• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Память микропроцессора

Знакомство с , касающимися компьютерной памяти и ее иерархии помогут лучше понять содержание этого раздела.

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Рассмотрим работу микропроцессора на конкретном примере выполнения им простой программы, которая вычисляет факториал от числа «5». Сначала решим эту задачку «в тетради»:

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

A=1;f=1;while (a

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

• LOADA — 1
• LOADB — 2
• CONB — 3
• SAVEB — 4
• SAVEC mem — 5
• ADD — 6
• SUB — 7
• MUL — 8
• DIV — 9
• COM — 10
• JUMP addr — 11
• JEQ addr — 12
• JNEQ addr — 13
• JG addr — 14
• JGE addr — 15
• JL addr — 16
• JLE addr — 17
• STOP — 18

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Разговор о декодировании придется начать c рассмотрения филологических вопросов. Увы, далеко не все компьютерные термины имеют однозначные соответствия в русском языке. Перевод терминологии зачастую шел стихийно, а поэтому один и тот же английский термин может переводиться на русский несколькими вариантами. Так и случилось с важнейшей составляющей микропроцессорной логики «instruction decoder». Компьютерные специалисты называют его и дешифратором команд и декодером инструкций. Ни одно из этих вариантов названия невозможно назвать ни более, ни менее «правильным», чем другое.

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

• В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
• В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
• В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Количество транзисторов в процессоре является важным фактором, влияющим на его производительность. Как было показано ранее, в процессоре 8088 на выполнение одной инструкции требовалось 15 циклов тактовой частоты. А чтобы выполнить одну 16-битную операцию, уходило и вовсе порядка 80 циклов. Так был устроен умножитель АЛУ этого процессора. Чем больше транзисторов и чем мощнее умножитель АЛУ, тем больше всего успевает сделать процессор за один свой такт.

Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

64-битные процессоры

Хотя массовое распространение 64-битные процессоры получили лишь несколько лет назад, они существуют уже сравнительно давно: с 1992 года. И Intel, и AMD предлагают в настоящее время такие процессоры. 64-битным можно считать такой процессор, который обладает 64-битным арифметико-логическим устройством (АЛУ), 64-битными регистрами и 64-битными шинами.

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

Но далеко не все пользователи ощутят преимущества 64-битной архитектуры. Она необходима, прежде всего, тем, кто занимается редактированием видео и фотографий, а также работает с различными большими картинками. 64-битные компьютеры по достоинству оценены ценителями компьютерных игр. Но те пользователи, которые с помощью компьютера просто общаются в социальных сетях и бродят по веб-просторам да редактируют текстовые файлы никаких преимуществ этих процессоров, скорее всего, просто не почувствуют.

По материалам computer.howstuffworks.com

Центральный процессор является ключевым компонентом любого персонального компьютера. В этом материале мы расскажем об основных характеристиках современных процессоров, их технологических особенностях и базовых функциональных возможностях.

Введение

Любое компьютерное устройство, будь то ноутбук, настольный ПК или планшет состоит из нескольких важных компонентов, которые отвечают за его функциональные возможности и работоспособность в целом. Но, пожалуй, самым важным из них является центральный процессор (ЦП, ЦПУ или CPU) - устройство, отвечающее за все основные вычисления и выполняющее машинные инструкции (код программ). Недаром, именно процессор, считается мозгом компьютера и главной частью его аппаратного обеспечения.

Как правило, выбирая себе компьютер, мы в первую очередь обращаем внимание на то, какой именно процессор находится в его основе, так как от его производительности будут напрямую зависеть возможности и функциональность вашего будущего ПК. Именно поэтому, человек, который владеет информацией о современных производителях процессоров и тенденциях развития этого рынка, сможет грамотно определить не только возможности того или иного компьютерного устройства, но и оценить перспективность будущей покупки нового ПК или обновления старого.

Совершенно очевидно, что процессоры, установленные во всевозможных компьютерных и электронных устройствах, отличаются между собой не только своей производительностью, но и конструктивными особенностями, а так же принципами работы. В рамках этого цикла мы с вами будем знакомиться с процессорами, построенными на базе архитектуры x86 , которые лежат в основе большинства современных настольных компьютеров, ноутбуков и нетбуков, а так же некоторых планшетов.

Наверняка, у многих читателей, особенно тех, кто только начинает знакомиться с компьютером, существует определенное предубеждение, что разбираться во всех этих «процессорных премудростях» удел опытных пользователей, потому что это очень сложно. Но так ли все проблематично на самом деле?

С одной стороны, конечно процессор - это очень сложное устройство и досконально изучить все его технические характеристики действительно непросто. Еще больше усугубляет ситуацию тот факт, что количество моделей ЦП, которые вы сможете сейчас найти на современном рынке очень велико, так как одновременно в продаже присутствуют сразу несколько поколений чипов. Но с другой стороны, процессоры имеют всего несколько ключевых характеристик, разобравшись в которых, рядовой пользователь сможет самостоятельно оценить возможности той или иной модели процессора и сделать правильный выбор, не запутавшись во всем модельном разнообразии.

Основные характеристики процессоров

Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования моделей ранних изделий Intel - пользователи со стажем наверняка помнят еще 286-е (80286), 386-е (80386) и 486-е (80486) «персоналки», являвшиеся мечтой любого компьютерщика конца 80-ых, начала 90-ых годов.

На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD, VIA, SiS, Cyrix и многих других.

Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном рынке, являются:

• фирма производитель
• серия
• количество вычислительных ядер
• тип установочного разъема (сокет)
• тактовая частота.

Производитель (бренд) . На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intelсоставляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена.

Серия - является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.

На сегодняшний день в основе продукции компании Intelлежат пять основных семейств -Pentium (Dual-Core) , Celeron (Dual-Core) , Core i3, Core i5 и Core i7 . Первые три нацелены на бюджетные домашние и офисные решения, два последних лежат в основе производительных систем.

Процессор Intel Core i7

Несколько особняком от основных семейств держится линейка чипов Atom , отличающаяся от остальных низким энергопотреблением и невысокой стоимостью. Эти процессоры предназначены для установки в бюджетных системах, где не требуется высокая производительность, но необходимо малое потребление энергии. К таковым относятся нетбуки, неттопы, планшетные ПК и коммуникаторы.

Нельзя не упомянуть и еще об одном семействе процессоров компании из Санта-Клара - Core 2 . Не смотря на то, что оно уже не выпускается, и найти его в продаже можно лишь на различных «барахолках», до сих пор, у пользователей это семейство пользуется заслуженной популярностью, а многие нынешние домашние компьютеры оснащены процессорами именно этой серии.

Компания AMD, почитателям своей продукции, предлагает процессоры серий Athlon II , Phenom II , A-Series и FX-Series . Путь двух первых семейств подходит к логическому завершению, последние же два только набирают обороты. Кое-где еще можно встретить в продаже самые бюджетные процессоры Sempron , хотя их дни практически сочтены.

Процессор AMD FX-Series

Как и Intel, AMD имеет тоже свою «мобильную» серию под названием E- series , микропроцессоры которой характеризуются пониженным энергопотреблением и предназначены для установки в недорогие настольные и портативные ПК.

Количество вычислительных ядер . Еще в прошлом десятилетии разделение процессоров по количеству ядер не было вовсе, так как все они были одноядерными. Но времена меняются, и сегодня одноядерные ЦП можно назвать анахронизмом, а на смену им пришли многоядерные собратья. Самыми распространёнными из них являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами.

Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность, и как вы понимаете, чем их больше, тем она выше. Правда при работе со старым, неоптимизированным под многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать.

Тип разъема . Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных ПК, таковых семь - четыре для чипов Intel и три для AMD.

Основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров Intel считается LGA 1155. Самые производительные и продвинутые решения этой компании устанавливаются в разъем LGA 2011. Остальные два типа разъемов - LGA 775 и LGA 1156 доживают свои последние дни, так как выпуск процессоров под такие типы сокета практически прекращен.

