Что такое архитектура процессора в смартфоне. Мобильные процессоры: всё об архитектурах
Статьи и Лайфхаки
Для многих пользователей более чем достаточно знать о чипсете количество его ядер.
А для тех, кому интересны подробности, мы расскажем, что же такое понятие «архитектура процессора» и какая она бывает в смартфоне или планшете.
При выборе гаджета подобная информация едва ли пригодится, однако оценить хотя бы в первом приближении использованную в нем SoC поможет.
Формальное определение
С этой точки зрения архитектура процессора представляет собой совместимость с тем или иным набором команд, структурой и способом их исполнения.Как правило, именно по набору команд, точнее, по их количеству и сложности, и осуществляется классификация архитектур.
На сегодняшний день в мобильных устройствах используются процессоры двух основных архитектур :
Первая из них, ARM, относится к так называемому типу RISC (reduced instruction set computer), для которого характерно повышение производительности за счет упрощения команд.
Кроме того, это весьма благотворно сказывается на энергоэффективности .
Именно поэтому подавляющее большинство мобильных устройств использует чипсеты, основанные на ARM архитектуре.
Вторая, x86 относится к другому типу – CISC (complex instruction set computer). В нем используются сложные команды, которые перед выполнением разбиваются на более простые.
Эта архитектура была больше известна по процессорам для ПК и ноутбуков, однако их более современные модели являются CISC совместимыми с RISC ядром. В чистом же виде x86 сохранилась в мобильных SoC Intel Atom.
Кто создает процессоры на основе ARM архитектуры
Если с x86 всё более-менее понятно, то с ARM у неискушенного пользователя возникает вопрос: а кто же ее разрабатывает? Этим занимается компания ARM Limited.Собственных мощностей по производству микроэлектроники у нее нет, однако разработанные ею процессорные ядра Cortex используются другими .
Вот только некоторые компании, которые пользуются лицензиями на ее разработки :
- Qualcomm;
- MediaTek;
- Nvidia;
- Intel;
- Nintendo;
В мобильных чипсетах используется несколько разновидностей ядер Cortex-Ax, где производительность ядра тем выше, чем большее значение x.
Однако ARM Limited не ограничивается только процессорами для смартфонов, поэтому ядра ее разработки на основе архитектуры ARM можно встретить, например, в роутерах или принтерах. Там они имеют другую маркировку – Mx или Rx.
Ядра постоянно обновляются, появляются новые, а использование старых в новых моделях чипсетов прекращается. На момент написания статьи актуальными являлись :
- Cortex-A15.
- Cortex-A17.
- Cortex-A53.
- Cortex - A57.
- Cortex-A72.
А потому, чтобы снизить «прожорливость» чипсета в целом, ARM Limited предложила новую технологию big.LITTLE, сущность которой закодирована в ее названии.
В составе SoC используются ядра двух разных типов: топовые и экономичные. В режиме ожидания, когда не требуется высокая производительность, хороши энергосберегающие ядра, а если начинает работать ресурсоемкое приложение, то подключаются более производительные.
А как же x86?
Традиционно считается, что устройства на ее основе слишком прожорливы. В действительности это не так: современные чипсеты Atom имеют довольно низкое энергопотребление за счет изменения тактовой частоты в зависимости от режима работы.
Основной проблемой при использовании этой архитектуры в мобильных устройствах является совместимость программного обеспечения.
Тем не менее, смартфоны на основе этого семейства SoC периодически появляются, и даже используют Android, например, ряд моделей ASUS ZenFone 5, появившихся в 2014 году.
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.
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.
Введение
1. 8086: первый процессор для ПК
3. Переход к двуядерным процессорам
4. Виртуализация
5. Кратко о некоторых других технологиях
6. Будущие технологии
Библиографический список
Введение
Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.
Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).
Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.
В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора, составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.
Рисунок 1 – принципиальная схема процессора
Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.
Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.
Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.
Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.
Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.
Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.
Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.
Блок шины - служит для ввода и вывода информации.
Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst.
В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.
Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.
Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).
С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).
В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.
Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь - для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE - значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет - будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем таблицу, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.
