество программ, с оптимизированным кодом, совместимых с многоядерными процессорами.

Утилита CPU-Z ^[4]показывает наиболее полную информацию о CPU: имя, сокет, размер кэш памяти, ядро процессора, инструкции, частоту ядра и шины. Дополнительно показывает информацию о материнской плате.

Внешний вид программы приведен на Рисунок 2 Утилита CPU-Z.

Рисунок 2 Утилита CPU-Z

2.1. Технологический процесс в современных процессорах

Техпроцесс становится довольно важным параметром при выборе процессора, так как именно он влияет на увеличение производительности, за счет конструктивных изменений. Техпроцесс представляет собой общее понятие для центральных и графических процессоров, которые используются в видеокартах.

Основным элементом в процессорах является транзистор - главный компонент в любой электрической схеме. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжение источника питания, что позволяет логическим схемам работать в двух состояниях - включен и выключен (двоичной системе). Двоичная система используется в компьютерах потому, что числа в ней легко кодировать напряжением: есть напряжение — значит, единица; нет напряжения — значит, ноль. Кроме того, «ноль» и «один» легко можно понимать, как «ложно» и «истинно».

Основа производительности процессора заключается в транзисторах, соответственно, чем меньше их размер, тем большее их количество поместится на кристалле процессора.

Самый первый транзистор, изготовленный учеными Bell Labs в 1947 году, по размеру был как человеческая ладонь, а 45-нм транзистор от Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека, благодаря усовершенствованию размеров транзисторов в современных процессорах их количество уже давно переходит за 2 млрд. На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32нм и меньше. Ключевые технические отличия от технологии 45нм:

— используется 9 уровней металлизации;

— применяется диэлектрик нового поколения.

2.2. Частота процессора

Частота – это количество синхронизирующих импульсов в секунду.

При рассмотрении характеристик процессоров тактовая частота особенно выделяется. В настоящий момент повышение тактовой частоты не развивается высокими темпами, как это было раньше. Чаще всего разработки проходят с целью усовершенствования архитектуры, кэш-памяти, увеличению ядер и тому подобного.

Количество вычислений, производимых процессором в единицу времени, именно то, что характеризует частота, отсюда, чем больше операций процессор выполняет при большей тактовой частоте.

Тактовая частота современных процессоров составляет 1,5-4ГГц. Она определяется умножением внешней (базовой) частоты, на определённый коэффициент.

В настоящее время одноядерные процессоры стремительно исчезают с рынков, ведь технологии находятся в постоянном развитии. В связи с этим нужно иметь конкретное представление о процессе расчета частоты процессоров с двумя и более ядрами.

Суммарную частоту процессора нельзя понимать, как количество ядер, умноженное на указанную частоту, т.к. это является распространенным заблуждением в расчетах тактовой частоты. Суть производительности многоядерных процессоров сводится к тому, что вычислительный процесс разбит на параллельные потоки, которые могут быть выполнены в одно и то же время различными ядрами процессора. У Intel параллельные потоки или многопоточность называется Hyper-Threading^[5].

Существует пример: «Если представить четыре ручья шириной и глубиной в один метр, скорость течения воды, в каждом из которых составляет 3 м/сек, понятно, что скорость четырех ручьев не будет составлять 12 м/сек, а вот суммарная производительность всех четырех ручьев составит 12 куб. м. за секунду. То же самое можно отметить и в процессорах, при этом скорость потока воды – это тактовая частота, которая не умножается и не суммируется при увеличении количества ядер». Частота процессора от количества ядер не изменяется, возрастает производительность.

3. Обработка и основные виды прерываний

Прерывание – сигнал от программного или аппаратного обеспечения процессору о наступлении высокоприоритетного события, требующего прерывания выполняемого кода процессором в текущий момент. Ответ на это – приостановка активности процессором, при этом он сохраняет текущее состояние и выполняет функцию, называемую обработчиком прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код. Прерывание является принудительной сменой управления от выполняемой программы к системе.

Цель введения прерываний заключается в установлении асинхронного режима работы и реализации параллельной работы отдельных устройств ЭВМ.

