Характеристики процессора.

Центральный процессор задается следующими характеристиками:

· количество процессоров (ядер).

· внутренняя разрядность процессора или разрядность адресной шины

· тактовая частота генератора (более 3 Ггц) и зависящий от нее машинный такт( 10-100 нс). Чем короче машинный такт, тем выше продуктивность процессора.

· форм-фактор

· размер кеш-памяти.

· частота системной шины

Тактовая частота. Тактовая частота — это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Конечно, число это очень велико, и каким-то образом увидеть отдельный такт мы не можем. То ли дело часы, которые тикают с частотой один такт в секунду!

Еще недавно этот показатель был для нас, пользователей, не то что са­мым важным — единственным значимым! Махровым цветом процветал «раз­гон» процессоров — каждый уважающий себя юзер считал прямо-таки необходимым «пришпорить» свой процессор — и впадал в экстаз, получив от него процессора лишнюю сотню мегагерц сверх номинала.

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 [ntel не встали законы физики. Ведь размеры транзисторов «ужимать» до бесконечности тоже нельзя! Уже сегодня процессоры произ­водятся по 65-наномикронной технологии, а толщина «подложки» транзис­торов не превышает 1 нм (всего пять атомов!). В ближайшие три года 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 Pentium тепловыделение составляло около 120 ватт (что соответствует двум бытовым электролампам)! Впрочем, производителей это не слишком беспокоит, ибо обходной путь уже найден.

Количество процессоров (ядер). Когда стало ясно, что выжать лишнюю пару-тройку гигагерц из уже и без того замученных процессорных ядер не получается, инженеры решили изменить тактику. В самом деле, зачем без особых успехов мочалить кнутом впряженную в колесницу прогресса лошад­ку, когда можно просто добавить в упряжку еще одну! Тем более, что мно­гопроцессорная технология была уже хорошо известна — для промышлен­ных компьютеров и сотня процессоров не редкость. Но вот дома даже двух­процессорные системы приживались с трудом — и дороги были, и программ, поддерживающих их, было немного. Пробным камнем стала созданная Intel технология HyperThreating, реализованная в процессорах Pentium 4: она по­зволяла процессору создавать своего виртуального «двойника». В итоге про­граммы вместо одного физического процессора видели сразу два! Понятно, что такое виртуальное удвоение в реальности не давало двухкратного пре­восходства. Но ситуация изменилась, когда инженеры научились выращи­вать несколько процессорных ядер на одном кристалле.

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.

В мае 2005 года корпорация Intel представила первые модели двухъядер-ных процессоров Pentium D (с частотой от 2 до 4 ГГц), а несколькими дня­ми позже свое семейство AMD X2 представила и AMD. Новинка встретила у покупателей самый благожелательный прием – ведь каждому ясно, что два куда больше, чем один! Правда, немногие понимали, что фактического уд­воения скорости двухъядерные процессоры не дадут... Чтобы научить про­граммы полноценно работать с двумя «камнями», для них приходилось ус­танавливать специальные «заплатки», и даже в этом случае выигрыш состав­лял не более 20—30 процентов. Впрочем, со временем программная начинка освоила новую технологию, и сегодня двухъядерный процессор приблизил­ся к двухкратному превосходству над своим одноядерным коллегой. В лю­бом случае, сегодня, когда «двойные» процессоры стоят около 100 долл., покупка одноядерного процессора лишена всякого смысла — он пригодит­ся разве что для модернизации старого компьютера.

Но прогресс не остановился и на этом: в начале 2006 г. на рынке появились первые четырехъядерные процессоры для платформы AMD 4x4. Правда, на настольных компьютерах такие камешки появятся не раньше концагода.

На данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные 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.

26 октября 2009 года Tilera анонсировала^[4] 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx. Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством технологии Mesh Network. Процессоры производятся по 40-нм нормам техпроцесса и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

Разрядность процессора. Раньше мы говорили о том, что тактовая час­тота — главный показатель производительности компьютера. На самом деле это не совсем так: у нашего процессора есть еще один важный пара­метр — разрядность. В учебниках разрядность характеризуется так: «максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно». Теперь вы понимаете, насколь­ко важна это величина? Ведь тактовая частота — это всего лишь скорость, с которой обжора-процессор заглатывает информацию. А разрядность сви­детельствует о размере куска, который влезает в один присест в его вир­туальную память.

До недавнего времени все процессоры были 32-битными (32-разрядны­ми) — и это было просто удивительно, поскольку этой разрядности они до­стигли добрый десяток лет назад! Правда, изменилась разрядность инфор­мационной магистрали (шины), по которой к процессору поступает инфор­мационный корм — она стала 64-битной.

Что же мешало процессору обзавестись большей разрядностью — ведь тактовая частота исправно росла каждый год? Ответ прост — программы, большинство которых было адаптировано под старую 32-битную платфор­му. А поскольку из всех параметров процессора покупатели смотрели толь­ко На тактовую частоту, процессоростроители просто не видели нужды в таком переходе.

Однако с насиженного гнезда стронулась компания AMD, несказанно удивившая мир выпуском в 2003 г. первого 64-битного процессора Athlon 64. Ход конем был красив и убедителен: хотя большинство пользователей по-прежнему сидели на 32-разрядных версиях Windows, принцип «64 больше, чем 32» сработал как надо. Дела у AMD пошли настолько хорошо, что от выпусков 32-битных процессоров было решено вовсе отказаться: сегодня все процессоры AMD 64-битные, за исключением «народного» Sempron.

