Что такое архитектура процессора. Процессор. архитектуры процессоров

Вопрос: Архитектура процессора - что это?
Ответ : Термин "архитектура процессора" в настоящее время не имеет однозначного толкования. С точки зрения программистов, под архитектурой процессора подразумевается его способность исполнять определенный набор машинных кодов. Большинство современных десктопных CPU относятся к семейству x86, или Intel-совместимых процессоров архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). Ее основа была заложена компанией Intel в процессоре i80386, однако в последующих поколениях процессоров она была дополнена и расширена как самой Intel (введены новые наборы команд MMX, SSE, SSE2 и SSE3), так и сторонними производителями (наборы команд EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow!, разработанные компанией AMD). Однако разработчики компьютерного железа вкладывают в понятие "архитектура процессора" (иногда, чтобы окончательно не запутаться, используется термин "микроархитектура") несколько иной смысл. С их точки зрения, архитектура процессора отражает основные принципы внутренней организации конкретных семейств процессоров. Например, архитектура процессоров Intel Pentium обозначалась как Р5, процессоров Pentium II и Pentium III - Р6, а популярные в недавнем прошлом Pentium 4 относились к архитектуре NetBurst. После того, как компания Intel закрыла архитектуру Р5 для сторонних производителей, ее основной конкурент - компания AMD была вынуждена разработать собственную архитектуру - К7 для процессоров Athlon и Athlon XP, и К8 для Athlon 64.

Вопрос: Какие процессоры лучше, 64-битные или 32-битные? И почему?
Ответ : Достаточно удачное 64-битное расширение классической 32-битной архитектуры IA32 было предложено в 2002 году компанией AMD (первоначально называлось x86-64, сейчас - AMD64) в процессорах семейства К8. Спустя некоторое время компанией Intel было предложено собственное обозначение - EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Но, независимо от названия, суть новой архитектуры одна и та же: разрядность основных внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Кроме того, за счет расширения разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти существенно увеличился.

И... все. Так что те, кто ожидает от 64-битных CPU сколь-нибудь существенного прироста производительности, будут разочарованы - их производительность в подавляющем большинстве современных приложений (которые в массе своей заточены под IA32 и вряд ли в обозримом будущем будут перекомпилированы под AMD64/EM64T) практически та же, что и у старых добрых 32-битных процессоров. Весь потенциал 64-битной архитектуры может раскрыться лишь в отдаленном будущем, когда в массовых количествах появятся (а может, и не появятся) приложения, оптимизированные под новую архитектуру. В любом случае, наиболее эффективен переход на 64-бита будет для программ, работающих с базами данных, программ класса CAD/CAE, а также программ для работы с цифровым контентом.

Вопрос: Что такое процессорное ядро?
Ответ : В рамках одной и той же архитектуры различные процессоры могут достаточно сильно отличаться друг от друга. И различия эти воплощаются в разнообразных процессорных ядрах, обладающих определенным набором строго обусловленных характеристик. Чаще всего эти отличия воплощаются в различных частотах системной шины (FSB), размерах кэша второго уровня, поддержке тех или иных новых систем команд или технологических процессах, по которым изготавливаются процессоры. Нередко смена ядра в одном и том же семействе процессоров влечет за собой замену процессорного разъема, из чего вытекают вопросы дальнейшей совместимости материнских плат. Однако в процессе совершенствования ядра, производителям приходится вносить в него незначительные изменения, которые не могут претендовать на "имя собственное". Такие изменения называются ревизиями ядра и, чаще всего, обозначаются цифробуквенными комбинациями. Однако в новых ревизиях одного и того же ядра могут встречаться достаточно заметные нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии.

Вопрос: В чем заключается преимущество двухъядерных процессоров перед одноядерными?
Ответ : Самым значимым событием 2005 года стало появление двухъядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные CPU практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты. Камнем преткновения стало не только слишком высокое тепловыделение процессоров, работающих на высоких частотах, но и проблемы с их стабильностью. Так что экстенсивный путь развития процессоров на ближайшие годы был заказан, и их производителям волей-неволей пришлось осваивать новый, интенсивный путь повышения производительности продукции. Самой расторопной на рынке десктопных CPU, как всегда, оказалась Intel, первой анонсировавшая двухъядерные процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Впрочем, AMD с Athlon64 X2 отстала от конкурента буквально на считанные дни. Несомненным достоинством двухъядерников первого поколения, к которым относятся вышеназванные процессоры, является их полная совместимость с существующими системными платами (естественно, достаточно современными, на которых придется только обновить BIOS). Второе поколение двухъядерных процессоров, в частности, Intel Core 2 Duo, "требует" специально разработанных для них чипсетов и со старыми материнскими платами не работает.

