Лекция 3 Процессоры
учебно-методическое пособие

Лекция 3  Процессоры

Основу ПЭВМ составляет процессор (микропроцессор) — центральное обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных; организации обращения к ОЗУ, внешним накопителям, периферийным устройствам; управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует много разновидностей процессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой и конструктивным исполнением.

Характеристики процессоров определяют набор параметров, которые обусловливаются технологией производства, архитектурой, тактовой частотой, количеством и разрядностью регистров, системой команд, размерностью шин, объемом встроенной кэш-памяти, напряжением питания, рабочей температурой и типом корпуса.

В центральных процессорах ПЭВМ используются процессоры с полной системой команд, т. е. CISC-процессоры с аппаратной реализацией отдельных операций.

Наиболее существенным различием между процессорами является количество разрядов адреса и данных, которые всегда кратны байту: 8-, 16-, 32- и 64-битовые. Использование микропроцессоров (МП) в персональных компьютерах практически началось с их 16-разрядных моделей, нашедших применение в различных модификациях ПЭВМ IBM PC.

Исторически сложилось так, что наибольшее распространение получили микропроцессоры корпорации Intel, которые изначально проектировались с обеспечением совместимости по системе команд и форматам данных.

Микропроцессор Intel 8086 стал базовым аналогом для IBM совместимых машин, поэтому все последующие типы процессоров основывались на идеологии его построения, развивая в основном только его архитектуру и систему команд.

Следующие модификации МП фирмы Intel различаются разрядностью локальной магистрали и выборкой команд и операндов из оперативной памяти за разное число машинных циклов. Расширяется система команд, реализуется мультизадачность. Было разработано уникальное семейство процессоров Pentium, которое включает в себя уже несколько поколений. Это семейство практически стало прототипом для создания новых моделей процессоров другими производителями и базовым для персональных компьютеров широкого применения — от стационарных (настольных) до переносных и мобильных.

В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры Intel, но и их аналоги фирм крупнейших производителей, например AMD, VIA. Все процессоры этих изготовителей, отличаются технологией, архитектурой, аппаратной реализацией, рабочей частотой, напряжением питания, типом корпусов т.д.

В новых моделях непрерывно повышается производительность процессоров, совершенствуется система команд, вводится прогнозирование переходов по командам условной передачи управления, суперскалярная архитектура с параллельно работающими конвейерами, обеспечивающими за один такт выполнение более одной операции, и т.д. Однако в основе всех настоящих и будущих процессоров для ПЭВМ остается система команд первых 32-разрядных процессора Intel 80386 (центральный) и сопроцессора Intel 80387 (математический), или х86-процессоров.

Внешний вид

Внешне центральный процессор выглядит как монолитный металлический корпус, накрывающий собой плату с так называемым кристаллом (кусочком кремния с микроскопическими электронными элементами) и большим количеством контактных ножек (или площадок) с другой стороны.

Рисунок 1 - Процессор Intel (имеет современные контактные площадки)

Рисунок 2 - Процессор AMD (с классическими ножками)

Функции микропроцессора

Микропроцессоры выполняют следующие функции:

• Вычисление адресов команд и операндов;
• Выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• Выборку данных из ОП, регистров микропроцессорной памяти (МПП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
• Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• Обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;
• Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
• Переход к следующей команде.

Характеристики микропроцессора

Все процессоры не зависимо от производителя отличаются такими основными показателями как количество ядер, частота работы ядра, размер кэш-памяти поддержка различной частоты оперативной памяти.

Увеличение количества вычислительных ядер наиболее сильно влияет на производительность процессора, соответственно и на цену тоже. Современный компьютер должен иметь хотя бы 2-х ядерный процессор, а лучше 4-х ядерный. Варианты с 6, 8 и более ядер можно рассматривать как приобретение на перспективу.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

• Разрядность;
• Рабочая тактовая частота;
• Виды и размер кэш-памяти;
• Состав инструкций;
• Конструктив;
• Энергопотребление;
• Рабочее напряжение и др.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство – это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Так же производительность процессора непосредственно зависит от частоты работы ядра.

Тактовая частота показывает нам, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Соответственно, чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор.

На сегодняшний день нормальной частотой современного процессора считается частота от 3 до 4 ГГц. Чем больше частота ядра – тем выше производительность, но и выше энергопотребление, температура, требования к материнской плате, блоку питания.

Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает МП.

Кэш-память — это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет три уровня:

Кэш L1. 1-й уровень кэша имеет самую высокую скорость работы, но и самый маленький размер 64 Кб на ядро. В нем содержатся основные инструкции (алгоритмы), необходимые для работы процессора.