Для реализации механизм прерываний должен поддерживаться аппаратными средствами компьютера и программными средствами операционной системы. Для упорядочивания процессов обработки прерываний источники прерываний делятся по приоритетным уровням. Для сигнала прерывания нужна шина. [5, с. 225]

В процессорах второго поколения были добавлены новые команды и была реализована система прерывания. В первую очередь они служили программными устройствами управления объектами. Причиной их возникновения послужило несколько факторов: во-первых, разработчики стремились свести бездействие машины при возникновении внештатных ситуаций в процессоре к минимуму. Во-вторых, разработчиков интересовала загрузка процессора полезной для него работой, т.е. намерение добавить фоновую работу.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

1. асинхронные, или внешние (аппаратные) — события, которые исходят от внешних аппаратных устройств (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент:

− сигнал от таймера;

− сигнал сетевой карты дискового накопителя;

− нажатие клавиш клавиатуры;

− движение мыши.

Факт возникновения в системе такого прерывания трактуется как запрос на прерывание - устройства сообщают, что они требуют внимания со стороны ОС;

1. синхронные, или внутренние — события, возникающие в процессоре как результат нарушения различных условий при исполнении машинного кода:

− деление на ноль;

− переполнение стека;

− обращение к недопустимым адресам памяти;

− недопустимый код операции.

1. программные — инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания, как правило, используются для:

− обращения к функциям встроенного программного обеспечения;

− драйверам;

− операционной системе.

Существует определенная команда прерывания, по которой они происходят, при этом микропроцессор производит те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Механизм функционирует с тем, чтобы переключение на системные программные модули происходило не как переход в подпрограмму, а как обыденное прерывание. Благодаря этому происходит автоматическое переключение микропроцессора с возможностью выполнения всех команд.

Прерывания, происходящие в процессоре, вызваны сигналами, которые сформированы либо внутри самого процессора, либо вне его. Иногда они возникают одновременно, и выбор одного из сигналов осуществляется с опорой на приоритеты, установленных для каждого из них. Очевидно, что прерывания, исходящие от схем контроля процессора, будут иметь наивысший приоритет. Программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.

Обычно приоритеты обслуживаются как:

− относительные. Такое обслуживание прерываний означает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то это прерывание будет обработано только после завершения текущей процедуры обработки прерывания.

− абсолютные. Это обслуживание прерываний подразумевает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то текущая процедура обработки прерывания вытесняется, и процессор начинает выполнять обработку вновь поступившего более приоритетного прерывания. После завершения этой процедуры процессор возвращается к выполнению вытесненной процедуры обработки прерывания.

− по принципу стека. Запросы с более низким приоритетом могут нарушить обработку прерывания с более высоким приоритетом.

Кроме этого, процессор может иметь средства защиты от прерываний, к ним относятся:

− отключение системы прерываний;

− маскирование (запрет) некоторых типов прерываний.

В свою очередь ОС следит за ходом выполнения задач и управляет:

− предоставлением ресурсов;

− реакцией на прерывания;

− динамикой выполнения задач;

− организацией обмена информацией.

Причины, по которым возникают прерывания в ОС, определяет супервизор прерываний, он осуществляет действия, которые важны при каком-либо прерывании и в конкретный момент времени.

Он выполняет такие функции:

− сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие суть прерванной задачи;

− определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;

− устанавливает необходимый режим обработки пребывания;

− передает управление подпрограмме обработки прерывания.

Наконец, уже диспетчер задач, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор.

Для прямого возврата достаточно сохранить адрес в стеке, что и делает аппаратура процессора. При этом стек обеспечивает возможность возврата в случае вложенных прерываний.

Впрочем, если бы контекст сохранялся просто в стеке, а не в дескрипторах задач, то возможность подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессор после завершения работы подпрограммы обработки прерывания отсутствовала бы. Очевидно, что это является общим принципом, ведь в конкретных процессорах и в конкретных ОС могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы.

4. Архитектура и назначение процессора

Изначально улучшение процессоров было ориентировано на то, чтобы создать наиболее функциональный PC, который позволил бы выполнять много различных инструкций. Это было выгодно, но и к тому же их использование зачастую позволяло сильно сократить размер написанной на ассемблере программы. Уменьшение инструкций способствовало тому, что можно было тратить значительно меньше времени на исполнение программы.

Существуют процессоры различных архитектур, в соответствии с составом системы команд различают:

− CISC (англ. Complex Instruction Set Computing – компьютер с полным набором команд). У данной концепции проектирования процессоров существует ряд характеристик, к ним относятся:

− большое количество разных команд, которые различаются как по длине, так и формату;

− разнообразные режимы адресации;

− сложная кодировка инструкций.