Среди изделий AMD, на сегодняшний день самым используемым типом разъема можно назвать Socket AM3. Как правило, в него устанавливаются большинство бюджетных и самых ходовых продуктов компании. Правда эта ситуация в ближайшее время скорее всего измениться, так как все новейшие процессоры и производительные решения имеют разъемы Socket AM3+ и Socket FM1.

Кстати процессоры Intelи AMDможно очень просто отличить по одному характерному признаку, который вы возможно уже заметили, смотря на фотографии. Изделия компании AMD имеют на задней части множество штырьков-контактов, с помощью которых они подключаются к системной плате (вставляются в разъем). Intel же использует принципиально иное решение, так как контактные ножки находятся не на самом процессоре, в внутри разъема материнской платы.

Рассматривать разъемы здесь для мобильных решений мы не будем, так как это не имеет никакого практического смысла. Ведь тип сокета для пользователя важен только в том случае, если вы планируете самостоятельно произвести замену (апгрейд) процессора в вашем компьютере. В портативных же устройствах это сделать довольно затруднительно, да и сами мобильные версии процессоров купить в рознице практически невозможно.

Тактовая частота - характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может проделать в секунду. Правда, проводить сравнение производительности разных моделей процессоров только по показателю их тактовой частоты в корне неверно.

Дело в том, что для выполнения одной операции, разным чипам может потребоваться разное количество тактов. Кроме того, современные системы при вычислениях используют конвейерную и параллельную обработки, и могут за один такт выполнить сразу несколько операций. Все это приводит к тому, что разные модели процессоров, имеющие одинаковую тактовую частоту, могут показывать совершенно различную производительность.

Сводная таблица семейств процессоров для настольных ПК

Технологический процесс (технология производства)

При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях используется фотолитография - метод, которым с помощью литографического оборудования на тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого технологического процесса.

Intel

Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры? Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты).

Кремниевая пластина с чипами процессоров AMD

Первый процессор Intel с архитектурой x86, до сих пор являющейся основной для всех современных ЦП, был произведен в конце 70-ых годов с помощью техпроцесса равному 3 мкм (микрометра). К началу 2000-ых годов практически все ведущие производители микросхем, включая компании AMD и Intel, освоили 0,13 мкм или 130 нм - технологический процесс. Большинство современных процессоров изготавливаются по 32 нм - техпроцессу, а с середины 2012 года и по 22 нанометровой технологии.

Переход на более тонкий техпроцесс всегда является значимым событием для производителей микропроцессоров. Ведь это, как было отмечено ранее, приводит к снижению стоимости производства чипов и улучшению их ключевых характеристик, а значит, делает выпускаемую продукцию разработчика более конкурентоспособной на рынке.

Энергопотребление и тепловыделение

На ранней стадии своего развития микропроцессоры потребляли совсем небольшое количество энергии. Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал стремительно расти. Практически не учитываемый на первых порах фактор энергопотребления на сегодняшний день имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров.

Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, которое может привести к перегреву и выходу из строя, как самого процессора, так и окружающих его микросхем. Для отведения тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от количества выделяемого тепла процессором.

В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а для их охлаждения приходилось использовать массивные и шумные вентиляторы. Более того, средняя мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это значит что более половины ее должно было уходить на обслуживание «прожорливого» процессора.

Именно тогда стало понятно, что дальнейшее наращивание вычислительной мощности процессоров невозможно без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие снизить тепловыделение.

Процессоры, работающие на сверхвысоких тактовых частотах, приходится остужать вот такими гигантскими системами охлаждения.

Для оценки тепловыделения процессоров была введена величина, характеризующая требования к производительности систем охлаждения и получившая название TDP . TDP показывает на отвод какого количества тепла должна быть рассчитана та или иная система охлаждения при использовании с определенной моделью процессора. Например, TDP процессоров для мобильных ПК должно быть менее 45 Вт, так как использование в ноутбуках или нетбуках больших и тяжелых систем охлаждения невозможно.

На сегодняшний день, в эру расцвета портативных устройств (ноутбуки, неттопы, планшеты), разработчикам удалось добиться колоссальных результатов на поприще снижения энергопотребления. Этому поспособствовали: переход на более тонкий технологический процесс при производстве кристаллов, внедрение новых материалов для снижения токов утечки, изменение компоновки процессоров, применение всевозможных датчиков и интеллектуальных систем, отслеживающих температуру и напряжения, а так же внедрение других технологий энергосбережения. Все эти меры позволяют разработчикам продолжать наращивать вычислительные мощности процессоров и использовать более производительные решения в компактных устройствах.

На практике, учитывать тепловые характеристики процессора при покупке стоит, если вы хотите собрать бесшумную компактную систему, или например, желаете что бы будущий ноутбук работал как можно дольше от аккумулятора.

Архитектура процессоров и кодовые имена

В основе каждого процессора лежит так называемая процессорная архитектура - набор качеств и свойств, присущий целому семейству микрочипов. Архитектура напрямую определяет внутреннюю конструкцию и организацию процессоров.

По сложившейся традиции, компании Intelи AMD дают своим различным процессорным архитектурам кодовые имена. Это более точно позволяет систематизировать современные процессорные решения. Например, процессоры одного семейства с одинаковой тактовой частотой и количеством ядер могут быть изготовлены с применением разного технологического процесса, а значит иметь разную архитектуру и производительность. Так же применение звучных имен в названиях архитектур дает возможность производителям более эффектно презентовать, нам пользователям, свои новые разработки.

Разработки Intel носят географические названия мест (гор, рек, городов и т.д.), находящихся недалеко от мест размещения ее производственных структур, ответственных за разработку соответствующей архитектуры. Например, первые процессоры Core 2 Duo были построены на архитектуре Conroe (Конрой), которая получила свое название в честь города, расположенного в американском штате Техас.

Компания AMD какой-либо четкой тенденции формирования имен для своих разработок не имеет. От поколения к поколению тематическая направленность может изменяться. Например, новые процессоры компании носят кодовые имена Liano и Trinity.

Многоуровневый кэш

В процессе выполнения вычислений, микропроцессору необходимо постоянно обращаться к памяти для чтения или записи данных. В современных компьютерах функцию основного хранения данных и взаимодействия с процессором выполняет оперативная память.

Не смотря на высокую скорость обмена данными между двумя этими компонентами, процессору часто приходиться простаивать, ожидая запрошенную у памяти информацию. В свою очередь это приводит к снижению скорости вычислений и общей производительности системы.

Для улучшения этой ситуации, все современные процессоры имеют кэш - небольшой промежуточный буфер памяти с очень быстрым доступом, использующейся для хранения наиболее часто запрашиваемых данных. Когда процессору становятся необходимы какие-то данные, он сначала ищет их копии в кэше, так как оттуда выборка необходимой информации произойдет гораздо быстрее, чем из оперативной памяти.

Большинство микропроцессоров для современных компьютеров имеют многоуровневый кэш, состоящий из двух или трех независимых буферов памяти, каждый из которых отвечает за ускорения определенных процессов. Например, кэш первого уровня (L1) может отвечать за ускорение загрузки машинных инструкций, второго (L2) - ускорение записи и чтения данных, а третьего (L3) - ускорение трансляции виртуальных адресов в физические.

Одной из самых основных проблем, стоящих перед разработчиками, является нахождение оптимальных размеров кэша. С одной стороны, большой кэш может содержать больше данных, а значит процент того, что процессор найдет среди них нужные - выше. С другой стороны, чем больше размер кэша, тем больше задержка при выборке данных из него.

Поэтому, кэши разных уровней имеют разный размер, при этом кэш первого уровня - самый маленький, но и самый быстрый, а третьего - самый большой, но и самый медленный. Поиск данных в них происходит по принципу от меньшего к большему. То есть процессор сначала пытается найти необходимую ему информацию в кэше L1, затем в L2 и потом в L3 (при его наличии). При отсутствии нужных данных во всех буферах происходит обращение к оперативной памяти.