Не следует забывать, что, на сегодняшний день для работы с двухъядерными процессорами более или менее оптимизировано в основном только профессиональное ПО (включая работу c графикой, аудио- и видео данными), тогда как для офисного или домашнего пользователя второе процессорное ядро иногда приносит пользу, но гораздо чаще является мертвым грузом. Польза от двухъядерных процессоров в этом случае видна невооруженным взглядом только тогда, когда на компьютере запущены какие-либо фоновые задачи (проверка на вирусы, программный файервол и т.п.). Что касается прироста производительности в существующих играх, то он минимальный, хотя уже появились первые игры популярных жанров, полноценно использующие преимущества от использования второго ядра.

Впрочем, если сегодня стоит вопрос выбора процессора для игрового ПК среднего или верхнего ценового диапазона, то, в любом случае, лучше предпочесть двухъядерный, а то и 4-ядерный процессор чуть более высокочастотному одноядерному аналогу, так как рынок неуклонно движется в сторону мультиядерных систем и оптимизированных параллельных вычислений. Такая тенденция будет господствующей в ближайшие годы, так что доля ПО, оптимизированного под несколько ядер, будет неуклонно возрастать, и очень скоро может наступить момент, когда мультиядерность станет насущной необходимостью.

Вопрос: Что такое кэш?
Ответ : Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.

При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему кэш первого уровня (обозначаемый как L1), с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2, который, как правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд и кэш данных. Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров, также порой обзаводятся кэшем третьего уровня L3. Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.

Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не эксклюзивный кэш. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не эксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.

Вопрос: Что такое процессорная шина?
Ответ : Процессорная (иначе - системная) шина, которую чаще всего называют FSB (Front Side Bus), представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Таким образом, FSB выступает в качестве магистрального канала между процессором (или процессорами) и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Непосредственно к системной шине подключен только CPU, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в северном мосте набора системной логики (чипсета) материнской платы. Хотя могут быть и исключения - так, в процессорах AMD семейства К8 контроллер памяти интегрирован непосредственно в процессор, обеспечивая, тем самым, гораздо более эффективный интерфейс память-CPU, чем решения от Intel, сохраняющие верность классическим канонам организации внешнего интерфейса процессора. Основные параметры FSB некоторых процессоров приведены в табл

Процессор	частота FSB, МГц	Тип FSB	Теоретическая пропускная способность FSB, Мб/с
Intel Pentium III	100/133	AGTL+	800/1066
Intel Pentium 4	100/133/200	QPB	3200/4266/6400
Intel Pentium D	133/200	QPB	4266/6400
Intel Pentium 4 EE	200/266	QPB	6400/8533
Intel Core	133/166	QPB	4266/5333
Intel Core 2	200/266	QPB	6400/8533
AMD Athlon	100/133	EV6	1600/2133
AMD Athlon XP	133/166/200	EV6	2133/2666/3200
AMD Sempron	800	HyperTransport	<6400
AMD Athlon 64	800/1000	HyperTransport	6400/8000

Процессоры компании Intel используют системную шину QPB (Quad Pumped Bus), передающую данные четыре раза за такт, тогда как системная шина EV6 процессоров AMD Athlon и Athlon XP передает данные два раза за такт (Double Data Rate). В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в процессорах линеек Athlon 64/FX/Opteron, применен новый подход к организации интерфейса CPU - здесь вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются: высокоскоростная последовательная (пакетная) шина HyperTransport, построенная по схеме Peer-to-Peer (точка-точка), обеспечивающая высокую скорость обмена данными при сравнительно низкой латентности.

сокращенным набором команд ) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное "правило 80/20": в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.

Первый "настоящий" RISC - процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC -процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.

По данным независимой компании IDC , в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%

Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISC-процессоров в семействе IA-32 . В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память , и добавился целый ряд новых команд.

Основные особенности RISC -процессоров:

1. Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).
2. Большинство команд выполняется за 1 такт.
3. Большое количество регистров общего назначения.
4. Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.
5. Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.
6. Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.
7. Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

RISC-процессоры 3-го поколения

Самыми крупными разработчиками RISC -процессоров считаются Sun Microsystems ( архитектура SPARC - Ultra SPARC ), IBM (многокристальные процессоры Power , однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment ( Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 -- R 10000), а также Hewlett-Packard ( архитектура PA-RISC - PA-8000).