Такой процессор работает со сложными инструкциями разной длины. Выполнение одиночной инструкции может осуществляться быстро, но обработать множество инструкций в одно время сложнее. Основной недостаток CISC-архитектуры в сравнении с RISC — более сложный подход к распараллеливанию вычислений.

Для повышения быстродействия обычно увеличивают тактовую частоту и степень интеграции, это вызывает необходимость совершенствования технологии, что в свою очередь влечет более дорогое производство.

− RISC (Reduced Instruction Set Computing − компьютер с набором коротких (быстрых) команд). В таком процессоре система команд достаточно проста, в ней все команды одинакового формата, у них несложная кодировка. Команда, которая поступает в CPU, уже разделена по полям и не нуждается повторной дешифрации. Первые RISC-процессоры не имели инструкций умножения и деления.

Дополнительные компоненты имеют возможность включаться, т.к. кристалл освобождается для этого. Снизить тактовую частоту можно, если высоко быстродействие, при этом команда становится дешевле и не загромождает ОЗУ. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна.

В связи с тем, что такие инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, это снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения написана для CISC-процессоров. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы.

− MISC (Multipurpose lnstruction Set Computer). Здесь база состоит из двух частей, они могут быть объединены, либо находиться в разных корпусах. Основная часть – RISC CPU, при подключении еще одной части – ПЗУ система приобретает свойства CISC. Эти две части дополняют друг друга и поскольку микропрограмма уже дешифрована, то времени выборки из ОЗУ на нее не требуется.

Одним из факторов, повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти и ее объем, скорость доступа и распределение по уровням. L1, L2 и L3.

Кэш-память – сверхбыстрая память, используемая процессором, для временного хранения наиболее часто используемых данных, построена на триггерах, которые, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах.

Отсюда высокая стоимость кэш памяти, несмотря на ее малый объем, она является очень дорогой, но из этого следует основное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры. [2, с. 46]

Размещена кэш-память на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, она размещалась за пределами кристалла, на специальной микросхеме SRAM где-то на материнской плате.

Главное назначение кэш-памяти – хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, он дает значительный прирост производительности.

Если есть какие-то данные в кэш-памяти, к которым вероятнее всего последует повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих.

Современные процессоры персональных компьютеров, оснащены кэшем, который состоит чаще всего из двух или трех уровней. Существуют такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень).

L1 Cache (кэш память первого уровня) – это самый быстрый тип кэша в процессоре, который содержит данные наиболее часто используемые процессором и работает без задержек. Обычно количество микросхем памяти уровня L1 равно количеству ядер процессора, при этом каждое ядро получает доступ только к своей микросхеме L1. Его объем несколько десятков килобайт.

L2 Cache (кэш память второго уровня) – медленнее, по сравнению с L1, но больше по размеру. Его объем может быть от 256 килобайт до восьми мегабайт. В большинстве современных процессоров кэш L1 и L2 присутствуют на самих ядрах процессора.

L3 Cache (кэш память третьего уровня) – самый большой и самый медленный кэш, но выше скорости оперативной памяти. Его объем может быть от 4 до 50 мегабайт. В современных CPU на кристалле выделяется отдельное место под кэш L3, .

Рисунок 3 Многоуровневый кэш настольного процессора^[6]

Главным препятствием высокой скорости выполнения команд является необходимость их загрузки из оперативной памяти, решением этой проблемы стала концепция конвейера — способ организации вычислений, используемый в процессорах и контроллерах с целью ускорения выполнения инструкций и повышения тем самым производительности.

Суть состоит в одновременном выполнении нескольких инструкций процессора. Сложные инструкции процессора представляются в виде последовательности более простых стадий. Вместо выполнения инструкций последовательно, следующая инструкция может выполняться через несколько стадий выполнения после первой инструкции. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

На Рисунок 4 пятиуровневый конвейер в RISC-процессорахпоказан простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах.

Описание конвейера:

− WB (англ. Register write back) — запись в регистр;

− MEM (англ. Memory access) — доступ к памяти;

− EX (англ. Execute) — выполнение;

− ID (англ. Instruction Decode) — раскодирование инструкции;

− IF (англ. Instruction Fetch) — получение инструкции.

Рисунок 4 пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах

Вертикальная ось — последовательные независимые инструкции, горизонтальная — время. Выделенная колонка описывает состояние процессора в один момент времени, в ней самая ранняя, верхняя инструкция уже находится в состоянии записи в регистр, а самая последняя, нижняя инструкция — только в процессе чтения.