Консерваторы из Intel держались до последнего: вплоть до 2005 г. все процессоры серии Pentium 4 были по-прежнему 32-битными. Лишь в сере­дине года, когда на рынке появились новые модели процессоров Pentium 4 серии 6хх, в них впервые была встроена поддержка 64-битных инструкций.

Разрядность адресной шины влияетна объем адресуемой памяти. Так при помощи 32 разрядной шины можно максимум адресовать 4 Гбт памяти, при 64- разрядной до 1 Тбт. Разрядность шины данных влияет на продуктивность работы компьютера.

Для полноценной работы с 64-разрядными процессорами тре­буется специальная, 64-разрядная версия операционной системы — напри­мер, Windows ХР (или Vista) 64 bit Edition. Это не значит, что обычная, 32-разрядная версия Windows не будет работать на 64-битных «камнях» — ра­ботать-то будет, но раскрыть весь потенциал процессора она в таких условиях явно не сможет.

При объединением элементов процессора в один кристалл наиболее узким местом в производительности процессора стала не пересылка данных между элементами процессора, а скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами по шине. Поскольку любая операция, в том числе и пересылка данных, не может происходить быстрее, чем за такт, логично предположить. что желательно передавать как можно больше информации за один такт. Так как единицей информации является один бит (двоичный разряд), то, чем больше передается разрядов за один такт (по шине данных), тем быстрее работает процессор.

С разрядностью шины адреса немного сложнее. Дело в том, что вся адресуемая память компьютера пронумерована побайтно. Поэтому для обращения процессора к памяти ему необходимо запросить адрес нужных данных по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Так, при 8-ми разрядной шине возможна адресация 256 байт, при 16-ти разрядной – 64 Кбайт, а при 32-х разрядной – 4 Гбайт.

Между шиной адреса и шиной данных есть эмпирическое соотношение: чем больше процессор должен адресовать памяти (т.е. чем больше разрядность шины адреса), тем быстрее они должны поступать в процессор. Следовательно, тем шире шина данных.

Форм-фактор.

Часто смена типа ядра влечет за собой изменение в его внешности – форм-факторе. Форм-фактор – это тип корпуса, в который упакован процессор. Например, процессоры AMD вставляются в разъем Socket АМ2. Процессоры Intel, включая последние модели Pentium D, Core 2 Duo поддерживают форм-фактор LGA 775, Xeon QuadCore поддерживает форм-фактор LGA 771.

Размер кеш-памяти.

Кеш-память – это небольшая по объему встроенная в процессор память, куда помещаются наиболее часто используемые данные. Необходимоть такой памяти обусловлена меньшим временем доступа чем к ОП или жесткому диску. Различают кеш-память первого и второго уровня. Кеш память первого уровня самая быстрая и имеет объем от 16 до 128кб. Кеш память второго уровня имеет объем от 128кб до 6 Мб. Кэш 3-го уровня (от 2-6 Мбт)самая большая по объёму и довольно медленная, но всё же она гораздо быстрее, чем оперативная память

Частота системной шины прямо связана с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения» Например, частота процессора 2,4 ГГц – это частота системной шины 200 МГц умноженная на коэффициент 12. 200 Мгц – это РЕАЛЬНАЯчастота системной шины. Она может быть увеличена в несколько раз за счет «разгона» специальными средствами но не выше 2,4 ГГц.

RISC и CISC процессоры. http://yudenisov.narod.ru/EIS/Vol06/d.htm

Аббревиатура RISC (reduced instruction set computer) появилась в середине 80-х годов XX века, когда ученые из Беркли сообщили о создании "компьютера с ограниченным набором команд". С тех пор остальные компьютеры стали называться CISC (complication instruction set computer – компьютеры со сложным (расширенным) набором команд.) К CISC-процессорам относятся процессоры системы IBM 360/370, Intel 80x86 и Pentium, Motorola MC680x0, DEC VAX и некоторые другие. К RISC-процессорам относятся Sun Ultra SPARC, MIPS, Alpha DEC, PowerPC и некоторые другие.

RISC-процессоры характеризуются следующими особенностями:

1. Из них удалены сложные (типа двоичного умножения) и редко используемые инструкции.

2. Все инструкции имеют одну длину. При этом уменьшается сложность устройства управления процессора и увеличивается скорость дешифрации команд.

3. Отсутствуют инструкции, работающие с памятью напрямую (типа команд "память - память", "регистр - память"). Возможна только загрузка данных из памяти в регистр и наоборот, из регистра в память. Соответственно на порядок увеличивается число регистров.

4. Отсутствуют операции работы со стеком.

5. Возможно использования конвейера и параллельных вычислений. АЛУ, например, одновременно может работать с 2-мя 32-х разрядными, 4-мя 16-ти разрядными, и 8-мью 8-ми разрядными числами. Смысл же конвейера – в накоплении последовательно выполняемых команд программы (т.н. линейных участков) в буфере для их ускоренного дешифрования и выполнения.

6. Почти все операции осуществляются за один такт микропроцессора.

7. Благодаря этим нововведениям тактовая частота RISC-процессоров (при прочих равных условиях) выше.

Более того, в RISC-микропроцессорах появилась возможность работы разных его составляющих на разных тактовых частотах. Например, из-за того, что содержимое памяти обычно дублируется в кэше, частоту работы АЛУ, регистров и дешифратора команд можно повысить, а частоту синхронизации пересылки между кэшем и памятью, предвыборки команд можно уменьшить. Поэтому при указании тактовой частоты процессора выбирают его максимальную частоту.