Все RISC -процессоры третьего поколения:

• являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);
• имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;
• имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;
• изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.

Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.

Повышение производительности RISC -процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC , наиболее сложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard. Рассмотрим процессоры этих фирм более подробно.

Структура процессоров Alpha: 21064, 21264

Структура процессора Alpha 21064 представлена на рис. 10.1 .

Рис. 10.1.

Основные функциональные блоки процессора Alpha 21064:

• I-cache - кэш команд.
• IRF - регистровый файл целочисленной арифметики.
• F-box - устройство арифметики с плавающей точкой.
• E-box - устройство целочисленной арифметики (7 ступеней конвейера ).
• I-box - командное устройство (управляет кэш команд, выборкой и дешифрацией команд).
• A-box - устройство управления загрузкой/сохранением данных. Управляет процессом обмена данными м/у IRF, FRF , кэш данных и внешней памятью.
• Write Buffer - буфер обратной записи.
• D-cache - КЭШ данных.
• BIU - интерфейсный блок, с помощью которого подключаются внешняя кэшпамять, размером 128 Кб-8 Мб.

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264

Процессор Alpha 21264 отличается значительной новизной по сравнению с предшественником 21164. Он обладает кэш-памятью первого уровня большего объема, дополнительными функциональными блоками, более эффективными средствами предсказания ветвлений, новыми инструкциями обработки видеоданных и широкой шиной.

Alpha 21264 читает до четырех инструкций за один такт и может одновременно исполнять до шести инструкций. Самое большое его отличие от модели 21164 - это способность выполнять команды (впервые для Alpha) с изменением их очередности (Out-of-Order).

Эффективность выполнения Out-of-Order определяется количеством инструкций, которыми может манипулировать ЦП в целях определения оптимального порядка выполнения команд. Чем больше инструкций ЦП может для этого использовать, тем лучше, тем дальше он может заглядывать вперед. Процессоры Intel класса Р6 ( Pentium Pro , Pentium II, Xeon) могут одновременно обращаться не менее чем с 40 командами. У других процессоров данный показатель значительно больше: PA-8000 фирмы HP оперирует 56 командами, а процессор Alpha справляется с 80 командами.

Как и большинство RISC-процессоров, Alpha содержит набор из 32 целочисленных и 32 регистров с плавающей запятой, все они имеют разрядность 64 бита. Для повышения эффективности внеочередного выполнения команд процессор 21264 дополнительно к обычному набору регистров снабжен еще 48 целочисленными регистрами и 40 регистрами с плавающей запятой.

Каждый регистр может временно хранить значения текущих команд. Если обрабатывается какая-либо инструкция, нет необходимости перегружать результат в целевой регистр - вместо этого ЦП просто переименовывает временный регистр ( Register Renaming ).

Подобное переименование регистров есть и в других процессорах. Однако в 21264 реализована уникальная "хитрость" - он имеет задублированный набор целочисленных регистров, каждый из 80 целочисленных регистров дублируется еще раз. Таким образом, на чипе в целом - 160 целочисленных регистров. Это одна из причин, почему, несмотря на сложность выполнения Out-of-Order, допустима высокая частота процессора 21264.

Блоки целочисленных операций в обеих группах идентичны не полностью. Одна из них содержит блок умножения, а вторая - специальную логику для обработки движущихся изображений (MPEG). Для этого набор команд Alpha был дополнен пятью новыми командами. Самая интересная из них - PERR - служит для оценки движения, т.е. выполнения задачи, возникающей как при сжатии, так и декомпрессии MPEG. Команда PERR выполняет работу девяти обычных инструкций. Таким образом, процессор 21264 может декодировать видеопоследовательности MPEG-2, а также DVD-аудиоданные AC-3 в режиме реального времени без использования дополнительных периферийных устройств.

План
1. Архитектуры процессоров.
1.1. RISC.
1.2. CISC.
1.3. Параметры процессоров.
1.4. Процесс производства.