Наряду с конвейерами существует и бесконвейерная архитектура, она менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных модулей процессора. Конвейер не убирает полностью время простоя модулей в процессорах как таковое и не уменьшает время выполнения каждой конкретной инструкции, но заставляет модули процессора работать параллельно над разными инструкциями, увеличивая тем самым количество инструкций, выполняемых за единицу времени, а значит, и общую производительность программ.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее, обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.

Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере, где обработка инструкции представлена пятью стадиями, для обеспечения полной загрузки, в то время, пока заканчивается обработка первой инструкции, должно обрабатываться параллельно ещё четыре последовательных независимых инструкции. [1, с. 108]

Существует ряд приёмов, таких, как форвардинг, значительно снижающих необходимость приостанавливать в таких случаях часть конвейера. Однако зависимость между инструкциями, одновременно обрабатываемыми процессором, не позволяет добиться увеличения производительности кратно количеству стадий конвейера в сравнении с бесконвейерным процессором.

К преимуществам можно отнести следующее:

− Уменьшение времени цикла процессора, при этом увеличение скорости обработки инструкций в большинстве случаев.

− Путем увеличения количества логических элементов некоторые комбинационные логические элементы могут быть ускорены. Использование конвейера может предотвратить ненужное наращивание количества элементов.

Из недостатков выделяют:

− Бесконвейерный процессор исполняет одну инструкцию за раз. Схема процессора проще и дешевле для производства.

− Задержка инструкций в бесконвейерном процессоре ниже, чем в конвейерном, так как в конвейерный процессор должны быть добавлены дополнительные триггеры.

− У бесконвейерного процессора стабильна скорость обработки поступающих инструкций. Производительность конвейерного процессора предсказать намного сложнее, и она может различаться в разных программах.

Основное назначение процессора заключается в:

• Выполнении арифметических и логических операций
• Координации работы всех устройств
• Управлении вычислительным процессом

5. Классификация современных процессоров

5.1. Линейка процессоров Intel

Компания Intel занимает ведущее положение на рынке. Большинство современных компьютеров собираются на чипах именно этой компании. В данном разделе будут проанализированы процессоры последних поколений.

Первые поколения процессоров этой компании были подчинены двухлетнему циклу. Такая стратегия делилась на два этапа. Первый этап заключался в переводе процессора на новый технологический процесс. Второй этап в свою очередь подразумевал коренное изменение архитектуры полупроводниковых кристаллов и значительное увеличение производительности.

Как пример можно привести следующее:

− 1-ое поколение «West Merre» и 2-ое поколение «Sandy Bridge». В данном случае техпроцесс был одинаков, но подверглась изменениям архитектура. Северный мост материнской платы и встроенный графический усилитель были перенесены на центральный процессор.

− 4-е поколение «Haswell» и 3-е поколение «Ivy Bridge». Был оптимизирован уровень энергопотребления процессора, а также повышены тактовые частоты чипов.

− 6-ое поколение «Skylake» и 5-ое поколение «Broadwell»: были повышены тактовые частоты, улучшен уровень энергопотребления и добавлено несколько новых инструкций, улучшающих быстродействие.

Процессоры от компании Intel позиционируются как:

− Celeron – самые доступные решения. Подходят для решения простых задач, использования в офисных компьютерах.

− Pentium – в архитектурном плане практически полностью идентичны процессорам Celeron, но у Pentium более высокие частоты и увеличенный кэш третьего уровня, что дает им особое преимущество в производительности.

− Core i3 – занимают средний сегмент от компании Intel. Два предыдущих типа процессоров, имеют два вычислительных блока. То же можно сказать про Core i3. Однако для двух первых семейств чипов отсутствует поддержка технологии Hyper-threading^[7] (HT, гиперпоточность). У процессоров Core i3 она имеется. Таким образом, на программном уровне два физических модуля могут быть преобразованы в четыре потока обработки программы. Это позволяет обеспечить существенное увеличение уровня быстродействия. На основе таких продуктов можно собрать собственный игровой персональный компьютер среднего уровня, сервер начального уровня или даже графическую станцию.

− Core i5 – занимают нишу решений выше среднего уровня, но ниже премиального сегмента. Данные полупроводниковые кристаллы могут похвастаться наличием сразу четырех физических ядер. Данная архитектурная особенность обеспечивает им преимущество в плане производительности. Более свежее поколение процессоров Corei5 обладает высокими тактовыми частотами, что позволяет постоянно получать прирост производительности.

