Архитектура и параметры процессоров

Микропроцессор (МП, процессор), или более полно ЦПУ (CPU — central processing unit), является центральным компонентом компьютера. Это компонент, который прямо или косвенно управляет всем происходящим в компьютерной системе.

Известный ученый ХХ века фон Нейман в 1945 г. впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные. В своем докладе он описывал компьютер, состоящий из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода–вывода (вспомним идею Ч. Бэббиджа).

Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру.

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления.

Регистры памяти используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи микропроцессора с другими компонентами компьютера через процессорную шины.

Существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различаются принципами построения архитектуры процессора. Наиболее распространенными являются архитектуры RISC и CISC.

RISC. Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers – сокращенный набор команд) используют сравнительно небольшой набор команд. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Вычислительные возможности RISC-процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту (а значит, и производительность) компьютера: чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-процессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-процессоры в 2–4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC-процессоров с обычной системой команд и являются более высокопроизводительными, несмотря на больший размер программ. RISC-архитектура построена на 4 основных принципах:

· любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа;

· система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины;

· операции обработки данных реализуются только в формате «регистр — регистр» (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки–записи);

· состав системы команд должен быть удобен для компиляции операторов языков высокого уровня.

Усложнение RISC-процессоров фактически приближает их архитектуру к CISC-архитектуре. Количество процессоров с RISC-архитектурой возрастает и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы IBM, Intel, Motorola.

CISC. Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers – архитектура вычислений с полной системой команд) реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до сложных. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC. К этой архитектуре относятся все микропроцессору семейства х86.

В последнее время появились гибридные процессоры, которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобразовывают 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 языков 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 содержал 29 тыс. транзисторов, 80386 — 275000, Pentium — 3100000, Pentium 4 — от 40 млн транзисторов и превзошел рубеж 100 млн. Для того чтобы такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энергопотреблением и размещаться на ограниченной площади кристалла, производители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже выпускаются микропроцессоры по 0,09 мкм, 0,065 мкм технологическому процессу и осваиваются технологии 0,045 мкм.

Параметры процессоров. Структуры различных типов процессоров могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.

Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП для компьютеров (микрокалькуляторы) основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые персональные ЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.

Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали 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 последующих команд. В микропроцессорах с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как правило, используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 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, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 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 внутренняя тактовая частота его работы и ее согласованность с частотой системной шиной, которая обычно задается внешними генераторами. Для процессоров Pentium стандартными являются частоты системной шины 66, 100, 133, 266, 400, 533, 800, 1066 МГц, а собственная частота микропроцессора уже достигла 3,8 ГГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10—20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и запись результата в память. Поэтому нельзя определять быстродействие ПК только тактовой частотой процессора.

Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз на ближайшие десять лет стал определять развитие микроэлектроники. По прогнозу Мура, количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

Конечно, строго говоря, никакого закона Мура не существует. Но тем не менее его придерживаются на протяжении почти сорока лет.

Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы на их основе будут все дешевле, мощнее и доступнее.

Точнее, сам факт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения их размеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говорить просто о количестве транзисторов в одной микросхеме (табл. 6), то со времени 30-транзисторных компонентов 1965 года это количество возросло на много порядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i80486 содержал 1,4 млн транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн транзисторов в одном кристалле. В процессоре Intel Pentium 4 на основе 90–нанометрового технологического процесса количество транзисторов насчитывает уже около 125 млн, а в недалеком будущем технология производства интегральных микросхем позволит увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно.

Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых — скорость, производительность и энергопотребление. Так, процессор i80486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеют тактовые частоты уже более 3 ГГц. Процессор с миллиардом транзисторов, как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц.

Однако законы физики ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и, хотя частоты растут каждый год, это не может дать того прироста производительности, что было до настоящего времени. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый такт. Развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Большинство процессоров сегодня имеют 32-разрядную архитектуру, и активно продвигаются процессоры с 64-разрядной архитектурой.

Процесс производства. Кремний или силикон – это основной материал для производства чипов. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

Сначала выращивается кремневое основание. Оно должно иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. На следующей стадии заготовка разрезается на слои, называемые пластинами. Они полируются до безупречной зеркальной 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.

Таблица 6

Технологический процесс производства микропроцессоров компании

INTEL

Год выпуска	Технологический процесс	Количество транзисторов	Процессор
	10 мкм
	10 мкм
	6 мкм
	3 мкм
	3 мкм	29 тыс
	2 мкм	134 тыс
	1,5 мкм	275 тыс
	1,0 мкм	1,18 млн
	0,8 мкм	3,1 млн	Pentium
	0,35 мкм	7,5 млн	Pentium II
	0,25 мкм	9,5 млн	Pentium III
	0,18 мкм	24 млн	Pentium III Xeon
	0,13 мкм	42 млн	Pentium 4
	0,13 мкм	55 млн	Pentium 4 НТ
	90 нм	125 млн	Pentium 4 НТ
	65 нм	175 млн	Pentium 4 Prescott
	65 нм	около 200 млн	Pentium 4 ХЕ 955 Intel Core 2 Duo E6700
	45 нм
	32 нм

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, выставленные на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем.

Этот процесс повторяется, по слою за один раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста — а это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы.

В прежние времена производство полупроводников приводило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции намного выше и достигает до 90%. После тестирования хорошие чипы упаковываются в PGA-корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство людей принимают за процессор.

МП Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наименьшие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегодняшним стандартам это огромные размеры. Если предположить, что Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы размером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0,13–,0,09– микронную технологию, и в работе уже и 0,065–, 0,45–микронный процесс. Основные характеристики отображены в табл. 7 и 8

Таблица 7

Основные модели и их характеристики процессоров 90-х годов

	Микропроцессор - Intel486™ SX	Процессор Pentium®	Процессор Pentium® Pro	Процессор Pentium® II
Объявлено о выпуске	22/4/91	22/3/93	01/11/95	07/5/97
Тактовая частота	16 МГц, 20МГц, 25 МГц, 33 МГц	60 МГц, 66 МГц, 75 МГц, 90 МГц, 100 МГц, 120МГц: 133МГц, 150МГц: 166МГц	150МГц, 166 МГц, 180МГц, 200 МГц	200 МГц, 233 МГц, 266 МГц, 300 МГц
Разрядность шины	32 бит	32 бит	64 бит	64 бит
Количество транзисторов	1,185 миллиона (1 микрон)	3,1 миллиона (0,8 микрон)	5,5 миллионов (0,6 микрон)	7,5 миллионов
Адресуемая память	4 гигабайт	4 гигабайт	64 гигабайт	64 гигабайт
Виртуальная память	64 терабайт	64 терабайт	64 терабайт	64 терабайт
Краткая характеристи-ка	Конструктивный аналог Intel486™ DX, но без математического сопроцессора	Пятикратный рост производительнос- ти по сравнению с процессором Intel486™ DX 33-МГц благодаря применению суперскалярной архитектуры	Высокопроизводи- тельный процессор с применением архитектуры динамического исполнения	Двойная независимая шина, динамическое исполнение, технология Intel ММХ™

Таблица 8

Микропроцессоры конца 90-х годов