В целом, эффективность работы кэша, особенно 3-его уровня, зависит от характера обращения программ к памяти и архитектуры процессора. Например, в некоторых приложениях наличие кэша L3 может принести 20%-ый прирост производительности, а в некоторых не сказаться вовсе. Поэтому, на практике вряд ли стоит руководствоваться характеристиками многоуровневого кэша, при выборе процессора для своего компьютера.

Встроенная графика

С развитием технологий производства и как следствие уменьшением размеров чипов, у производителей появилась возможность размещать внутри процессора дополнительные микросхемы. Первой из таковых, стало графическое ядро, отвечающее за вывод изображения на монитор.

Такое решение позволяет снизить общую стоимость компьютера, так как в этом случае нет необходимости использовать отельную видеокарту. Очевидно, что гибридные процессоры ориентированы на использование в бюджетных системах и корпоративном секторе, где производительность графической составляющей вторична.

Первый пример интеграции видеопроцессора в «нормальный» ЦП продемонстрировала компания Intel в начале 2010 года. Конечно, никакой революции это не принесло, так как до этого момента графика уже давно и успешно интегрировалась в чипсеты материнских плат.

Когда-то разница по функционалу между интегрированной и дискретной графикой была принципиальной. На сегодняшний же день можно говорить лишь о разной производительности этих решений, так как встроенные видеочипы способны выводить изображения на несколько мониторов в любых доступных разрешениях, выполнять 3D-ускорение и аппаратное кодирование видео. По сути, интегрированные решения по своей производительности и возможностям можно сравнить с младшими моделями видеокарт.

Компания Intel интегрирует в свои процессоры графическое ядро под незатейливым названием IntelHDGraphics собственной разработки. При этом процессоры Core 2, Celeron и старшие модели Core i7 встроенных графических ядер не имеют.

AMD, осуществив слияние в 2006 году с гигантом по производству видеокарт, канадской компанией ATI, встраивает в свои решения видеочипы семейства Radeon HD. Более того, некоторые новые процессоры компании представляют собой объединение процессорных ядер x86 и графических Radeonна одном кристалле. Единый элемент, созданный путем слияния центрального (CPU) и графического (GPU) процессоров получил название APU, Accelerated Processor Unit (ускоренный процессорный элемент). Именно так (APU) теперь и называют процессоры A и E-серий.

В общем, интегрированные графические решения от компании AMDявляются более производительными, чем Intel HD и выглядят предпочтительнее в игровых приложениях.

Режим Turbo

Многие современные процессоры оснащены технологией, позволяющей им в некоторых случаях автоматически увеличивать тактовую частоту выше номинальной, что приводит к увеличению производительности приложений. Фактически данная технология является «саморазгоном» процессора. Время работы системы в режиме Turbo зависит от условий эксплуатации, рабочей нагрузки и конструктивных особенностей платформы.

Компания Intel в своих процессорах использует собственную технологию интеллектуального разгона под названием Turbo Boost. Используется она в производительных семействах Core i5 и Core i7.

Отслеживая параметры, связанные с нагрузкой на ЦПУ (напряжение и сила тока, температура, мощность), встроенная система управления повышает тактовую частоту ядер в случае, когда максимальный тепловой пакет (TDP) процессора еще не достигнут. При наличии незагруженных ядер они отключаются и освобождают свой потенциал для тех, которые используются приложениями. Чем меньше ядер задействовано в вычислениях, тем выше поднимается тактовая частота чипов, участвующих в вычислениях. Для однопоточных приложений ускорение может составлять 667 МГц.

AMD так же имеет свою технологию динамического разгона наиболее нагруженных ядер и применяет ее только в своих 6 и 8-ядерных чипах, к котором относятся серии Phenom II X6 и FX. Называется она Turbo Core и способна работать только в том случае, если в процессе вычислений количество загруженных ядер составляет меньше половины от их общего числа. То есть в случае 6-ядерных процессоров, число неактивных ядер должно быть не менее трех, а 8-ядерных - четырех. В отличие от Intel Turbo Boost, в этой технологии на прирост частоты не влияет количество свободных ядер и он всегда одинаков. Его величина зависит от модели процессора и колеблется от 300 до 600 МГц.

Заключение

В заключении давайте попробуем применить практически полученные знания с пользой. Например, в одном популярном магазине компьютерной электроники продаются два процессора Intel Core i5 cодинаковой тактовой частотой 2.8 ГГц. Давайте посмотрим на их описания, взятые с сайта магазина, и попробуем разобраться в их отличиях.

Если внимательно посмотреть на скриншоты, то несмотря на то, что оба процессора относятся к одному семейству общего у них не так уж много: тактовая частота, да количество ядер. Остальные характеристика рознятся, но первое на что стоит обратить внимание - это типы разъемов, в которые устанавливаются оба процессора.

Intel Core i5 760 имеет разъем Socket 1156, а значит относится к устаревшему поколению процессоров. Покупка его будет оправдана только в том случае, если у вас уже стоит в компьютере материнская плата с таким гнездом, и менять ее вы не хотите.

Более новый Core i5 2300 произведен уже по более тонкому техпроцессу (32 нм против 45 нм), а значит, имеет и более совершенную архитектуру. Несмотря на несколько меньший L3 кэш и «саморазгон» этот процессор наверняка не уступит в производительности своему предшественнику, а наличие встроенной графики позволит обойтись без приобретения отдельной видеокарты.

Несмотря на то, что у обоих процессоров тепловыделение указано одинаковым (95 Вт), Core i5 2300 в равных условиях будет холоднее своего предшественника, так как мы уже знаем, что более современный технологический процесс обеспечивает меньшее энергопотребление. В свою очередь это увеличивает его разгонный потенциал, что не может не радовать компьютерных энтузиастов.

А теперь давайте рассмотрим пример на базе процессоров AMD. Здесь мы выбрали специально процессоры из двух разных семейств - Athlon II X4 и Phenom II X4. По идее линейка Phenom является более производительной, чем Athlon, но давайте посмотрим на их характеристики и решим, все ли так однозначно.

Из характеристик видно, что оба процессора имеют одинаковые тактовую частоту и количество вычислительных ядер, практически идентичное тепловыделение, а так же у обоих отсутствует встроенное графическое ядро.

Первое различие, которое сразу бросается в глаза - процессоры устанавливаются в разные разъемы. Не смотря на то, что оба они (разъемы) на данный момент активно поддерживаются производителями системных плат, из этой пары Socket FM1 выглядит несколько предпочтительнее с точки зрения будущей модернизации, так как туда можно установить новые процессоры (APU) A-серии.

Еще одним плюсом Athlon II X4 651 является более тонкий и современный технологический процесс, по которому он был произведен. Phenom II отвечает наличием Turbo-режима и кэша третьего уровня.

В итоге, ситуация складывается неоднозначная и здесь ключевым фактором может стать розничная цена, которая у процессора из линейки Athlon II на 20-25% меньше, чем у Phenom II. А с учетом более перспективной платформы (Socket FM1) покупка Athlon II X4 651 выглядит более привлекательной.

Конечно, что бы более однозначно говорить о преимуществах тех или иных моделей процессоров, необходимо знать на базе какой архитектуры они изготовлены, а так же их реальную производительность в различных приложениях, измеренную на практике. В следующем материале, мы рассмотрим подробно современные модельные ряды микропроцессоров Intel и AMD для настольных ПК, познакомимся с характеристиками различных семейств CPU, а так же приведем сравнительные результаты их производительности.

К выбору центрального процессора для компьютера необходимо подойти с максимальной ответственностью, т.к. от качества, выбранного ЦП напрямую зависит работоспособность многих других компонентов компьютера.