− Core i7 – занимают нишу премиум-сегмента. В них количество вычислительных блоков такое же, как и в Corei5. Однако у них, так же, как и у Corei3 имеется поддержка технологии Hyper-threading. По этой причине четыре ядра на программном уровне преобразуются в восемь обрабатываемых потоков. Именно эта особенность позволяет обеспечить феноменальный уровень производительности, которым может похвастаться любой персональный компьютер, собранный на основе Intel Corei7. Данные чипы имеют соответствующую стоимость.

− Core i9 – модельный ряд был представлен в мае 2017 г. как решение для высокопроизводительных ПК, семейство процессоров с архитектурой X86-64. Линейка разработана на основе микроархитектуры Skylake. Чипы в 1.5-2 раза дороже i7, в настоящее время самый быстрый процессор для персональных компьютеров, имеет от десяти до восемнадцати ядер.

5.2. Линейка процессоров AMD

Большинство процессоров AMD базируются на основе архитектуры К10.5. Она имеет следующие характеристики:

− техпроцесс — 45 нм SOI;

− площадь ядра — 243 мм2;

− количество транзисторов — около 705 млн;

− напряжение — 0,875-1,5 В;

− Socket-АМЗ (941 pin).

Несмотря на это, в линейку AMD входит несколько совершенно разных по позиционированию и характеристикам семейств, и разобраться в этом изобилии не так и просто.

В отличие от уже рассмотренной линейки Intel (Core i9, i7, i5, i3, Pentium), в процессорах AMD выделяется всего два семейства (не считая Operton) — Phenom II и Athlon II. В феврале 2017 было представлено семейство Ryzen.

По сравнению с Intel, сменившей за последние годы сразу несколько архитектур и почти десяток ядер, модельный ряд AMD более стабилен: в основе процессоров AMD лежит одна и та же архитектура К10.

Последней линейкой процессоров с данной архитектурой стало семейство Phenom II. Главное отличие новых процессоров Phenom II от Phenom состоит в том, что они выполнены по 45-нанометровому техпроцессу с применением технологии SOI, в то время как процессоры семейства Phenom выполняются по 65-нанометровому техпроцессу.

Точно так же, как и модели семейства AMD Phenom Х4, они представляют собой четырехъядерные процессоры, то есть с четырмя ядрами на кристалле. Каждое ядро процессора Phenom II Х4 имеет выделенный кэш L2 размером 512 Кбайт и разделяемый между всеми ядрами кэш L3 размером 6 Мбайт.

Процессоры AMD Phenom II Х4, как и AMD Phenom Х4, совместимы с разъемами Socket АМ2+ и поддерживают шину HyperTransport 3.0.

Процессоры семейства Phenom II Х4 имеют интегрированный двухканальный контроллер памяти DDR2 и поддерживают память DDR2-667/800/1066.

Среди новшеств в процессорах AMD Phenom II Х4 можно также отметить усовершенствованную технологию Cool'n'Quiet 3.0. Она объединяет в себе ряд функций, позволяющих снизить энергопотребление процессора в те моменты, когда он недозагружен, а также предотвратить перегрев процессора.

При анонсе нового процессора семейства Phenom II Х4 компания AMD указывала также и на другие преимущества по сравнению с предыдущим семейством. А именно, отмечалось, что новые процессоры способны выполнять больше инструкций за такт.

Семейство процессоров AMD Phenom II в настоящее время включает две модификации — трехъядерные процессоры и четырехъядерные. Большая часть последних построена на хорошо отлаженном ядре Agena. Однако новые модели высшей ценовой категории построены на основе усовершенствованного ядра Deneb, потребляющего значительно меньше мощности при увеличенном кэше третьего уровня. Ядро Deneb (Shanghai) представляет собой 45-нанометровый процессор поколения К10.5. Оно отличается увеличенным кэшем L3, а также незначительной оптимизацией архитектуры.

Параллельно с Phenom II AMD поддерживает еще одну линейку процессоров на основе архитектуры AMD К10 — Athlon II. Можно сказать, что она заменила линейку Sempron. В отличие от Phenom, эти процессоры лишены кэша L3, однако в качестве компенсации оснащены кэшем L2 удвоенного объема. Кроме того, серия Athlon II обладает значительно меньшим тепловыделением по сравнению с Phenom II.