1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
Процессор, или более полно - микропроцессор, часто
называемый ЦПУ (CPU - central processing unit), является
центральным компонентом компьютера. Это разум, который
прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри
компьютера.
Когда фон Нейман впервые предложил хранить после-
довательность инструкций, так называемые программы, в той
же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея.
Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в
1945 г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы-
рех основных частей: центрального арифметического устрой-
ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств
ввода/вывода.
Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую
архитектуру.
Каждый микропроцессор имеет определенное число эле-
ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес-
кое устройство (АЛУ) и устройство управления.
Регистры используются для временного хранения вы-
полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан-
ных и другой внутренней информации микропроцессора.
В АЛУ производится арифметическая и логическая, об-
работка данных.
Устройство управления реализует временную диаграм-
му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап-
паратурой через внешние шины микропроцесс ера.
На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров. Они различается принци-
пами построения архитектуры процессора. Накоолее распрос-
траненными являются архитектуры RISC и CISC.
1.1. RISC
Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction
Set Computers) используют сравнительно ызболылой (со-
кращенный) набор наиболее употребимых ком ад, определен-
ный в результате статистического анализа большого числа про-
грамм для основных областей применения CISC-процессоров
исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и
имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняет-
ся с помощью специальных команд загрузки регистра и запи-
си. Простота структуры и небольшой набор к J панд позволя-
ют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эф-
Процессор 269
фективный конвейер при небольшом объеме оборудования.
Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень
дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить так-
товую частоту (а значит, и производительность) компьютера;
чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе
работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-про-
цессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех
возможностей ускорения арифметических операций, поэто-
му их конвейеры обладают значительно более высоким бы-
стродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-про-
цессоры в 2-4 раза быстрее имеющих ту же тактовую час-
тоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более
высокопроизводительны, несмотря на больший размер про-
грамм. RISC-архитектура построена на 4 основных прин-
ципах:
1. Любая операция должна выполняться за один такт,
вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное коли-
чество наиболее часто используемых простейших инструкций
одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в
формате «регистр - регистр» (операнды выбираются из опе-
ративных регистров процессора, и результат операции запи-
сывается также в регистр; а обмен между оперативными реги-
страми и памятью выполняется только с помощью команд за-
грузки/записи).
4. Состав системы команд должен быть удобен для ком-
пиляции операторов языков высокого уровня.
Усложнение RISC-процессоров фактически приближает
их архитектуру к CISC-архитектуре.
В настоящее время число процессоров с RISC-архитек-
турой существенно возросло и все ведущие фирмы США их
производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производи-
тели основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.
1.2. CISC
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex
Instruction Set Computers - архитектура вычислений с полной
системой команд) реализуют на уровне машинного языка ком-
плексные наборы команд различной сложности, от простых,
характерных для микропроцессора первого поколения, до
очень сложных. Большинство современных процессоров для
персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.
В последнее время появились гибридные процессоры,
которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобра-
зовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются
ядром процессора.
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит
в направлении более совершенного управления машинными
ресурсами, а также в направлении сближения машинных язы-
ков с языками высокого уровня.
В то же время сложная система команд и переменный
формат команды процессором с CISC-архитектурой привели
к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 со-
держал 29 тыс. транзисторов, 80 386 - 275 000, Pentium -
3 100 000, Pentium 4 - 42 млн транзисторов. Для того чтобы
такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энер-
гопотреблением и размещаться на ограниченной площади, про-
изводители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже
достигнут уровень 0,09 мкм.
1.3. Параметры процессоров
Структуры различных типов процессоров могут существен-
но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее
важными параметрами являются архитектура, адресное простран-
ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд-
ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос-
новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис-
пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные
МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис-
пользовали последовательный принцип выполнения команд,
при котором очередная операция начинается только после
выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной
архитектурой используются принципы параллельной работы,
при которой одновременно с выполнением текущей команды
производятся предварительная выборка и хранение последу-
ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу-
ется конвейерный метод выполнения команд, при котором
несколько внутренних устройств МП работают параллельно,
производя одновременно обработку нескольких последова-
тельных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разряд-
ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз-
рядных МП адресные регистры обычно составляются из
двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину,
адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра-
вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад-
ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются
24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ
до 4 ГБ памяти.
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП
имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов-
падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе-
мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш-
ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд-
ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных.
Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име-
ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют
собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП
и обладают практически той же вычислительной мощностью.
Одним из важных параметров МП является тактовая
частота его работы и работы системной шины, которая обыч-
но задается внешними синхросигналами. Для современных про-
цессоров стандартными являются частоты системной шины
66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы-
полнение простейших команд (например, сложение двух опе-
рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах
МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль-
сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные
команды требуют для выполнения до 10-20 периодов такто-
вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в
памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе-
рандов в регистры и запись результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой
частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой
системой прерываний.
В соответствии с законом Мура (сформулированным в
1965 г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU
удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев.
Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лег.
270 Информатика
Однако законы физики ограничивают разработчиков
в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты
растут каждый год, это не может дать того прироста произ-
водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин-
женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы-
полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в
расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про-
цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы-
полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают
эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних
процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке
уже 64-разрядные.
1.4. Процесс производства
Кремний или силикон - это основной материал для про-
изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса-
жен добавками по специальной маске, становится транзисто-
ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс
подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере-
секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна
иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект
налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка
ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас - 8 дюймов. На
следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые
пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль-
ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно
из одной пластины делается много процессоров.
Электрическая схема состоит из разных материалов.
Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона
изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется
открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания
транзисторов - .это и называется присадкой.
Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность
пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются
вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором,
на который проектируется образ требуемых деталей. После
экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав-
ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило
вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство-
рителем.
Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного
создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером
в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин-
ка. Такая пьиинка может быть размером от микрона до ста - а
это в 3-300 раз больше детали. Микропроцессоры произво-
дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль-
ные защитные костюмы.
В прежние времена производство полупроводников при-
водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50%
работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на-
много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый
слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от-
мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде-
ляются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-
корпус (Pin Grid Arrays) - керамический прямоугольник с
рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство
людей принимают за процессор.
Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень-
шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод-
няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что
Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз-
мером 14×20 см и был бы медленным - быстрые транзисто-
ры малы. Большинство процессоров сегодня используют
0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик-
ронный процесс.

