Процессор

Основной рабочий компонент компьютера – центральный процессор (CPU). Он выполняет арифметические и логические операции, задаваемые программой, управляет вычислительным процессом, и координирует работу всех устройств компьютера. В общем случае центральный процессор содержит: блок управления, АЛУ, шины данных и шины адресов, регистры, счетчики команд, кэш – очень быструю память малого объема, математический сопроцессор.

Процессоры первого поколения компьютеров были построены на базе электронных ламп, второго – на базе транзисторов, третьего– на базе интегральных схем, четвертого– на основе больших и сверхбольших(БИС, СБИС) интегральных схем, объединяющих на небольшом кристалле миллионы полупроводниковых элементов (транзисторов), размеры которых постоянно сокращаются (до нанометров), а количество увеличивается. Процессоры на базе БИС и СБИС получили название микропроцессоров (МП).

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластину кристаллического кремния прямоугольной формы площадью несколько квадратных миллиметров. На этой пластине размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD иIBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являютсяIntel–совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компанииIntel.

Средипроцессоровот Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, Celeron (упрощенный вариантPentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессорыархитектурыx86 (аналоги80386 и80486, семействоK6 и семействоK7 – Athlon, Duron, Sempron) иx86–64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron идр.). Процессоры IBM(POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются всуперкомпьютерах, в видеоприставках7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмыApple.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: разрядность, рабочая тактовая частота, размер кэш-памяти, количество ядер.

Разрядность показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (один такт). Первые процессоры семейства х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора Pentium они имеют 64-разрядную архитектуру.

Тактовая частота – это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Измеряется этот показатель в гигагерцах (ГГц); 1 ГГц равен одному миллиарду тактов в секунду. Тактовая частота определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца в оловянной оболочке. Под воздействие электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частой, определяемой формой и размерами кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Наименьшей единицей времени для процессора, как для логического устройства является период тактовой частоты или простотакт. На каждую операцию (выполнение команды) процессор затрачивает некотороеколичество тактов. Естественно, чем выше тактовая частота процессора, тем производительнее он работает, так как в единицу времени происходит большее количество тактов и выполняется большее количество команд. начиная с 1971 г., когда появился первый микропроцессор, тактовая частота увеличилась в 25000 раз. Тактовые частоты современных процессоров лежат в диапазоне от 1,8 ГГц до 3,8 ГГц, и более.

Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно отводить от чипа (иначе процессор будет работать нестабильносм. рис. 22, 23). Поэтому «гонка частот» пошла на спад, а разработчики пошли по пути увеличения количества ядер в одной микросхеме, так возникло понятие многоядерности.

Рис. 22Рост тактовых частот процессоров Intel и AMD с 1993 по 2006 г.

Рис. 223Рост энергопотребления процессоров

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для тогочтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область– так называемую кэш-память. Это как бы«сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит егообращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий темвыше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Использование кэш-памяти позволило значительно поднять производительность компьютеров. Когда для486-х процессоров впервые была примененатехнология кэширования, кэш-память располагалась на материнской плате какможно 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 технологиями, что и регистры процессора, в результате она оказывается безумно дорогой, но очень быстрой и, главное, надежной. Она играет очень важную роль вбыстродействии. Кэш-память второго уровня может располагаться на том жекристалле процессора(в этом случае она работает с частотой ядра процессора), но может располагаться и в отдельной микросхеме рядом с процессором (в этом случае она работает с половинной частотой ядра). Объем кэш-памятивторого уровня больше, чем первого. Самая большая, но и самая медленнаякэш-память– третьего уровня. Она к процессору не относится, поскольку устанавливается на материнской плате и работает с ее частотой. Размер кэш-памяти первого и второго уровня очень сильно влияет на стоимость процессора. Процессоры одной модели и с одной рабочей частотой могут различатьсяобъемом кэш-памяти. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается.