2015-10-14
1903
Центральный процессор (CPU – Central Processing Unit, ЦП) - основной рабочий компонент ПК. Он выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств ПК.
Производительность компьютеров традиционно принято оценивать по используемому в нем процессору. Считается, что именно этот элемент, определяет основные функциональные возможности современного персонального компьютера, его класс, стоимость, престиж. Хотя это и не совсем тaк, в производительность компьютера вносят определенный вклад и другие элементы: системная плата, память и устройства ввода-вывода. Но характеристики процессора оказывают решающее влияние на производительность компьютера. Признанный лидер в производстве процессоров для IBM PC- совместимых компьютеров - компания Intel, основанная в июне 1968 г. Основным конкурентом Intel является корпорация AMD (Advanced Micro Devices), а также Cyrix, Centaur, IDT, Rise.
Физически микропроцессор (МП) представляет собой интегральную микросхему, в которой находятся:
1) процессор - главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными;
2) сопроцессор - специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ;
3) кэш-память первого уровня, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений;
4) кэш-память второго уровня.
Процессоры устанавливаются в расположенные на системных платах разъемы, что позволяет, при необходимости заменяя используемый CPU на более современные модели, увеличивать производительность компьютера. От типа процессорного разъема или сокета (socket), установленного на системной плате, зависят возможности модернизации компьютера. Технически процессор реализуется на сверхбольшой интеграла ной микросхеме, называемой микропроцессором структура которой постоянно усложняется, а количество функциональных элементов (транзисторов), размещаемых на ней, постоянно возрастает (от 30 тыс. в процессоре Intel 8086 до 5 млн.в процессоре Pentium II, а в 2-ядерном процессоре Athlon 64X2 уже более 200 млн.).
Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Новые компоненты соединяются с шиной через слоты расширения. В результате, любой компонент, вставленный в слот, может взаимодействовать с каждым подключенным к шине компонентом.
Для организации связи между различными парами взаимодействующих объектов через общую шину используется механизм прерываний, которым управляет контроллер прерываний.
Основными характеристиками процессора являются:
· тактовая частота;
· разрядность;
· объем кэш-памяти.
Тактовая частота задает ритм работы компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и выше производительность компьютера. Единица измерения частоты МГц (миллион тактов в секунду). Однако увеличение тактовой частоты процессора сопряжено с рядом технических проблем. Повышение тактовой частоты вызывает увеличение рассеиваемой мощности и повышенный нагрев кристалла процессора. Выходом из этой ситуации долгое время было уменьшение размеров располагаемых на кристалле полупроводниковых элементов и проводников. Или, как говорят, уменьшение технологических или конструктивных норм. Например, современные производительные процессоры Pentium 4 Extreme Edition (ядро Prescott) производятся по конструктивным нормам 0,08 мкм.
Особенности внутренней архитектуры и набор поддерживаемых технологий могут оказывать заметное влияние на производительность процессора при выполнении определенных задач. Производительность определяется, как правило, в процессе тестирования, то есть установления скорости выполнения процессором перечня операций в какой-либо программной среде.
Другой характеристикой процессора, влияющей на eго производительность является разрядность. В общем случае, чем больше разрядность, тем выше производительность процессора.
Под разрядностью процессора понимается разрядность шины данных и шины адреса. Часто уточняют разрядность процессора и пишут, например, 64/32, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, то есть максимальный объем оперативной памяти,который может быть установлен в компьютере. В первом отечественном персональном компьютере «Агат» (1985 к) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственноего адресное пространство составляло 64 Кб. Процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/32, и его адресное пространство составляет 4 Гб.
Для того чтобы CPU был способен быстрее обмениваться данными с оперативной памятью, он снабжается встроенной кэш-памятью. Кэш-память, или просто кэш, - это небольшой массив быстродействующей памяти, предназначенный для временного хранения команд и данных. Кэш первого уровня обозначается - LI (Level1), встроенный на кристалле процессора кэш. Кэш второго уровня располагается на отдельном кристалле, но в том же узле, что и процессор. Кэш 1 и 2 уровня работают на тактовой частоте процессора.
Кэш-память 3 уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM(ее размер несколько Мб, но работает она на частоте материнской платы. В кэш-памяти накапливаются текущие обрабатываемые данные, команды. При их поиске процессор, в первую очередь обращается к кэш-памяти первого уровня - L1. Если данные, обнаружены, они сразу используются. В случае отсутствия данных на первом уровне выполняется поиск в кэш-памяти второго уровня. Если в кэш-памяти данные процессором не обнаружены, он обращается за ними в оперативную память. Механизм кэширования позволяет значительно увеличивать производительность компьютера.
Производительность процессора зависит также от частоты внешней шины процессора - FSB (Front Side Bus). Чacтoта на самой быстродействующей шине компьютера - внешней шине центрального процессора - отличается от внутрипроцессорной частоты. Внутрипроцессорная частота получается путем умножения внешней тактовой частоты на некий коэффициент в блоке умножения, который расположен в самом процессоре. Эта частота называется частотой ядра процессора или тактовой частотой. Следовательно, если частота на шине FSB равна, например, 533 МГц, частота ядра ЦП может достигать 2,8-3,06 Ггц.
Рост производительности процессоров происходит на фоне конкурентной борьбы основных производителей процессоров - компаний Intel и AMD. Наряду с совершенствованием внутренней архитектуры процессоров, основным средством повышения производительности, особенно у Intel, было повышение тактовой частоты. Начав с частоты немногим более 1ГГц, тактовая частота процессоров Intel Pentium IVсначала преодолела, рубеж в 2 ГГц, затем в 3 ГГц, а сейчас подходит к отметке 4 ГГц. Но с ростом тактовой частоты росла и потребляемая мощность процессоров и, как следствие, тепловыделение. И даже переход с 130-нанометрового технологического процесса производства процессоров на 90-нанометровый не смог в полной мере решить всех проблем.
Убедившись в невозможности дальнейшего эффективного увеличения тактовой частоты процессоров, и компания Intel, и компания AMD стали говорить о возможности дальнейшего увеличения производительности процессоров за счет перехода к двуядерным, а в дальнейшем, - многоядерным процессорам.
Самым важным событием 2005 года на рынке процессоров было появление центральных процессоров с двуядерной архитектурой, в которых на одном полупроводниковом кристалле располагаются два равноценных процессорных ядра, т.е. получается своего рода двухпроцессорная система на одном полупроводниковом кристалле. Главным инициатором в продвижении двуядерных процессоров выступила компании AMD, которая представила серверный процессор Opteron. Что касается процессоров для настольных компьютеров, то инициативу здесь перехватила компания Intel, первой представив процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Вслед за ними появились двуядерные процессоры Athlon64 Х2, производства AMD.
Самым большим достоинством новых продуктов явилось то, что переход к двуядерной системе не требовал замены материнской платы. При этомуже установленная операционная система моментально обнаруживала второе ядро (в списке оборудования появлялся второй процессор), и никакой специфической настройки программного обеспечения не требовалось (не говоря уже о полной переустановке операционной системы).
Преимущества двуядерных процессоров можно ощутить в мультимедиа-программах. Если при использовании обычного одноядерного процессора совместная обработка видео и аудиоданных заметно увеличивает время кодирования, то для двуядерных это не так: звуковой поток отправляется на второе ядро и его обработка не влияет на общие временные затраты. Правда, следует отметить, что объемы работы при видео и аудиообработке данных довольно сильно различается, поэтому равномерной загрузки ядер нет и рассчитывать на существенный рост производительности не приходится.