Что такое процессор? Здесь Вы сможете прочитать небольшую терминологию данного понятия. Мы рассмотрим из чего он состоит, что такое ядро процессора, системная шина, кэш процессора, какие разъемы бывают у процессора, а также популярные изготовители. А теперь, приступим к делу.

Процессор (ЦП или CPU ) – это устройство или схема, которая исполняет машинные команды (инструкции). Является наиважнейшим компонентом любого компьютера и ноутбука. Выполняет любые, как логические, так и арифметические операции. Также управляет всеми устройствами, подключенными к ПК.

На данный момент процессоры представляют собой схему (микропроцессор) и является маленькой тонкой пластиной, квадратной по форме. На такой схеме расположены элементы, обеспечивающие функциональность самого процессора и ПК в целом. Такая пластина защищена пластмассовым или керамическим корпусом, подсоединенная золотыми проводами с наконечниками из металла. Данная конструкция позволяет присоединить процессор к системной плате.

Из чего состоит процессор?

• Регистры
• Арифметико-логическое устройство
• Шины данных и адресов
• Кэш память
• Математический сопроцессор

У специалистов разных профессий понятие об архитектуре процессора немного отличаются. Например, программисты думают, то архитектура процессора – это когда процессор способен выполнять наборы машинных кодов. Разработчики компьютерных составляющих думают иначе, а именно то, что архитектора процессора отражает какие-либо свойства и качества, которые присущи целому семейству процессоров (другими словами, организация процессоров или их внутренняя конструкция). Например, существует такая архитектура, как Intel Pentium, она обозначается, как P5. К примеру, Pentium IV обозначается, как NetBurst.

Модель архитектуры процессора Pentium 4

Даже если процессоры имеют одинаковую архитектуру, они могут иметь различия. В первую очередь это конечно же различие в процессорных , которые наделяют сам процессор, какими-либо характеристиками. Конечно, отличаться они могут и размерами кэша, и различиями в частоте системной шины. По сути, термин ядро процессора четкого определения не имеет, но может позволить выделить особенности какой-либо модели.

В случае замены ядра, скорее всего придется менять и процессорный разъем, что влечет за собой определенные трудности, которые связаны с совместимостью системных плат. Конечно, разработчики постоянно занимаются над совершенствованием ядер. Такие нововведения называются ревизией ядер, они в свою очередь обозначаются буквенными и цифирными значениями.

Что такое системная шина?

Системная шина или шина процессора (FSB ) – является совокупностью сигнальных линий, объединённых по назначению. Простыми словами, системная шина связывает все компоненты компьютера с процессором, будь это , или . Процессор подключается только к системной шине, остальные устройства подключаются через специальные контроллеры.

Что такое разъем (сокет) процессора?

