2.4.2. Процессор (cpu).

ПроцессорилиCPU (Central Processing Unit) – это устройство, в котором, собственно, и происходит обработка информации, т.е. реализуется основная функция компьютера. Процессор получает данные из оперативной памяти, обрабатывает их и возвращает обратно в оперативную память. Обменом данными между процессором и оперативной памятью управляет контроллер памяти, входящий в состав чипсета. В последнее время появились ПК, использующие высокопроизводительный интерфейсHypertransport, успешно использовавшийся ранее в суперкомпьютерах и позволяющий эффективно реализовать многопроцессорные системы. При такой архитектуре контроллер памяти является составной частью процессора, что позволяет процессору взаимодействовать с памятью напрямую.

Данные из памяти передаются процессору в специальные ячейки – регистры. Для того чтобы процессору запросить какие-либо данные из оперативной памяти, ему необходимо указать, где именно в оперативной памяти эти данные находятся. Местонахождение данных в оперативной памяти указывается с помощьюадреса– порядкового номера байта оперативной памяти. Данные, расположенные в оперативной памяти, могут быть двух видов – собственно данные или коды команд процессора. Хотя в обоих случаях в памяти записано какое-то двоичное число, интерпретируется это число по-разному – команды и данные передаются по разным шинам на разные регистры. Для передачи адресов также предусмотрена отдельная шина и отдельная группа регистров. Таким образом, в обмене данными между процессором и памятью используется системная шина, состоящая из трех частей - адресной шины, шины команд и шины данных. Разрядность каждой из этих шин в значительной степени определяет производительность компьютера, но наиболее важна разрядность адресной шины, т.к. она определяет максимально возможное значение адреса оперативной памяти и, следовательно, максимальный объем оперативной памяти, с которой может работать процессор (объем адресуемой памяти). Если разрядность адресной шины равна, то объем адресуемой памяти равенбайт, т.е. для 16-разрядной шиныB = 64 kB, для 32-разрядной шиныB = 4 GB, для 64-разрядной шины объем адресуемой памяти составляет16 млн. терабайт – больше, чем суммарный объем памяти всех компьютеров мира. Кроме разрядности шины (внешней разрядности) важна и емкость внутренних регистров (внутренняяразрядность процессора), определяющая количество бит, обрабатываемых любым автономным блоком процессора за 1 такт. В настоящее время большинство персональных компьютеров 32-разрядные, но появляются и 64-разрядные.

Для повышения эффективности работы в современных процессорах используется встроенная быстродействующая память – кэш-память, выполняющая функцию буфера между оперативной памятью и ядром процессора, в котором происходит выполнение команд. Данные из оперативной памяти сначала попадают в кэш-память процессора и только затем подвергаются дальнейшей обработке. При этом реализуетсяпакетный способпередачи данных – данные из оперативной памяти в кэш-память передаются сразу большим блоком (пакетом).

Производительность процессора зависит в первую очередь от его тактовой частоты , определяющей количество элементарных операций совершаемых процессором в единицу времени. Современные ПК характеризуются значениямиот 2 ГГц до 4 ГГц. Использование более высоких тактовых частот связано со значительными техническими трудностями, главными из которых являются проявление волновых свойств электрических импульсов на высоких частотах (что приводит к искажениям сигналов) и увеличение тепловыделения с ростом частоты (что приводит перегреву микросхем или к необходимости делать сложную и громоздкую систему охлаждения). Поэтому в настоящее время разработчики процессоров стремятся увеличить производительность процессоров, не увеличивая существенно тактовую частоту.

Производительность процессора зависит также от числа элементарных операций, выполняемых процессором одновременно (за один такт). В этом случае говорят, что операции выполняются параллельно и что процессор поддерживает параллельные вычисления. Рассмотрим основные способы организации параллельных вычислений внутри процессора.