Таблица 1
Сравнение основных наборов команд
| Процессор | MMX | EMMX | 3DNow! | SSE | E3DNow! | SSE2 | SSE3 |
| Intel Pentium II | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Celeron до 533 MHz | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Pentium III | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Celeron 533-1400 MHz | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Pentium 4 | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Celeron от 1700 MHz | + | - | - | + | - | + | - |
| Intel Celeron D | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium 4 eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Pentium eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium D | + | - | - | + | - | + | + |
| AMD K6 | + | + | - | - | - | - | - |
| AMD K6-2 | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD K6-III | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD Athlon | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Duron до 900 MHz | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Athlon XP | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Duron от 1000 MHz | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Athlon 64 / Athlon FX | + | + | + | + | + | + | +/-* |
| AMD Sempron | + | + | + | + | + | +/-* | +/-* |
| AMD Athlon 64 X2 | + | + | + | + | + | + | + |
| VIA C3 | + | + | +/-* | +/- | - | - | - |
* в зависимости от модификации
В 1970г. доктор Маршиан Эдвард Хофф с командой инженеров из Intelсконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае, так принято считать – хотя на самом деле еще в 1968 году инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLFдля бортового компьютера истребителя F-14. Первый процессор работал на частоте 750 кГц. Сегодняшние процессоры от Intelбыстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз
Тактовая частота – это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Еще недавно этот показатель был для пользователей не то, что самым важным – единственным значимым! Многие пользователи пытались «разогнать» свой процессор при помощи специальных программ. Впрочем, частота процессоров и безо всякого разгона возрастала в геометрической прогрессии – в полном соответствии с так называемым «законом Мура» (в свое время Гордон Мур предсказал, что каждые полтора года частота микропроцессоров будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле). Этот принцип успешно работал вплоть до 2004 г. – пока на пути инженеров Intelне встали законы физики. Ведь размеры транзисторов «ужимать» до бесконечности нельзя. Уже сегодня процессоры производятся по 65-наномикронной технологии (технология 65 нанометров), а толщина «подложки» транзисторов не превышает 1 нм (всего 5 атомов). В ближайшие годы размеры транзисторов могут сократиться до 22 нм, что близко к физическому пределу. Одновременно с уменьшением размеров транзисторов резко возрастает количество тепла, которое выделяет работающий процессор – например у последних моделей Pentiumтепловыделение составляет около 120 ватт (что соответствует двум бытовым электролампам)!
1. 8086: первый процессор для ПК
8086 стал первым процессором x86 - Intel к тому времени уже выпустила модели 4004, 8008, 8080 и 8085. Этот 16-битный процессор мог работать с 1 Мбайт памяти по внешней 20-битной адресной шине. Тактовая частота, выбранная IBM (4,77 МГц) была довольно низкой, и к концу своей карьеры процессор работал на 10 МГц. Первые ПК использовали производную процессора 8088, которая имела всего 8-битную внешнюю шину данных. Что интересно, системы управления в американских шаттлах используют процессоры 8086, и NASA пришлось в 2002 году покупать процессоры через eBay, поскольку Intel их больше не производила.
Таблица 2
Характеристики 8086
| Intel 8086 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1979 |
| Тактовая частота | 4,77-10 МГц |
80286: 16 Мбайт памяти, но всё ещё 16 битов
Выпущенный в 1982 году, процессор 80286 был в 3,6 раза быстрее 8086 на той же тактовой частоте. Он мог работать с памятью объёмом до 16 Мбайт, но 286 всё ещё оставался 16-битным процессором. Он стал первым процессором x86, оснащённым диспетчером памяти (memory management unit, MMU), который позволял работать с виртуальной памятью. Подобно 8086, процессор не содержал блока работы с плавающей запятой (floating-point unit, FPU), но мог использовать чип-сопроцессор x87 (80287). Intel выпускала 80286 на максимальной тактовой частоте 12,5 МГц, хотя конкурентам удалось добиться 25 МГц.
Таблица 3
Характеристики 8026
| Intel 80286 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1982 |
| Тактовая частота | 6-12 МГц |
386: 32-битный и с кэш-памятью
Intel 80836 стал первым процессором x86 с 32-битной архитектурой. Вышло несколько версий этого процессора. Две наиболее известные: 386 SX (Single-word eXternal), который использовал 16-битную шину данных, и 386 DX (Double-word eXternal) с 32-битной шиной данных. Можно отметить ещё две версии: SL, первый процессор x86 с поддержкой кэша (внешнего) и 386EX, который использовался в космической программе (например, телескоп "Хаббл" использует этот процессор).
В данной статье мы расскажем о том, что такое центральный процессор и как он работает.
Центральный процессор или процессор – один из самых важных компонентов, который мы можем найти практически во всех современных высокотехнологичных устройствах.
Однако у большинства из нас есть довольно плохие представления о том, что они делают и как они это делают, о том, как они стали сложными технологическими чудесами, каковы основные современные типы.
Итак, сегодня мы попытаемся подробно рассказать о самых важных аспектах различных компонентов, которые дают жизнь всем тем устройствам, которые помогают нам наслаждаться более высоким качеством жизни.
Что такое центральный процессор?
Хотя нельзя сказать, что в компьютере есть одна самая важная часть, так как более одного из них абсолютно необходимы для его работы, центральный процессор или процессор можно считать краеугольным камнем этих машин. И именно этот компонент отвечает за вычисления, упорядочивание или обработку, концепции, которые определяют современные компьютеры и ноутбуки.
В настоящий момент они представляют собой сложные технологии, разработанные с использованием микроскопических архитектур, большинство из которых представлены в виде одного чипа, довольно небольшого, оттуда они назывались микропроцессорами несколько десятилетий назад.
Сегодня процессоры находятся практически в каждом объекте, который мы используем в наши дни: телевизоры, смартфоны, микроволновые печи, холодильники, автомобили, звуковое оборудование и, конечно же, персональные компьютеры. Тем не менее, это были не всегда чудеса технологий, которыми они являются сейчас.