Есть два типа разъемов (сокетов) – гнездовой и щелевой . Хотя это можно считать, как один разъем, потому что он создан лишь для установки процессора. Наличие сокета значительно облегчает замену процессора. Также его можно было бы снять на время ремонта компьютера. Кстати, если что, данный разъем расположен на . У компаний Intel и AMD свои типы разъемов, которые можно посмотреть .

Что такое регистр процессора?

Регистром в процессоре является блок ячеек, который образует сверхбыструю оперативную память. Такая память используется только процессором.

Что такое кэш процессора?

Кеш – это технология которая во всех современных процессорах является обязательной, еще ее называют быстрой памятью. Кэш технология является буфером между процессором и котроллером, который является медленной памятью. Буфер является хранилищем блоков данных, которые отрабатываются именно сейчас, таким образом процессору не нужно обращаться к контроллеру. Такое свойство очень хорошо увеличивает производительность процессора.

На данный момент существует несколько уровней кэша. L1 – кэш первого уровня , является самым быстрым и работает напрямую с ядром. Далее идет кэш второго уровня — L2 , который взаимодействует с L1. Такой кэш по объему намного больше, чем L1. Иногда может встречаться и кэш третьего уровня – L3 . Он достаточно медленный, а по объему еще больше, чем L2, но опять же, он быстрее, чем системная память.

Также, кэш разделяют на эксклюзивный и не эксклюзивный .

К первому типу относят кэш, в котором данные разделены на оригинальные в строгом порядке. К не эксклюзивному кэшу относят кэш, данные которого могут повторяться на всех уровнях кэша. Например, компания Intel, использует не эксклюзивный тип, а AMD – cсоответственно эксклюзивный. Трудно сказать, какой лучше, у обоих есть и достоинства, и недостатки.

С момента изобретения первых электронно-вычислительных машин в первой половине 20 века произошла только одна истинная революция. Случилось это в 50-60-х годах, когда на смену громоздким вакуумным лампам пришли полупроводниковые технологии. Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов (техпроцесс), и увеличивается их количество на кристалле.

В условиях использования единой технологии (и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко) единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи - стало изобретение различных архитектур ЦП.

Архитектура процессора - это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом. Если еще более упрощенно, то архитектура - это схема, по которой устроен процессор.

За все время было создано много различных архитектур. Самые популярные из них - CISC, MISC, VLIW и RISC. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Сейчас активно используются конвейерные архитектуры CISC и RISC.

Как работает архитектура процессора

В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором - производится чтение данных из памяти, на третьем - осуществляется вычислительная операция, а на четвертой - выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается - он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса - конвейер двигается дальше. Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый - опять прикручивает ступицы на следующей машине.

Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер - тем больше операций выполняется за такт (1 герц частоты процессора). В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера - это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин. Чем больше мегагерц - тем быстрее движется лента, тем быстрее работают сборщики. Однако если первый работник что-то сделает не так - получится брак, машину придется собирать заново.

В процессоре все аналогично: если на раннем этапе конвейера происходит ошибка - конвейер нужно перезапускать. Это замедляет производительность и приводит к пустым тратам энергии. Так как для компактных и мобильных устройств энергоэффективность очень важна - специально для них была создана архитектура RISC. От CISC она отличается упрощенным набором команд, которые принимает процессор, и укороченным конвейером. Такая особенность приводит к снижению производительности на фоне CISC (а компьютерные x86-процессоры Intel и AMD построены на ней), но позволяет минимизировать пустую трату энергии.

Архитектура процессоров ARM

Всевозможные MIPS, PowerPC, SPARC и прочие архитектуры типа RISC оставим IT-специалистам. Когда дело касается смартфонов - стоит детальнее уделить внимание ARM, Это - разновидность RISC архитектуры с коротким конвейером, которая является одной из самых распространенных и удачных. Именно ARM использует большинство производителей (Qualcomm, MediaTek, Apple, Samsung, Huawei-HiSilicon и другие). Только Intel в своих SoC атом используют x86-совместимые CISC ядра.

Особенностью ARM процессоров является использование короткого конвейера. Его длина составляет 3 и более этапов, что немного на фоне десятков стадий у CISC. За счет этого сбои в работе конвейера минимально сказываются на скорости обработки программ, максимально эффективно нагружая каждый такт. Поэтому именно ARM стала самой популярной архитектурой процессоров для смартфонов и планшетов.

Архитектура и микроархитектура процессора

Довольно часто в СМИ и интернете происходит путаница между понятиями архитектуры и микроархитектуры процессора. Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура - это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура - всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой.