ЛЕКЦИЯ № 4 МИКРОПРОЦЕССОРЫ Центральный процессор основной

ЛЕКЦИЯ № 4
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это
основной
рабочий
компонент
компьютера,
который
выполняет
арифметические и логические операции, заданные программой, управляет
вычислительным процессом и координирует работу всех устройств
компьютера.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему —
тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы
площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены
схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно
помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и
соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его
можно было присоединить к системной плате компьютера.
Создание фирмой Intel первого микропроцессора в 1971 году положило
начало эпохе компьютеризации. “Благодаря микропроцессорам компьютеры
стали массовым, общедоступным продуктом”, - заявил Тед Хофф (Ted Hoff),
один из изобретателей первого микропроцессора. Его имя, вместе с именами
его коллег - Федерико Феджина (Federico Faggin) и Стена Мейзора (Stan
Mazor), внесено в список лауреатов Национального зала славы изобретателей
США, а само изобретение признано одним из величайших достижений ХХ
века.
За чуть более чем четверть вековую историю микропроцессоры прошли
поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750
КГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около $200. Производительность
его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду.
Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успехов
микропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем совета
директоров фирмы Intel Гордоном Муром (Gordon Moore): “Если бы
автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой
промышленности, то сегодня “Роллс-Ройс” стоил бы 3 доллара, мог бы
проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле
его выбросить, чем платить за парковку”.
Итак, в 1971 году фирмой Intel была выпушена интегральная
микросхема 4004. Это был первый микропроцессор, функционально
аналогичный микропроцессору ЭВМ, но значительно менее мощный микропроцессор 4004 был 4-разрядным. Он предназначался для
использования в микрокалькуляторах.
Первый персональный компьютер (ПК) ALTAIR, выпущенный фирмой
MITS (Micro Instrumentation Telemetry Systems) в 1975 году, был основан на
восьмибитовом микропроцессоре 8080 фирмы Intel с оперативной памятью
1Kb и языком программирования Basic, написанный Биллом Гейтсом и
Полом Алленом из Micro-Soft (так выглядело первое название этой
организации). Компьютер стоил около $400 и потому был многим доступен
по цене. Последовавшие за ним компьютеры других фирм работали на 8разрядных микропроцессорах Intel 8080, Motorola 6800, Zilog Z-80. Одним из
самых популярных ПК стал 8-разрядный Apple II фирмы Apple Computer. Его
популярность в том, что ПК обладал модульной конструкцией с
возможностью расширения системы. Таким образом, изюминкой ПК стала
возможность
достраивания
системы
независимо
произведенными
устройствами вкупе с широкой доступностью информации о принципах
сопряжения компонент. Другими словами, архитектура ПК Apple II была
открытой.
Успех ПК Apple стала поводом для беспокойства корпорации IBM, до
1981 года неизвестной на рынке ПК. Мозгом нового ПК, разработанного
небольшим коллективом инженеров IBM в кратчайшие сроки с
минимальными затратами, стал новый 16-разрядный микропроцессор 8088
фирмы Intel . Колоссальные объемы продаж IBM PC подтолкнули другие
фирмы к производству и продаже компьютеров. В 1982 г. появились первые
"родственники" и "двойники" ( клоны ) ПК IBM. Когда в 1984 г. фирмой IBM
был разработан ПК на базе 80286 микропроцессора фирмы Intel ( модель IBM
PC AT ), то к этому времени так называемые IBM PC-совместимые
компьютеры производили уже около 50 компаний. К концу 1986 года
ежегодная продажа IBM PC-совместимых ПК сторонними фирмами
превзошла по объему продажу оригинальных компьютеров IBM. Наконец
фирма Compaq Computer прежде IBM приступила к выпуску ПК на основе
микропроцессора Intel386.
Начальная модель ПК фирмы IBM называлась именно IBM PC. Она
имела микропроцессор 8088 с тактовой частотой 4,77 МГц и два накопителя
(дисковода) для гибких магнитных дисков. Теперь термин "IBM PC"
понимают как собирательный образ всех моделей всех поколений IBM РСсовместимых ПК. Модель IBM PC XT (eXtended [расширенная] Technology),
выпущенная в 1983 году, отличалась от оригинальной модели наличием
дисковода для жесткого магнитного диска на 10 Мбайт. Сейчас компьютером
ХТ обычно называют все, что угодно, с микропроцессором 8088 или 8086 и
жестким диском.
Наиболее широкое толкование допускает термин АТ. Модель IBM PC
АT(Advanced [передовая] Technology) появилась в 1984 году. Она имела
микропроцессор 80286 и жесткий диск емкостью 20 Мбайт. В настоящее
время многие называют "АТ" все, что лучше "ХТ", легкомысленно добавляя
сокращенное наименование микропроцессора АТ 286, АТ 386,АТ 486...
В настоящее время используется ATX форм-фактор. AT Extension
(расширение AT) - стандарт корпуса и системной платы для настольных
компьютеров. Стандартный размер материнской платы - 305 x 244. Блок
питания имеет приточную систему вентиляции. Процессор устанавливается в
непосредственной близости от него и имеет свой собственный вентилятор.
Основной причиной перехода на новый форм-фактор явилось увеличение
размеров микропроцессоров, энергопотребления (не менее 300 Вт), что
повлекло увеличение размеров материнских плат и всего системного блока.
Классификация, именование и краткие параметры микропроцессоров
Основными характеристиками процессоров являются:
- Разрядность. – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над
которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе
и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих
равных условиях, будет больше и производительность ПК.
- Интерфейс с системной шиной. Количество разрядов интерфейса с шиной
данных влияет на эффективность обмена данными с внешними
устройствами. От разрядности адресного интерфейса напрямую зависит
максимальный объем адресуемой оперативной памяти. Разрядность шины
данных процессора определяет разрядность ПК в целом.
- Тактовая частота. Необходима для синхронизации работы устройств
компьютера. Влияет на скорость работы микропроцессора. При этом разные
модели процессоров могут выполнять одни и те же операции (например,
умножение) за разное число тактов. Измеряется в мегагерцах (МГц и ГГц).
- Адресация памяти. Количество адресуемой памяти равно 2 в степени
разрядности адресной шины.
Как нетрудно заметить, развитие микропроцессоров (далее просто
процессоров) фирмы Intel и их клонов, было одним из основных факторов,
влияющих на прогресс ПК IBM. По одному названию модели процессора
можно составить почти полное представление о том, к какому классу
оборудования принадлежит компьютер.
Ниже приводятся данные по процессорам фирмы Intel и AMD (Advanced
Micro Devices), которые стали основными поставщиками процессоров для
компьютеров Desktop. Все данные сведены в две таблицы. Первая таблица
посвящена процессорам 1975-1993 года выпуска, а вторая таблица
охватывает период с появления процессора Pentium и до 2001.
Задание для самостоятельной подготовки: составить таблицу
параметров современных микропроцессоров.
Разрядно
сть
8086
16
8088
16
80286
16
80386DX
32
80386SX
32
486DX
32
486SX
32
Модель
Интерфейс
Адрес Данные
20
16
20
8
24
16
32
32
24
16
32
32
32
32
Тактовая частота
5,8,10
5,8
8,10,12
16,20,25,33
16,20,25,33
25,33,50
16,20,25,33
Адресац
ия
1M
1M
16 M
4Г
16 М
4Г
4Г
486DX2
486DX4
PENTIUM
32
32
32
32
32
32
32
32
64
50,66
75,100
66,90,100, 120,133,166,200
4Г
4Г
4Г
Сравнивать процессоры от Intel и AMD неблагодарное занятие, т.к.
всегда найдутся некоторые различия в конфигурации ПК, взятых для
сравнения. Для любителей тестирования рекомендуется посетить сайт
http://www.thg.ru/cpu/index.html.
Что же дальше? Так, в июне 2001 года Intel создала самые
быстродействующие в мире транзисторы, которые почти в 1000 раз
производительнее транзисторов в Pentium 4. Новые транзисторы имеют
размер всего в 0.02 микрона, а у некоторых из них (оксидной пленки затвора)
толщина составляет всего три атомарных слоя.
Многоядерные процессоры
Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном
или нескольких кристаллах).
Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие
логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core
Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено
на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх
физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.
10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде
одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron,
имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.[1]
19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для
домашних компьютеров AMD Phenom.[2] Эти процессоры реализуют новую
микроархитектуру K8L (K10).
27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 8-ядерного
процессора.[3] Предполагается, что массовое производство подобных
процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый
техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году.
На данный момент массово доступны двух- и четырёхъядерные
процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на
45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре
2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на
ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в
одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре
Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший
объём кэша и рабочие частоты.
Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя
четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые
четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически
склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность
подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший
название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание
от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более
процентов в зависимости от модели и конкретных задач.
К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки
четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7,
состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными
изюминками данного процессора является использование трёхканального
контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер
(полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей
оптимизации
архитектуры
удалось
значительно
повысить
производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной
платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так
как для установки данного процессора необходима дорогая материнская
плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также
имеющий на данный момент высокую стоимость.
Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров
Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен
объём кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство
процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить
тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом, AMD
Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel
предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от
Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость
платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят
куда более радужно, чем у предшественника.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она
последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось
обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный
процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же
операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана. Для
преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры
процессоров,
которые
называются
параллельными.
Параллельные
процессоры используются в суперкомпьютерах.
Модель
Год
вып
уска
Такт
овая
част
ота
ядра,
МГц
Тактовая
частота
системной
шины,
МГц, ГГц
Техноло
гия
изготов
ления,
мкм
Разъем
Кэш
памят
ь, Kb
Набор
инструкци
й
Примечание
Процессоры фирмы INTEL
Pentium
(P5, а
также
i80501)
Pentium
(
P54, он
же
i80502)
Pentium
Pro (P6)
Pentium
MMX
(P55)
Pentium
II
(Klamat
h P6)
Pentium
II
(Deschut
es )
Celeron
(Covingt
on)
Celeron
(Mendoc
ino )
Pentium
III
(Katmai)
1993
6066
50, 60, 66
0,8
Socket 4
1994
75200
50, 60, 66
0,5-0,35
Socket 7
L1 –
16
1995
150 200
60,66
0,5-0,35
Socket 8
L1 –
16
L2 256 2048
1997
166233
66
0,35
Socket 7
L1 –
32
1997
233300
66
1998
266450
66, 100
1998
266300
1998
300533
1999
450600
66
66
100
0,35
Slot 1.
Slot 1.
L1 –
32
L2 512
L1 –
32
L2 512
Впервые
применена
кэш-память
L2,
объединенная
в одном
корпусе с
ядром и
работающая
на частоте
ядра
процессора.
ММХ
ММХ
ММХ
0,25
облегче
нный
Slot 1
L1 –
32
ММХ
0,25
Socket
370
L1 –
32 L2
-128
ММХ
Slot 1.
L1 –
32
L2 512
SSE
0,25
высокой
устойчивость
ю работы в
режимах
разгона
Pentium
III
(Copper
mine )
533 и
2000 выш
е
Pentium
III
(Tualatin
-256Kb)
1,
1,13
ГГц
и
выш
е
Pentium
4
(Willam
ette)
2001
2000
1,4 2
ГГц
2002
2
ГГц
и
выш
е
Pentium
4
(Northw
ood)
Pentium
4
(Itanium
)
Pentium
III
(Banias)
2002
2003
2002
2003
667
МГц
и
выш
е
1,4
ГГц
и
выш
е
100,133
100,133
100 МГц,
обеспечив
ающая
передачу
данных с
частотой
400 МГц и
передачу
адресов с
частотой
200 МГц
133 МГц,
обеспечив
ающая
передачу
данных с
частотой
533 МГц и
передачу
адресов с
частотой
200 МГц
266 МГц,
100 и
выше
0,18
Socket
370
L1 –
32
L2 256
SSE
0,13
Socket
370
L1 –
32
L2 256
SSE
Socket
423
L1 –
20
L2 –
256
SSE2
Socket
478
L1 –
20
L2 –
512
SSE2
Socket
М
треху
ровне
вая
кэшпамят
ь
объем
ом 2-4
Мбай
т
0,18
0,13
0,18
0,13
?
L1 –
32
L2 128
SSE,
SSE2 ?
64-разрядный
процессор,
ранее
известный
под кодовым
наименование
м Merced
SSE
В чип
интегрирован
ы
вычислительн
ое ядро
процессора,
графическое
ядро, а также
северный
мост чипсета.
Варианты
Low Voltage и
Ultra Low
Voltage.
K5
199
4
75 до
166
K6 (Little
Foot).
199
5
166 300
K6-2
(Chomper
)
Процессоры фирмы AMD
L1 –
50 до 66
Socket 7
24
66
0,350,25
Socket 7
199
8
266 400
66, 95, 100
0,25
Socket 7
K6-2+
199
8
266 400
выш
е
100
0,18
Socket 7
K6-III
(Sharptoo
th)
199
9
400450
100
0,25
Socket 7
К7
(Athlon)
199
9
5001000
К7
(Duron)
200
0
К7
(Thunder
bird )
К7
(Athlon
XP, ядро
Palomino)
К7
(Athlon
XP, ядро
Thorough
bred)
К7
(Hammer)
100
0,25
Slot A
600 и
выш
е
100
0.25,
0,18
Socket
A
200
0
1,331,5
100, 133
0,18
Socket
A
200
1
1,533
и
выш
е
266
0,18
Socket
A
кон
ец
200
2
2и
выш
е
266
0,13
кон
ец
200
2
2и
выш
е
?
0,13
L1 –
64
L1 –
64
L2512
L1 –
64
L2512
L1 –
64
L2256
L1 –
128
L2512
L1 –
128
L2-64
L1 –
128
L2512
L1 –
128
L2256
Конкурент
Pentium
ММХ
Конкурент
Pentium II
3DNow!
L2 - на
материнской
плате
3DNow!
L2 - на
материнской
плате
3DNow!
Расширен
ный
3DNow!
Расширен
ный
3DNow!
Ядро K75 –
алюминиевые
соединения,
K76 –
медные.
Конкурент
процессоров
Celeron
Расширен
ный
3DNow!
SSE
Socket
A
L1 –
128
L2256
SSE
Socket
A
?
SSE2?
семейство 64разрядных
процессоров