Необходимо соотнести возможности вашего ПК с данными желаемой модели процессора. Если вы решили собрать компьютер самостоятельно, то в первую очередь определитесь именно с процессором и материнской платой. Следует помнить, дабы избежать ненужных трат, что не все материнки поддерживают мощные процессоры.

Современный рынок готов предоставить широкий выбор центральных процессоров – начиная от ЦП, предназначенных для малопроизводительных, полу мобильных аппаратов и заканчивая высокопроизводительными чипами для дата-центров. Вот несколько советов, которые помогут вам сделать правильный выбор:

• Выбирайте производителя, которому доверяете. Сегодня на рынке есть только два поставщика процессоров для домашних ПК – Intel и AMD. Подробнее про преимущества каждого из них расписано ниже.
• Смотрите не только на частоту. Бытует мнение, что частота является главным фактором, отвечающем за производительность, но это не совсем так. На данный параметр также сильно влияет количество ядер, скорость считывания и записывания информации, объём кэш-памяти.
• Перед покупкой процессора узнайте, поддерживает ли его ваша материнская плата.
• Для мощного процессора нужно будет купить систему охлаждения. Чем мощнее ЦП и другие комплектующие, тем требования к этой системе выше.
• Обращайте внимание на то, насколько сильно можно разогнать процессор. Как правило, недорогие процессоры, которые на первый взгляд не отличаются высокими характеристиками, могут быть разогнаны до уровня ЦП премиум-класса.

После покупки процессора, не забудьте нанести на него термопасту – это обязательное требование. Желательно не экономить на этом пункте и купить сразу нормальную пасту, которая прослужит длительное время.

Выбираем производителя

Их всего два – Intel и AMD. Оба производят процессоры для стационарных ПК и лэптопов, однако, между ними есть весьма существенные различия.

Про Intel

Intel поставляет достаточно мощные и надёжные процессоры, но при этом их цена самая высокая на рынке. В производстве используются самые современные технологии, что позволяет сэкономить на системе охлаждения. ЦП от Intel редко перегреваются, поэтому хорошую систему охлаждения требуют только топовые модели. Давайте рассмотрим преимущества процессоров Intel:

• Отличное распределение ресурсов. Производительность в ресурсоёмкой программе выше (при условии, что кроме неё больше не запущена другая программа с аналогичными требованиями к ЦП), т.к. вся мощность процессора переводится именно на неё.
• С некоторыми современными играми продукты Intel работают лучше.
• Улучшено взаимодействие с оперативной памятью, что ускоряет работу всей системы.
• Для владельцев ноутбуков рекомендуется выбирать данного производителя, т.к. его процессоры потребляют меньше энергии, они компактны и не так сильно нагреваются.
• Многие программы оптимизированы для работы с Intel.

• Многозадачность процессоров при работе со сложными программами оставляет желать лучшего.
• Есть «переплата за бренд».
• Если потребуется заменить ЦП на более новый, то велика вероятность того, что придётся поменять ещё какие-нибудь комплектующие в компьютере (например, материнскую карту), т.к. «синие» ЦП могут быть несовместимы с некоторыми старыми комплектующими.
• Относительно небольшие возможности для разгона, по сравнению с конкурентом.

Про AMD

Это ещё один производитель процессоров, который занимает долю на рынке примерно равносильную Intel. В основном, ориентирован на бюджетный и среднебюджетный сегмент, но также производит топовые модели процессоров. Основные преимущества этого производителя:

• Соотношение цены и качества. «Переплачивать за бренд» в случае с AMD не придётся.
• Широкие возможности для апгрейда производительности. Можно разгонять процессор на 20% от первоначальных мощностей, а также настраивать напряжение.
• Продукты от AMD неплохо работают в режиме многозадачности, по сравнению с аналогами от Intel.
• Мультиплатформенные продукты. Процессор AMD без проблем будет работать с любой материнской платой, ОЗУ, видеокартой.

Но у продуктов от данного производителя также есть свои недостатки:

• ЦП от AMD не совсем надёжные, по сравнению с Intel. Чаще встречаются баги, особенно, если процессору уже несколько лет.
• Процессоры от AMD (особенно мощные модели или модели, которые были разогнаны пользователем) сильно нагреваются, поэтому стоит задуматься о покупке хорошей системы охлаждения.
• Если у вас встроенный графический адаптер от Intel, то готовьтесь к проблемам с совместимостью.

Насколько важна частота и количество ядер

Бытует мнение, что чем больше ядер и частоты у процессора, тем лучше и быстрее работает система. Данное утверждение является верным лишь отчасти, т.к. если у вас будет установлен 8-ми ядерный процессор, но в связке с HDD-диском, то быстродействие будет заметно только в требовательных программах (и то не факт).

Для стандартной работы за компьютером и для игр на средних и низких настройках, будет вполне достаточно процессора на 2-4 ядра в связке с . Такая комплектация порадует вас быстродействием в браузерах, в офисных приложениях, при несложной обработке графики и видео. Если в эту комплектацию включить вместо обычного ЦП на 2-4 ядра, мощный 8-ми ядерный агрегат, то идеальная производительность будет достигнута в тяжелых играх даже на ультра-настройках (правда, ещё многое будет зависеть от видеокарты).

Также, если у вас встанет выбор между двумя процессорами с одинаковыми показателями, но разных моделей, то потребуется просмотреть результаты различных тестов. На многие модели современных ЦП их можно без проблем найти на сайте производителя.

Что можно ожидать от ЦП разных ценовых категорий

Ситуация с ценами на данный момент обстоит следующим образом:

• Самые дешёвые процессоры на рынке поставляет только AMD. Они могут неплохо подойти для работы в простых офисных приложениях, сёрфинга в сети и игр типа «Пасьянс». Однако, очень многое в этом случае будет зависеть от комплектации ПК. Например, если у вас мало ОЗУ, слабый HDD и никакой графический адаптер, то на корректную работу системы можно не рассчитывать.
• Процессоры средней ценовой категории. Здесь уже можно видеть достаточно производительные модели от AMD и модели со средней производительностью от Intel. Для первых потребуется в обязательном порядке надёжная система охлаждения, затраты на которую могут нивелировать выгоду от низкой цены. Во втором случае производительность будет ниже, но зато работа процессора будет гораздо стабильнее. Много, опять же, зависит от комплектации ПК или лэптопа.
• Качественные процессоры высокой ценовой категории. В этом случае характеристики продуктов как от AMD, так и от Intel примерно равны.

О системе охлаждения

Некоторые процессоры могут поставляться с системой охлаждения в комплекте, т.н. «Боксовой». Не рекомендуется менять «родную» систему на аналог от другого производителя, пускай даже если та выполняет свою работу лучше. Дело в том, что «боксовые» системы лучше адаптированы под свой процессор и не требуют серьёзной настройки.

Если ядра ЦП стали перегреваться, то лучше установить дополнительную систему охлаждения к уже имеющейся. Это выйдет дешевле, а риск что-либо повредить будет ниже.

Боксовая система охлаждения от Intel значительно хуже, чем от AMD, поэтому рекомендуется проявить особую внимательность к её недостаткам. Клипсы, в основном, делаются из пластмассы, к тому же очень тяжёлой. Это вызывают такую проблему – если процессор вместе с радиатором устанавливаются на дешёвую материнку, то есть риск того, что они её «прогнут», приведя в негодность. Поэтому, если вы всё же отдаёте предпочтение Intel, то выбирайте только качественные материнские платы. Также есть ещё одна проблема – при сильном нагреве (более 100 градусов) клипсы могут просто оплавиться. К счастью, такие температуры для продуктов Intel большая редкость.

«Красные» же сделали более качественную систему охлаждения, с металлическими клипсами. Несмотря на это, система весит меньше своего аналога от Intel. Также конструкция радиаторов позволяет без особых проблем установить их на материнскую плату, при этом соединение с материнкой будет в разы качественнее, что исключит вероятность повредить плату. Но стоит учитывать, что процессоры AMD нагреваются сильнее, поэтому качественные боксовые радиаторы – это необходимость.