История возникновения процессоров
Было время, когда процессоры состояли из огромных арматов, которые вполне могли заполнить комнату. Эти первые шаги компьютерной инженерии в основном состояли из пустых трубок, которые, хотя в то время были значительно более мощными для альтернатив, образованных электромеханическими реле, сегодня 4 МГц, которые, по большей мере, они достигали, казались нам смехом.
С появлением транзисторов в 50-х и 60-х годах началось создание процессоров, в дополнение к меньшим и более мощным, а также намного более надежным, поскольку машины, созданные вакуумными трубами, как правило, имели средний отказ каждые 8 часов.
Однако, когда мы говорим о сокращении, мы не имеем в виду, что они вписываются в ладонь. И все еще большие процессоры состояли из десятков печатных плат, которые были связаны друг с другом, чтобы обеспечить жизнь одному процессору.
После этого появилось изобретение интегральной схемы, которая в основном связывала все в одной печатной плате или пластине, что стало первым шагом к достижению современного микропроцессора. Первые интегральные схемы были очень простыми, поскольку они могли группировать только несколько транзисторов, но на протяжении многих лет получилось добиться экспоненциального роста числа транзисторов, которые можно было бы добавить в интегральную схему, к середине шестидесятых годов. Мы уже имели первых сложные процессоры, которые состояли из одной пластины.
Первый микропроцессор как таковой будет представлен на рынке уже в 1971 году, это был Intel 4004, а с тех пор остальное – история. Благодаря быстрой эволюции этих небольших чипов и их большой гибкости они полностью монополизировали компьютерный рынок, поскольку, за исключением очень специфических приложений, требующих высокоспециализированного оборудования, они являются ядром практически всех современных компьютеров.
Как работает центральный процессор (ЦП)?
Упрощение до крайности и в дидактических терминах работа процессора дается четырьмя фазами. Эти фазы необязательно всегда раздельны, но обычно перекрываются и всегда происходят одновременно, но не обязательно для конкретной функции.
На первом этапе процессор отвечает за загрузку кода из памяти. Другими словами, прочитайте данные, которые необходимо обработать позже. В этой первой фазе существует общая проблема в архитектуре процессоров и заключается в том, что существует максимум данных, которые могут считываться по периоду времени и обычно уступают тем, которые могут быть обработаны.
Во второй фазе происходит первый этап обработки как таковой. Информация, прочитанная на первом этапе, анализируется в соответствии с набором инструкций. Таким образом, в пределах прочитанных данных будут описательные фракции для набора инструкций, которые укажут, что делать с остальной информацией. Чтобы привести практический пример, есть код, который указывает, что данные пакета должны быть добавлены вместе с данными другого пакета, причем каждый пакет представляет собой информацию, которая описывает число, посредством чего получается общая арифметическая операция.
Затем идет фаза, которая продолжается со свободной обработкой, и отвечает за выполнение команд, декодированных на второй фазе.
Наконец, процесс завершается фазой записи, где снова загружается информация, только на этот раз от процессора к памяти. В некоторых случаях информация может быть загружена в память процессора, которая будет повторно использована позже, но как только обработка конкретной работы будет завершена, данные всегда заканчиваются записью в основную память, где она может быть записана в блок хранения, в зависимости от приложения.
Основные современные архитектуры процессоров
Как мы уже говорили, функция процессора заключается в интерпретации информации. Данные загружаются из разных систем памяти в виде двоичного кода, и именно этот код должен быть преобразован процессором в полезные данные приложениями. Указанная интерпретация реализуется с помощью набора инструкций, что и определяет архитектуру процессора.
В настоящее время в основном используются две архитектуры RISC и CISC. RISC дает жизнь процессорам, разработанным британской фирмой ARM, которая с ростом мобильных устройств значительно выросла. Кроме того, PowerPC, архитектура, которая дала жизнь компьютерам Apple, серверам и консолям Xbox 360 и PlayStation 3, основана на RISC. CISC – это архитектура, используемая в процессорах AMD Intel и X86-64 X86.
Что касается архитектуры, которая лучше, то всегда говорилось, что быть более чистым и оптимизированным RISC будет будущее вычислений. Тем не менее, Intel и AMD никогда не поддавались на изгибе и сумели создать очень прочную экосистему вокруг своих процессоров, которые, хотя и сильно загрязнены устаревшими элементами обратной совместимости, всегда поддерживали своих конкурентов.
В целом, благодаря своей гибкости и относительной простоте производства, в течение нескольких лет больше процессоров останется центральным элементом современных вычислений. Но мы всегда должны помнить, что с течением лет развиваются параллельные технологии, которые помогают децентрализовать нагрузку, и сегодня более чем когда-либо графические процессоры, более мощные, но менее гибкие, начали приобретать почти такое же значение.
Видео: Что такое CPU [Центральный Процессор, ЦП] – Быстро и Понятно!