Кэш L2. 2-й уровень кэша чуть медленнее, но имеет больший размер. Можно сказать, что 256Кб на ядро считается хорошим показателем.

Кэш L3. 3-й уровень кэша медленнее 2-го, и имеется не во всех процессорах. Процессоры, позиционирующиеся как мощные мультимедийные, имеют порядка 3-6 Мб общего кэша 3-го уровня (для всех ядер). Топовые дорогие процессоры могут иметь 8 Мб и более общего кэша 3-го уровня.

Состав инструкций – перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП.

Конструктив – это те физические разъемные соединения, которые используются для установки МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разъемы имеют разную конструкцию (slot – щелевой разъем, Socket – разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Процессорные разъемы

Рисунок 3 – Процессорный разъем

Процессорный разъем или как его еще называют Socket (слот) является местом соединения процессора и материнской платы. Процессорные разъемы у каждого производителя и линейки процессоров разные и маркируются они либо по количеству ножек в разъеме либо по маркировке линейки процессоров.

Технологический процесс в настоящее время идет очень быстро, меняются процессоры, меняются процессорные разъемы.

Другими, но тоже важными отличиями процессоров являются технология техпроцесса, энергопотребление, температурный режим работы.

От технологии техпроцесса изготовления процессора очень зависят такие характеристики как энергопотребление и температурный режим работы. По мере его совершенствования процессоры становились быстрее, холоднее и при этом еще и экономичнее. Чем тоньше техпроцесс тем лучше.

В процессе совершенствования технологий производства удается делать микроскопические транзисторы, из которых состоят вычислительные ядра, конденсаторы из которых состоит кэш и проводники между ними все меньших и меньших размеров. В результате на кусочке кремния того же размера удается разместить гораздо больше этих элементов, что позволяет повысить производительность, в тоже время проводники меньше греются и меньше потребляют энергии, так как они тоже стали тоньше и сопротивление их стало ниже.

На сегодняшний день самые современные процессоры производятся по технологическому процессу 22 нм (нанометра), к приобретению которых и нужно стремиться.

Энергопотребление процессора зависит от количества ядер, их частоты и технологического процесса. Здесь нужно учитывать, что мощный процессор нельзя поставить на самую дешевую материнскую плату и запитать таким же блоком питания. Так как они изначально не рассчитаны на такую нагрузку и могут быстро выйти из строя. Энергопотребление современных процессоров колеблется в пределах 65-125 Ватт, указывается на их упаковке и на сайте производителя. Аналогичные данные указываются в документации и на сайтах материнских плат.

Температурный приравнивается к максимальному энергопотреблению процессора и характеризуется таким показателем как максимальный температурный пакет «Thermal Design Power» или «TDP». Для современных процессоров он также составляет 65-125 Ватт. Здесь нужно учесть, что для процессора с TDP 65 Ватт хватит самого простого и дешевого кулера, с TDP 100 Ватт кулер нужен помощнее, желательно с 2-4 тепловыми трубками, с TDP 125 Ватт – кулер с 4 тепловыми трубками и более. Кулер дословно в переводе с английского – охладитель, который представляет собой обычно алюминиевый, иногда с медным основанием радиатор с прикрепленным к нему вентилятором для отвода тепла от процессора. Наиболее прогрессивные модели имеют конструкцию с так называемыми тепловыми трубками, которые с одной стороны плотно соприкасаются с процессором, а с другой с ребрами радиатора, обдуваемого вентилятором. Обычно в комплекте с процессором идет четко рассчитанный на него кулер, но в продаже встречаются процессоры и без кулера.

Рисунок 4 - Кулер с тепловыми трубками.

При установке или замене процессора понадобится термопаста, которая наносится тонким слоем на процессор перед установкой кулера. Она необходима для лучшей теплопередачи, иначе процессор будет перегреваться. Если процессор новый и идет в комплекте с кулером, то на нем уже будет нанесена термопаста.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение процессора, назначение процессора?
2. Назовите и поясните основные характеристики МП.
3. Что такое тактовая частота МП, и каково ее влияние на быстродействие ПК?
4. Назовите основные функции, выполняемые микропроцессором.
5. Каково назначение кэш-памяти?

Список литературы

1. Аппаратное обеспечение ЭВМ/ В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. -  336с.
2. Аппаратное обеспечение ЭВМ. Практикум / Н.В. Струмпэ, В.Д. Сидоров. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. -  160с.
3. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер,2011. – 560с.
4. Все о компьютерах- http://remontcompa.ru/