Гибридные процессоры со встроенной видеокартой

Обе компании занимаются также выпуском процессоров, где имеется встроенная видеокарта (APU). Правда, производительность последней очень низкая и её достаточно только для выполнения несложных повседневных задач – работы в офисных приложениях, сёрфинг в интернете, просмотр видео и даже на нетребовательные игры. Конечно, на рынке есть топовые APU-процессоры, чьих ресурсов хватает даже для профессиональной работы в графических редакторах, несложной обработки видео и запуска современных игр на минимальных настройках.

Такие ЦП стоят дороже и нагреваются значительно быстрее, по сравнению со своими обычными аналогами. Также нужно учитывать, что в случае со встроенной видеокартой, используется не встроенная видеопамять, а оперативная типа DDR3 или DDR4. Из этого следует, что производительность также напрямую будет зависеть от количества ОЗУ. Но даже, если ваш ПК укомплектован несколькими десятками Гб ОЗУ типа DDR4 (самый быстрый на сегодня тип), встроенная карта вряд ли сможет сравниться по производительности с графическим адаптером даже из средней ценовой категории.

Всё дело в том, что видеопамять (даже если её всего один Гб) намного быстрее ОЗУ, т.к. она заточена на работу с графикой.

Однако, APU-процессор в связке даже с несильно дорогой видеокартой, способен порадовать высокой производительностью в современных играх на низких или средних настройках. Но в этом случае стоит задуматься о системе охлаждения (особенно, если процессор и/или графический адаптер от AMD), т.к. ресурсов встроенных по умолчанию радиаторов может оказаться недостаточно. Лучше провести тестирование работы и потом, опираясь на результаты, решить справляется ли «родная» система охлаждения или нет.

Чьи APU-процессоры лучше? До недавнего времени в этом сегменте лидировали AMD, но в последние пару лет ситуация начинает меняется и по мощностям продукты AMD и Intel из этого сегмента уже практически сравнялись. «Синие» стараются брать надёжностью, но в то же время соотношение цена-производительность немного страдает. От «красных» можно получить производительный APU-процессор за не очень высокую цену, но многие пользователи считают бюджетные APU-чипы от данного производителя ненадёжными.

Интегрированные процессоры

Покупка материнской платы, в которую уже впаян процессор вместе с системой охлаждения, помогает потребителю избавиться от разного рода проблем с совместимостью и сэкономить время, т.к. всё необходимое уже встроено в материнку. К тому же такое решение не бьёт по карману.

Но у него есть свои существенные недостатки:

• Нет никаких возможностей для апгрейда. Процессор, который впаян в материнку, рано или поздно устареет, но чтобы его заменить придётся полностью менять материнскую плату.
• Мощность процессора, который интегрирован в материнскую плату оставляет желать лучшего, поэтому поиграть в современные игры даже на минимальных настройках не получится. Зато такое решение практически не шумит и занимает очень мало места в системном блоке.
• Такие материнки имеют не очень много слотов для оперативной памяти и HDD/SSD дисков.
• При любой незначительной поломке компьютер придётся сдать либо в ремонт, либо (что более вероятно) полностью заменить материнку.

Несколько популярных процессоров

Лучшие бюджетники:

Процессоры средней ценовой категории:

ТОПовые процессоры:

Если вы собираете компьютер с нуля, то лучше изначально купить именно процессор, а потом под него другие важные комплектующие – видеокарту и материнскую плату.

Устройство и принцип работы процессора

Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус.

1. Введение.

Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.

Большинство современных процессоров состоит из:

• одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций;
• нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ;
• контроллера ОЗУ;
• контроллера системной шины (DMI, QPI, HT и т.д.);

И характеризуется следующими параметрами:

• типом микроархитектуры;
• тактовой частотой;
• набором выполняемых команд;
• количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;
• типом и скоростью системной шины;
• размерами обрабатываемых слов;
• наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;
• типом поддерживаемой оперативной памяти;
• объемом адресуемой памяти;
• наличием или отсутствием встроенного графического ядра;
• энергопотреблением.

Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 1.

Начнем обзор устройства процессора с его основной части – ядра.

2. Ядро процессора.

Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.

На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков:

• блока выборки инструкций;
• блоков декодирования инструкций;
• блоков выборки данных;
• управляющего блока;
• блоков выполнения инструкций;
• блоков сохранения результатов;
• блока работы с прерываниями;
• ПЗУ, содержащего микрокод;
• набора регистров;
• счетчика команд.

Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования, так как необходимо на каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.

Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода. Это необходимо, чтобы после условного перехода максимально нагрузить конвейер ядра процессора.

Блоки декодирования , как понятно из названия, – это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т.е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции. Задача эта для большинства современных коммерческих процессоров, построенных на базе концепции CISC, – очень сложная. Дело в том, что длина инструкций и количество операндов – нефиксированные, и это сильно усложняет жизнь разработчикам процессоров и делает процесс декодирования нетривиальной задачей.

Часто отдельные сложные команды приходится заменять микрокодом – серией простых инструкций, в совокупности выполняющих то же действие, что и одна сложная инструкция. Набор микрокода прошит в ПЗУ, встроенном в процессоре. К тому же микрокод упрощает разработку процессора, так как отпадает надобность в создании сложноустроенных блоков ядра для выполнения отдельных команд, да и исправить микрокод гораздо проще, чем устранить ошибку в функционировании блока.

В современных процессорах, обычно, бывает 2-4 блока декодирования инструкций, например, в процессорах Intel Core 2 каждое ядро содержит по два таких блока.

Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций. Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных. Например, в процессорах Intel Core используется по два блока выборки данных для каждого ядра.

Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.

Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:

ALU – арифметическое логическое устройство;

FPU – устройство по выполнению операций с плавающей точкой;

Блоки для обработки расширения наборов инструкций. Дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики. На данный момент наиболее популярными расширениями наборов инструкция являются:

MMX (Multimedia Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видео-данных;

SSE (Streaming SIMD Extensions) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для выполнения одной и той же последовательности операций над множеством данных с распараллеливанием вычислительного процесса. Наборы команд постоянно совершенствуются, и на данный момент имеются ревизии: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Targeted Accelerator) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы специализированного программного обеспечения и снижения энергопотребления при работе с такими программами. Эти инструкции могут использоваться, например, при расчете контрольных сумм или поиска данных;

3DNow – набор инструкций, разработанный компанией AMD, для расширения возможностей набора инструкций MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) – набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы приложений, использующих шифрование данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.

Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями – одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к псевдопараллельной работе, т.е. к, так называемой, многозадачности.

Обработка прерываний происходит следующим образом. Процессор перед началом каждого цикла работы проверяет наличие запроса на прерывание. Если есть прерывание для обработки, процессор сохраняет в стек адрес инструкции, которую он должен был выполнить, и данные, полученные после выполнения последней инструкции, и переходит к выполнению функции обработки прерывания.

После окончания выполнения функции обработки прерывания, из стека считываются сохраненные в него данные, и процессор возобновляет выполнение восстановленной задачи.

Регистры – сверхбыстрая оперативная память (доступ к регистрам в несколько раз быстрее доступа к КЭШ-памяти) небольшого объема (несколько сотен байт), входящая в состав процессора, для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций. Регистры процессора делятся на два типа: регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций (MMX, SSE и т.д.).

Регистры специального назначения содержат системные данные, необходимые для работы процессора. К таким регистрам относятся, например, регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т.д. Доступ к этим регистрам жестко регламентирован.

Счетчик команд – регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.

2.1 Принцип работы ядра процессора.

Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом:

1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены;

2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования;

3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита – на 4) и передает управление в блок выборки данных;

4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;

5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку;

6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов;

7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1).

Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

2.2. Способы повышения производительности ядра процессора.