Тесты показывают, что на одинаковой частоте и с одинаковым количеством ядер процессоры Athlon II отстают от своих коллег Phenom II не более чем на 10 %, а в ряде случаев оказываются наравне с ними. Учитывая более чем 50-процентную разницу в цене и отличный потенциал для разгона, эти модели можно рекомендовать экономным пользователям, которые хотят, чтобы цена соответствовала качеству.

6. Intel и AMD

Подведя итоги, можно сделать вывод, что начальные в линейке процессоры компании Intel и AMD, в той или иной степени могут справиться со всем спектром задач, от рабочих до развлекательных. Производительность современных процессоров в большинстве случаев определяется программным обеспечением, которое способно загрузить все ядра.

Постоянная конкуренция между Intel и AMD не позволяет развить монополию, производители вынуждены инвестировать деньги в разработку новых технологий и увеличивать мощность в процессорах новых поколений.

Заключение

На общую производительность системы влияет большое количество различных факторов. Внедрение и широкое распространение средств вычислительной техники является одним из главных факторов ускорения научно-технического прогресса во всем мире. В настоящее время мы не можем представить себе жизнь без использования технологий, ведь они в значительной мере облегчают нам жизнь, экономят наше время, позволяя выполнить больше работы в сжатые сроки. Отсюда можно сделать вывод о том, что роль компьютеров в деятельности общества очень велика и с каждым годом она возрастает. Большинство предприятий не смогут работать без быстродействующих ЭВМ, а этот фактор зависит от быстродействия процессора. Параметры современных процессоров с высокой тактовой частотой, большим количеством ядер и объемом кэш-памяти современной архитектуры имеют разное значение для разных типов задач.

Темпы научно-технического прогресса, усиление роли науки в значительной степени определяются качеством средств вычислительной техники и их программным обеспечением.

При выборе компьютера нужно руководствоваться многими факторами, не только ценой, наименованием производителя и рекламой, для того, чтобы сделать верный выбор, важно иметь пускай и поверхностные, но все-таки знания об архитектуре компьютера, его возможностях. Благодаря им задача выбора оптимально подходящего компьютера станет достижимой.

В данной работе были рассмотрены многие характеристики процессора, приведены сравнительные аналогии развития различных семейств процессоров, было проведено исследование об архитектуре процессоров, их сущности. Именно со знанием того, как устроены элементы компьютера, пользователи смогут подобрать именно тот, что подходит для их работы или учебы.

На основе всех этих факторов можно сделать вывод о том, что поставленная в начале работы цель была полностью реализована.

Список использованной литературы

Новейшая энциклопедия персонального компьютера, В. П Леонтьев (2016, 859c.)

Современные операционные системы, Таненбаум Э. (Питер, 2015, 1120с.)

Цифровая схемотехника и архитектура компьютера, Харрис Дэвид. М. (ДМК Пресс 2018, 794с.)

Основы современной информатики, Кудинов Ю.И., Пащенко Ф.Ф. (2018, 256с.)

Архитектура Компьютера, Таненбаум Э., Остин Т. (Питер; 2013, 224с.)

Организация ЭВМ и систем, Орлов С.А. (Питер; 2018, 688c.)

Информатика. Базовый курс, Борисов Р.С. (2015, 304c.)

Операционные системы, среды и оболочки, Кобылянский В. Г. (2018, 82c.)

Внутреннее устройство Microsoft Windows, Руссинович М. (Питер, 2018, 944c.)

AMD DataBook, URL: https://www.amd.com/system/files/TechDocs/47991.pdf (Дата обращения 23.12.19)

Intel Datasheet, URL: https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/2nd-gen-core-desktop-vol-1-datasheet.pdf (Дата обращения 24.12.19)

Информационная архитектура, Морвиль П. (OREILLY, 2017, 534с.)

Архитектура процессоров, URL: https://ru.wikiversity.org/ (Дата обращения 29.12.19)

1. Скорость работы процессора, обычно выражаемая в миллионах операций в секунду (millions of INsTRuctions per second - MIPS ), привязана к его тактовой частоте. ↑

2. Конструктивные требования по теплоотводу, требования по теплоотводу (англ. thermal design power, TDP ↑

3. HandBrake is a tool for converting video https://handbrake.fr ↑

4. https://www.cpuid.com/softwares/cpu-z.html ↑

5. https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/architecture-and-technology/hyper-threading/hyper-threading-technology.html ↑

6. https://software.intel.com/en-us/articles/opencl-device-fission-for-cpu-performance-0 ↑

7. https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/architecture-and-technology/hyper-threading/hyper-threading-technology.html ↑