Конвейерная обработка данных. Применяется почти во всех современных процессорах. В основу конвейерной обработки положен тот факт, что тактовые (т.е. выполняющиеся за один такт частоты процессора) элементарные операции, на которые разбивается каждая команда, выполняются разными независимыми блоками процессора. Эти операции могли бы выполняться одновременно, но для одной команды это невозможно – каждая следующая операция использует результат предыдущей. Зато одновременные вычисления можно организовать для группы однородных независимых между собой команд. Пусть, например, процессору нужно выполнить последовательность из большого количества независимых однотипных команд. Для упрощения рассуждений будем считать, что процессор состоит изnблоков, а каждая команда состоит из последовательностиnтактовых операций, причем,i-ю операцию выполняетi-й блок. После того, как 1-й блок выполнит 1-ю операцию 1-й команды (за 1-й такт), он освободится и сможет сразу выполнить 1-ю операцию 2-й команды. Одновременно с ним 2-й блок будет выполнять 2-ю операцию 1-й команды. Все это произойдет за 2-й такт. За 3-й такт 1-й блок выполнит 1-ю операцию 3-й команды, 2-й блок – 2-ю операцию 2-й команды, а 3-й блок – 3-ю операцию 1-й команды и т.д. Таким образом, каждая очередная команда процессора начинает выполняться не после окончания предыдущей команды (на это в нашем примере ушло быnтактов), а через один такт после начала предыдущей. Эффективность конвейерной обработки зависит от конструкции процессора,объема кэш-памяти, и от специфики обрабатываемого программного кода.

Конвейерная обработка данных, позволяющая одновременно обрабатывать любые (не обязательно однотипные) команды называется суперскалярной.

Технология Hyperthreading (гипертрединг, многоконвейерная обработка данных) – дальнейшее развитие идеи конвейерной обработки. В этом случае процессор снабжается двойным набором регистров и воспринимается программным обеспечением как 2 параллельно работающих процессора. На самом деле процессор один и имеет одно ядро, в котором собственно происходят вычисления, но одновременно могут выполняться команды от 2-х различных задач. Наибольший эффект дает использование такого процессора, если компьютер работает в многозадачном режиме (это характерно для всех современных ПК), причем, одновременно выполняющиеся программы носят существенно разный характер. Например, если сложная вычислительная задача выполняется одновременно с компьютерной игрой, процессор сHyperthreadingдаст максимальный выигрыш – обе программы почти не заметят друг друга. Если же одновременно работают две вычислительных задачи, то использование процессора сHyperthreading практически не даст выигрыша по сравнению с таким же процессором без этой технологии.

Двухядерные процессоры. Это по сути дела выполнение двух процессоров в одной микросхеме, т.е. одновременное использование двух параллельно работающих процессоров. Использование двухядерного процессора повышает производительность работы в 2 раза практически для любого многозадачного режима работы компьютера. Не дает выигрыша такой процессор только в однозадачном режиме (например, в операционной системеDOS).Дальнейшее развитие этой технологии, по-видимому, приведет к созданию многоядерных процессоров для ПК.

Конструктивно любой процессор для ПК выполняется в виде микросхемы, которая вставляется в специальный (процессорный) слот материнской платы. Т.к. работа процессора сопровождается выделением большого количества тепла, для его охлаждения используются радиатор и специальный вентилятор, которые плотно прижимаются к корпусу процессора. В настоящее время есть несколько стандартов процессорных слотов, поэтому необходимо, чтобы процессор и материнская плата соответствовали друг другу.

Микросхема процессора состоит из огромного количества (сотен миллионов) мельчайших полупроводниковых элементов – транзисторов. Количество транзисторов в единице объема процессора называется степенью интеграциии определяет удельную производительность. Увеличение степени интеграции позволяет либо уменьшить объем при данной производительности, либо увеличить производительность при заданном объеме. Вместо степени интеграции часто пользуются другой величиной – средним размером одного транзистора. В этом случае говорится, что микросхема изготовлена по технологии … - и далее указывается средний размер транзистора в микронах (1мкм = 10^-6м) .или в нанометрах ( 1 нм = 10^-9м). Современные микросхемы изготавливаются по технологии 50 – 90 нм, что близко к технологическому пределу.

Наиболее крупный производитель процессоров для ПК - патриарх разработки компьютерных микрочипов - фирмаIntel. На протяжении последних 20 лет она выпускала процессоры8086,80286,80386,80486,Pentium, Pentium-MMX, Pentium-2, Pentium-3, Pentium-4, Pentium-D, Core Solo, Core Duo (приведены в хронологической последовательности). Одновременно сPentium-2 была также запущена линейка аналогичных, но несколько более дешевых (бюджетных) процессоровCeleron.Кроме того,выпускается линейка дорогих процессоровXeonдля серверов.

Кроме Intel, крупным производителем процессоров является фирмаAMD. Ее последние разработки – 64-х разрядные процессорыAthlon64, двухядерные 64-х разрядные процессорыAthlon64 X2, серверные одноядерные и двухядерные процессорыOpteron, бюджетная линейкаSempron.

Выпускаются и другие типы процессоров. Например, во многих ПК Макинтош фирмы Apple используются процессорыPowerPC – совместная разработка фирмMotorola, Apple иIBM.