Увеличение производительности ядра процессора, за счет поднятия тактовый частоты, имеет жесткое ограничение. Увеличение тактовой частоты влечет за собой повышение температуры процессора, энергопотребления и снижение стабильности его работы и срока службы.

Поэтому разработчики процессоров применяют различные архитектурные решения, позволяющие увеличить производительность процессоров без увеличения тактовой частоты.

Рассмотрим основные способы повышения производительности процессоров.

2.2.1. Конвейеризация.

Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.

Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций (К1–К5), без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт.

Как видно из таблицы, для выполнения пяти инструкций процессору понадобилось 25 тактов. При этом в каждом такте четыре из пяти блоков ядра процессора простаивали, т.е. процессор использовал всего 20% своего потенциала. Естественно, в реальных процессорах все сложнее. Разные блоки процессора решают разные по сложности задачи. Сами инструкции тоже отличаются друг от друга по сложности. Но в общем ситуация остается такой же.

Для решения этой проблемы во всех современных процессорах выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.

Рассмотрим пример выполнения той же программы, состоящей из пяти инструкций, но с использованием принципа конвейеризации.

Та же программа была выполнена за 9 тактов, что почти 2.8 раза быстрее, чем при работе без конвейера. Как видно из таблицы максимальная загрузка процессора была получена на 5 такте. В этот момент использовались все блоки ядра процессора. А с первого по четвертый такт, включительно, происходило наполнение конвейера.

Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.

Во-первых, реальный поток команд, обрабатываемый процессором – непоследовательный. В нем часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.

После условного перехода конвейер приходится наполнять заново. И чем длиннее конвейер, тем дольше это происходит. В результате, прирост производительности от введения конвейера снижается.

Для уменьшения влияния условных переходов на работу конвейера, в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.

Если условный переход удалось предсказать, то выполнение инструкций по новому адресу начинается раньше, чем будет закончена обработка команды условного перехода. В результате, наполнение конвейера не пострадает.

По статистике, точность блоков предсказания условных переходов в современных процессорах превышает 90%, что позволяет делать достаточно длинные, но при этом хорошо наполняемые конвейеры.

Во-вторых, часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.

В этом случае она может быть выполнена только после полного завершения обработки первой инструкции. Однако современные процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.

В большинстве современных процессорах задача анализа взаимосвязи инструкций и составления порядка их обработки ложится на плечи процессора, что неминуемо ведет к снижению его быстродействия и увеличению стоимости.

Однако все большую популярность получает статическое планирование, когда порядок выполнения программы процессором определяется на этапе компиляции программы. В этом случае инструкции, которые можно выполнить параллельно, объединяются компилятором в одну длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельны. Процессоры, работающие с такими инструкциями, построены на базе архитектура VLIW (Very long instruction word).

2.2.2. Суперскалярность.

Суперскалярность – архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в нескольких экземплярах. Скажем, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.

В этом случае блоки, выполняющие более сложные действия и работающие дольше, за счет параллельной обработки сразу нескольких инструкций не будут задерживать весь конвейер.

Однако параллельное выполнение инструкций возможно, только если эти инструкции – независимые.

Структурная схема ядра конвейера гипотетического процессора, построенного с использованием принципа суперскалярности, приведена на рисунке 1. На этом рисунке в каждом ядре процессора работает несколько блоков декодирования, несколько блоков выборки данных и несколько блоков выполнения инструкций.

2.2.3. Параллельная обработка данных.

Бесконечно повышать производительность процессоров, за счет увеличения тактовой частоты, невозможно. Увеличение тактовой частоты влечет за собой увеличение тепловыделения, уменьшение срока службы и надежности работы процессоров, да и задержки от обращения к памяти сильно снижают эффект от увеличения тактовой частоты. Действительно, сейчас практически не встретишь процессоры с тактовой частотой выше 3.8 ГГц.

Связанные с увеличением тактовой частоты проблемы заставляют разработчиков искать иные пути повышения производительности процессоров. Один из наиболее популярных способов – параллельные вычисления.

Подавляющее большинство современных процессоров имеют два и более ядра. Топовые модели могут содержать и 8, и даже 12 ядер, причем с поддержкой технологии hyper-threading. Преимущества от ввода дополнительных ядер вполне понятны, мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо решать каждый свои задачи, при этом, естественно, возрастает производительность. Однако прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания.

Во-первых, далеко не все программы поддерживают распределение вычислений на несколько ядер. Естественно, можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре работал свой набор независимых программ. Например, на одном ядре работает операционная система с набором служебных программ, на другом пользовательские программы и так далее.

Но это дает выигрыш в производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов больше, чем может дать одно ядро. Хорошо, если она поддерживает распределение нагрузки между несколькими ядрами. Но на данный момент общедоступных программ, способных распределить нагрузку между 12 ядрам, да еще в режиме Hyper-Threading, можно «сосчитать на пальцах одной руки». Я, конечно, утрирую, существуют программы, оптимизированные для многопоточных вычислений, но большинству простых пользователей они не нужны. А вот наиболее популярные программы, а тем более игры, пока что «плохо» адаптируются к многоядерным процессорам, особенно, если количество ядер больше четырех.

Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер – много, и всем им требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ.

В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.

Ну и, в-четвертых, себестоимость производства многоядерных процессоров – немаленькая, а, соответственно, и цена на такие процессоры «кусается».

Несмотря на все недостатки, применение процессоров с 2-4 ядрами, несомненно, дает значительный прирост производительности. Однако, на данный момент, применение процессоров с количеством ядер больше четырех не всегда оправдывает ожидание. Однако, в ближайшем будущем, ситуация должна кардинально измениться. Обязательно появится множество программ с поддержкой многопоточности, производительность отдельных ядер возрастет, а их цена снизится.

2.2.4. Технология Hyper-Threading.

Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором.

Однако остальные элементы ядра для обоих потоков – общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т.д.

Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее.

К тому же практически во всех программах – много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра.

Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра.

Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, – крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей.

Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading – это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален.

В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.

2.2.5. Технология Turbo Boost.

Производительность большинства современных процессоров в домашних условиях можно немного поднять, попросту говоря разогнать – заставить работать на частотах, превышающих номинальную, т.е. заявленную производителем.

Частота процессора рассчитывается, как частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый множителем. Например, процессор Core i7-970 работает с системной шиной DMI на базовой частоте – 133 МГц, и имеет множитель – 24. Таким образом, тактовая частота ядра процессора составит: 133 Мгц*24= 3192 Мгц.

Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять тактовую частоту системной шины, то тактовая частота процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его производительность. Однако процесс этот – далеко небезопасный. Из-за разгона процессор может работать нестабильно или вообще выйти из строя. Поэтому к разгону нужно подходить ответственно и тщательно контролировать параметры работы процессора.

С появление технологии Turbo Boost все стало гораздо проще. Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоту, тем самым, увеличивая свою производительность. При этом процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и т.д., не допуская сбоев и тем более выхода из строя. Например, процессор может отключить неиспользуемые ядра, тем самым, понизив общую температуру, а взамен увеличить тактовую частоту остальных ядер.

Так как на данный момент существует не очень много программ, использующих для обработки данных все процессорные ядра, особенно, если их больше четырех, то применение технологии Turbo Boost позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями.

2.2.6. Эффективность выполнения команд.

В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп:

• на классические процессоры CISC;
• на процессоры RISC с сокращенным набором команд;
• на процессоры MISC c минимальным набором команд;
• на процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.

CISC (Complex instruction set computer) – это процессоры со сложным набором команд. Архитектура CISC характеризуется:

• сложными и многоплановыми инструкциями;
• большим набором различных инструкций;
• нефиксированной длиной инструкций;
• многообразием режимов адресации.

