Процессор

Процессор

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Процессор состоит из десятков миллионов транзисторов, с по- мощью которых собраны отдельные логические схемы. Основные внутренние схемы процессора – арифметико-логическое устройство, внутренняя память (так называемые регистры), кэш-память (сверхоперативная память) и схемы управления всеми операциями и внешними шинами.

В настоящее время для ПК существует множество видов процессоров. Наибо- лее распространенными являются Intel-совместимые процессоры, которые исполь- зуются в IBM-совместимых ПК. Самыми производительными из них являются процессоры Intel Pentium IV и AMD Athlon.

Самыми высокопроизводительными процессорами (из массово производи- мых) являются процессоры Alpha фирмы Digital. На сегодняшний момент они ос- таются более производительными, чем Intel-совместимые. Процессоры Alpha ис- пользуются во многих мини-ЭВМ и суперкомпьютерах.

Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Set Computer - про- цессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором команд).

В CISC-процессорах для выполнения каждой команды используется своя мик- ропрограмма, состоящая из набора микрокоманд. Каждая микрокоманда реализо- вана на аппаратном уровне и выполняет какое-либо элементарное действие, необ- ходимое для реализации различных команд. Конкретная команда процессора кодируется набором микрокоманд, образующих микропрограмму. Таким обра- зом, программы формируются из команд процессора, а сами команды, в свою очередь, являются микропрограммами,

В RISC-процессорах каждая команда процессора реализована в виде отдель- ной схемы. Поэтому здесь каждая отдельная команда выполняется быстрее, но самих команд меньше, и для реализации некоторых действий, которые в CISC- процессорах выполняются одной командой, требуется несколько команд.

Традиционно в мэйнфреймах используются CISC-процессоры, а в мини- ЭВМ - RISC-процессоры. Процессоры Intel и совместимые с ними являются CISC-процессорами.

С середины 90-х годов грань между CISC и RISC-процессорами стирается, и на сегодняшний момент в процессорах Pentium IV используется много конструк- тивных решений, ранее характерных только для RISC-процессоров. В карманных компьютерах используются главным образом RISC-процессоры, поскольку они компактнее, значительно меньше нагреваются при работе и потому не требуют от- дельной системы охлаждения

Разъемы для установки процессора (одного или нескольких) различны для процессоров Pentium III, Celeron (Socket-370), Pentium IV (Socket-423, Socket- 478), AMD (Socket-462).

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессо- ров являются: разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внут- реннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может при- нять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Чем больше разрядов имеют все схемы процессора, тем больше информации он обработает за единицу времени, то есть от разрядности процессора напрямую зависит про- изводительность компьютера. Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную, но для совместимости с программами, разработанными для младших моделей, микропроцессоры содер- жали набор 16-разрядных команд. До сих пор процессоры Intel обеспечивают поддержку выполнения старых 16-разрядных программ. Для работы с такими программами микропроцессор переключается в специальный режим, в кото- ром он работает значительно медленнее. Процессоры Pentium уже поддерживали 64-разрядный обмен данными. Нынешние процессоры фирмы Intel уже частично 64- разрядные, т.е. имеют команды, рассчитанные на работу с 64-разрядными данны- ми. В настоящее время активно выпускаются полностью 64-разрядные процессоры Intel (Itanium, Itanium-2). Однако они дорогие и пока используются только в вы- сокопроизводительных серверах. Для использования их возможностей в обычных ПК пока нет соответствующих программ. Однако уже существует 64-разрядная версия Windows.

Кроме разрядности важную роль играет так называемая тактовая часто- та, на которую процессор рассчитан. Тактовая частота измеряется в мегагер- цах. Один мегагерц – это миллион тактов в секунду. За один такт процессор выполняет какой-то фрагмент вычислительной операции, поэтому чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор обрабатывает поступающие данные. В начале 2000 года тактовые частоты достигли 1 ГГц (1000 МГц). Сравните эту цифру со всего лишь 4.7 МГц у первых процессоров для IBM PC.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в про- цессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более, в результате чего и получается внутренняя частота. Многие про- цессоры имеют управляемый коэффициент умножения – его можно выбрать и установить при настройке компьютера с помощью перемычек материнской платы или программно. Но некоторые процессоры, например, такие как Intel Celeron, имеют «жесткие» коэффициенты умножения, управлять которыми нельзя.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри про- цессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы

«сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала об- ращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной па- мяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обра- щения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные про- цессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Использование кэш-памяти позволило значительно поднять производи- тельность компьютеров. Когда для 486-х процессоров впервые была применена технология кэширования, кэш-память располагалась на материнской плате как можно ближе к процессору. Сегодня кэш-память устанавливается «пирамидой». Самая быстрая по скорости, но самая малая по объему кэш-память первого уровня входит в состав кристалла процессора. Ее производят теми же техноло- гиями, что и регистры процессора, в результате она оказывается безумно доро- гой, но очень быстрой и, главное, надежной. Ее размер измеряется всего лишь десятками Кбайт, но она играет очень важную роль в быстродействии. Кэш- память второго уровня может располагаться на том же кристалле процессора (в этом случае она работает с частотой ядра процессора), но может распола- гаться и в отдельной микросхеме рядом с процессором (в этом случае она рабо- тает с половинной частотой ядра). Обычно объем кэш-памяти второго уровня измеряется сотнями Кбайт (128/256/512 Кбайт и т.д.). Самая большая, но и са-

мая медленная кэш-память третьего уровня. Она к процессору не относится, поскольку устанавливается на материнской плате и работает с ее частотой. Ее размеры могут достигать 1-2 Мбайт. Размер кэш-памяти первого и второго уровня очень сильно влияет на стоимость процессора. Процессоры одной моде- ли и с одной рабочей частотой могут различаться объемом кэш-памяти.

Различия между процессорами Pentium II-II1-IV и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти существенно больше. У процес- соров серии Хеоn, предназначенных для серверов, кэш-память еще больше. С каж- дым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается.

Технология изготовления процессоров. Чем меньше размеры процессора, тем он быстрее, потому что меньше расстояние между элементами и электроны проходят его быстрее. Поэтому все время идут работы по разработке технологий бо- лее плотного размещения элементов в процессорах. Одним из основных путей уменьшения размеров и соответственно увеличения плотности расположения эле- ментов в микросхеме процессора является уменьшение толщины проводников. В со- временных процессорах нормы толщины проводников снижены до 0,18 -0,13 мкм.

В настоящий момент в экспериментальных разработках фирмы IBM элемен- тарные микросхемы формируются в виде одной молекулы. Предполагается, что к 2005 г. изготовление процессоров, основанных на молекулярных микросхемах, бу- дет поставлено на индустриальную основу, и это произведет переворот в мик- роэлектронике.

Процессоры развиваются в соответствии с законом Мура, согласно которому производительность процессоров удваивается каждые полтора-два года. Закон соблюдается с 1965 г., но в последнее время все чаще утверждают, что производи- тельность процессоров стала возрастать быстрее.

Основные направления совершенствования процессоров:

•  уменьшение размеров и увеличение плотности элементов;

•  увеличение разрядности;

•  параллельное исполнение команд;

•  развитие системы команд;

•  оптимизация кэш-памяти.

Производительность массово выпускаемых в настоящее время процессоров для IBM PC примерно соответствует следующей схеме:

Celeron < AMD Duron < Pentium III < AMD Athlon || Pentium IV

Следует иметь в виду, что процессоры AMD и Intel требуют использования разных материнских плат, поскольку устанавливаются на нее через разъемы раз- ного типа.