Исторически, процессоры с архитектурой CISC появились первыми, и их появление было обусловлено общей тенденцией разработки первых ЭВМ. ЭВМ стремились сделать более функциональными и в то же время простыми для программирования. Естественно, для программистов вначале было удобнее иметь широкий набор команд, чем реализовывать каждую функцию целой отдельной подпрограммой. В результате, объем программ сильно сокращался, а вместе с ним и трудоемкость программирования.

Однако такая ситуация продолжалась недолго. Во-первых, с появлением языков высокого уровня отпала необходимость непосредственного программирования в машинных кодах и на ассемблере, и, во-вторых, со временем количество различных команд сильно выросло, а сами инструкции усложнились. В результате, большинство программистов, в основном, использовали какой-то определенный набор инструкций, практически игнорируя наиболее сложные инструкции.

В результате, программисты уже не имели особой выгоды от широкого набора инструкций, так как компиляция программ стала автоматической, а сами процессоры обрабатывали сложные и разнообразные инструкции медленно, в основном, из-за проблем с их декодированием.

К тому же новые сложные инструкции разработчики процессоров отлаживали меньше, так как это был трудоемкий и сложный процесс. В результате, некоторые из них могли содержать ошибки.

Ну и, естественно, чем сложнее инструкции, чем больше действий они выполняют, тем сложнее их выполнение распараллеливать, и, соответственно, тем менее эффективно они загружают конвейер процессора.

Однако к этому моменту уже было разработано огромное количество программ для процессоров с CISC архитектурой, поэтому экономически было невыгодно переходить на принципиально новую архитектуру, даже дающую выигрыш в производительности процессора.

Поэтому был принят компромисс, и CISC процессоры, начиная с Intel486DX, стали производить с использованием RISC-ядра. Т.е., непосредственно перед исполнением, сложные CISC-инструкции преобразуют в более простой набор внутренних инструкций RISC. Для этого используют записанные в размещенном внутри ядра процессора ПЗУ наборы микрокоманд – серии простых инструкций, в совокупности выполняющих те же действия, что и одна сложная инструкция.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенным набором инструкций.

В концепции RISC-процессоров предпочтение отдается коротким, простым и стандартизированным инструкциям. В результате, такие инструкции проще декодировать и выполнять, а, следовательно, устройство процессора становится так же проще, так как не требуется сложных блоков для выполнения нестандартных и многофункциональных инструкций. В результате, процессор становится дешевле, и появляется возможность дополнительно поднять его тактовую частоту, за счет упрощения внутренней структуры и уменьшения количества транзисторов, или снизить энергопотребление.

Так же простые RISC-инструкции гораздо проще распараллеливать, чем CISC-инструкции, а, следовательно, появляется возможность больше загрузить конвейер, ввести дополнительные блоки обработки инструкций и т.д.

Процессоры, построенные по архитектуре RISC, обладают следующими основными особенностями:

• фиксированная длина инструкций;
• небольшой набор стандартизированных инструкций;
• большое количество регистров общего назначения;
• отсутствие микрокода;
• меньшее энергопотребление, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• более простое внутреннее устройство;
• меньшее количество транзисторов, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
• отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

В результате, хотя RISC-процессоры и требуют выполнения большего количества инструкций для решения одной и той же задачи, по сравнению с CISС-процессорами, они, в общем случае, показывают более высокую производительность. Во-первых, выполнение одной RISC-инструкции занимает гораздо меньше времени, чем выполнение CISC-инструкции. Во-вторых, RISC-процессоры более широко используют возможности параллельной работы. В-третьих, RISC-процессоры могут иметь более высокую тактовую частоту, по сравнению с CISC-процессорами.

Однако, несмотря на явное преимущество RISC, процессоры не получили столь серьезного распространения, как CISC. Правда, связано это в основном не с тем, что они по каким-то параметрам могли быть хуже CISC-процессоров. Они не хуже. Дело в том, что СISC-процессоры появились первыми, а программное обеспечение для CISC -процессоров – несовместимо с RISC-процессорами.

В результате, экономически крайне невыгодно переписывать все программы, которые уже разработаны, отлажены и используются огромным количеством пользователей. Вот так и получилось, что теперь мы вынуждены использовать CISC-процессоры. Правда, как я уже говорил, разработчики нашли компромиссное решение данной проблемы, и уже очень давно в CISC-процессорах используют RISC-ядро и замену сложных команд на микропрограммы. Это позволило несколько сгладить ситуацию. Но все же RISC-процессоры по большинству параметров выигрывают даже у CISC-процессоров с RISC-ядром.

MISC (Minimal Instruction Set Computer) – дальнейшее развитие архитектуры RISС, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC-процессорах используется 20-30 простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных.

VLIW (Very long instruction word) – архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки. В некоторых реализациях процессоров длина инструкций может достигать 128 или даже 256 бит.

Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом.

Если в процессорах RISC организацией параллельной обработки данных занимался сам процессор, при этом, затрачивая часть ресурсов на анализ инструкций, выявление зависимостей и предсказание условных переходов (причем, зачастую, процессор мог ошибаться, например, в предсказании условных переходов, тем самым внося серьезные задержки в обработку инструкций, или просматривать код программы на недостаточную глубину для выявления независимых операций, которые могли бы выполняться параллельно), то в VLIW-процессорах задача оптимизации параллельной работы возлагалась на компилятор, который не был ограничен ни во времени, ни в ресурсах и мог проанализировать всю программу для составления оптимального для работы процессора кода.

В результате, процессор VLIW выигрывал не только от упразднения накладных расходов на организацию параллельной обработки данных, но и получал прирост производительности, из-за более оптимальной организации параллельного выполнения инструкций.

Кроме этого упрощалась конструкция процессора, так как упрощались или вовсе упразднялись некоторые блоки, отвечающие за анализ зависимостей и организацию распараллеливания обработки инструкций, а это, в свою очередь, вело к снижению энергопотребления и себестоимости процессоров.

Однако даже компилятору тяжело справляться с анализом кода и организацией его распараллеливания. Часто код программы был сильно взаимозависимый, и, в результате, в инструкции компилятору приходилось вставлять пустые команды. Из-за этого программы для VLIW-процессоров могли быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

Первые VLIW-процессоры появились в конце 1980-х годов и были разработаны компанией Cydrome. Так же к процессорам с этой архитектурой относятся процессоры TriMedia фирмы Philips, семейство DSP C6000 фирмы Texas Instruments, Эльбру?с 2000 – процессор российского производства, разработанный компанией МЦСТ при участии студентов МФТИ и др. Поддержка длинных инструкций с явным параллелизмом есть и в процессорах семейства Itanium.

2.3. Способы снижения энергопотребления процессора.

Не менее, чем производительность, для процессора важен и такой параметр, как энергопотребление. Особенно остро вопрос энергопотребления встал сейчас, когда наблюдается настоящий бум популярности портативных устройств.

Нашу жизнь уже нельзя представить комфортной без использования ноутбуков, планшетных компьютеров и смартфонов. Однако единственное, что омрачает эту тенденцию, – это время автономной работы подобных устройств. Так ноутбуки, в среднем, могут автономно работать 3-5 часов, планшеты – чуть больше, смартфоны уже могут протянуть при полной нагрузке почти сутки и то не все. Но все это крайне мало для комфортной работы с ними.

Время автономной работы этих устройств напрямую зависит от их энергопотребления, и немалая доля энергопотребления приходится на процессор. Для снижения энергопотребления процессоров используются различные способы и технологии. Давайте рассмотрим наиболее популярные из них.

Самый простой способ снизить энергопотребление и тепловыделение процессора – это уменьшить его тактовую частоту и напряжение, так как энергопотребление процессора пропорционально квадрату его рабочего напряжения и пропорционально тактовой частоте. Наиболее выгодно на энергопотреблении сказывается снижение напряжения. Однако при понижении напряжения рано или поздно уменьшается и тактовая частота, что естественно повлечет за собой снижение производительности.

Однако, зачастую, энергопотребление бывает более критическим параметром работы, и некоторое снижение производительности допустимо. Так большинство мобильных версий процессоров и процессоров для встраиваемых систем имеют тактовую частоту и рабочее напряжение гораздо ниже, чем у их собратьев для настольных версий.

Но не всегда производители устанавливают оптимальное сочетание напряжения и тактовой частоты. Многие мобильные процессоры с установленной тактовой частотой могли бы работать с более низким напряжением, что позволило бы существенно продлить время автономной работы портативного компьютера.

Для получения оптимального соотношения производительности к энергопотреблению, необходимо подобрать такое напряжение, при котором на заданной тактовой частоте процессор будет стабильно работать.

Тактовая частота определяется, исходя из потребностей пользователя, затем для нее подбирается минимальное рабочее напряжение путем постепенного снижения напряжения и тестирования процессора под нагрузкой.

Существуют и не столь кардинальные пути решения этой проблемы.

Например, технология EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) позволяет динамически изменять энергопотребление процессора, за счет изменения тактовой частоты процессора и напряжения. Изменение тактовой частоты происходит, за счет уменьшения или увеличения коэффициента умножения.

О коэффициенте умножения я уже упоминал выше, но повторюсь. Тактовая частота процессора рассчитывается, как тактовая частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый коэффициентом умножения. Уменьшение или увеличение этого коэффициента ведет к уменьшению или увеличению тактовой частоты процессора и к снижению или увеличению рабочего напряжения.

В случаях, когда процессор используется не полностью, его тактовую частоту можно снизить, уменьшая коэффициент умножения. Как только пользователю потребуется больше вычислительных ресурсов, коэффициент умножения будет повышен, вплоть до своего номинального значения. Таким образом, удается несколько снизить энергопотребление.

Аналогичная технология для уменьшения энергопотребления, основанная на динамическом изменении напряжения и тактовой частоты, в зависимости от нагрузки на процессор, используется и компанией AMD, называется она - Cool’n’Quiet .

В абсолютном большинстве случаев вычислительные машины либо вовсе простаивают, либо используются лишь на долю своих возможностей. Например, для просмотра фильма или набора текста вовсе не нужно тех огромных вычислительных возможностей, которыми обладают современные процессоры. Тем более эти мощности не нужны и при простое компьютера, когда пользователь отошел или просто решил сделать небольшой перерыв. Снижая в такие моменты тактовую частоту процессора и его напряжение, можно получить очень серьезный прирост в экономии энергопотребления.

Параметры работы технологии EIST можно настраивать, используя BIOS и программное обеспечение операционной системы, и устанавливать требуемые для конкретного случая профили управления энергопотреблением, тем самым балансируя производительность процессора и его энергопотребление.

Естественно, разработчики стараются оптимизировать и саму структуру процессора для снижения энергопотребления и возможности работы процессора при сверхнизких напряжениях. Однако эта задача – крайне сложная и трудоемкая. Опытные образцы процессоров уже практически вплотную приблизились к порогу минимального рабочего напряжения и уже с трудом отличают напряжение логической единицы от логического нуля. Однако, несмотря на это, разработчики процессоров, в том числе инженеры корпорации Intel, обещают уменьшить энергопотребление современных процессоров аж в 100 раз за ближайшие десять лет. Ну что же, подождем и посмотрим, что у них выйдет.

3. КЭШ-память.

Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает ваших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора – это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

КЭШ-память строится на базе дорогой SRAM-памяти (static random access memory), обеспечивающей доступ к ячейкам памяти гораздо более быстрый, чем к ячейкам DRAM-памяти (dynamic random access memory), на базе которой построена оперативная память. К тому же SRAM-память не требует постоянной регенерации, что так же увеличивает ее быстродействие. Однако более подробно устройство SRAM, DRAM и других типов памяти рассмотрим в следующей статье, а сейчас более подробно рассмотрим принцип работы и устройства КЭШ-памяти.

КЭШ-память делится на несколько уровней. В современных процессорах, обычно, бывает три уровня, а в некоторых топовых моделях процессоров иногда встречается и четыре уровня КЭШ-памяти.

КЭШ-память более высокого уровня всегда больше по размеру и медленнее КЭШ-памяти более низкого уровня.

Самая быстрая и самая маленькая КЭШ-память – это КЭШ-память первого уровня. Она обычно работает на частоте процессора, имеет объем несколько сотен килобайт и располагается в непосредственной близости от блоков выборки данных и команд. При этом она может быть единой (Принстонская архитектура) или разделяться на две части (Гарвардская архитектура): на память команд и память данных. В большинстве современных процессоров используют разделенную КЭШ-память первого уровня, так как это позволяет одновременно с выборкой команд осуществлять выборку данных, что крайне важно для работы конвейера.

КЭШ-память второго уровня – более медленная (время доступа, в среднем, 8-20 тактов процессора), но зато имеет объем несколько мегабайт.

КЭШ-память третьего уровня – еще медленнее, но имеет сравнительно большой объем. Встречаются процессоры с КЭШ-памятью третьего уровня больше 24 Мб.

В многоядерных процессорах, обычно, последний уровень КЭШ-памяти делают общим для всех ядер. Причем, в зависимости от нагрузки на ядра, может динамически изменяться отведенный ядру объем КЭШ-памяти последнего уровня. Если ядро имеет высокую нагрузку, то ему выделяется больше КЭШ-памяти, за счет уменьшения объема КЭШ-памяти для менее нагруженных ядер. Не все процессоры обладают такой возможностью, а только поддерживающие технологию Smart Cache (например, Intel Smart Cache или AMD Balanced Smart Cache).

КЭШ-память более низкого уровня – обычно, индивидуальная для каждого ядра процессора.

Мы рассмотрели, как устроена КЭШ-память, давайте теперь разберемся, как она работает.

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Однако, чем больше уровней КЭШ-памяти, тем сложнее алгоритм замещения устаревших данных и тем больше времени тратится на согласования данных во всех уровнях КЭШ-памяти. В результате, выигрыш от скорости работы КЭШ-памяти быстро сходит на нет. К тому же SRAM-память – очень дорогая, и при больших объемах, а, как помните, каждый новый уровень КЭШ-памяти должен быть больше предыдущего, быстро снижается показатель цена-качество, что крайне негативно сказывается на конкурентоспособности процессора. Поэтому на практике больше четырех уровней КЭШ-памяти не делают.

Ситуация с КЭШ-памятью дополнительно усложняется в многоядерных процессорах, каждое ядро которых содержит свою КЭШ-память. Необходимо вводить дополнительную синхронизацию данных, хранящихся в КЭШ-памяти разных ядер. Например, один и тот же блок данных основной оперативной памяти был занесен в КЭШ-память первого и второго ядра процессора. Затем первый процессор изменил этот блок памяти. Получается, что в КЭШ-памяти второго процессора лежат уже устаревшие данные и необходимо их обновить, а это дополнительная нагрузка на КЭШ-память, что приводит к снижению общего быстродействия процессора. Эта ситуация тем сложнее, чем больше ядер в процессоре, чем больше уровней КЭШ-памяти и чем больше их объем.

Но, несмотря на такие трудности в работе с КЭШ-памятью, ее применение дает явный прирост скорости работы без существенного увеличения стоимости ЭВМ. И пока не будет придумана оперативная память, которая сможет по скорости соперничать с SRAM-памятью, а по цене – с DRAM-памятью, будет применяться иерархическая организация оперативной памяти с использованием нескольких уровней КЭШ-памяти.

Пожалуй, на этом закончим обзор устройства процессора, так как обзор системных шин и принцип их работы приводился в статье «Устройство и назначение материнской платы» , а описание контроллера основной оперативной памяти, часто входящего в состав процессора, типов оперативной памяти и принципов ее работы будет в следующей статье.

«Дареному процессору в кулер не дуют.»

Важность процессора для любого персонального компьютера трудно переоценить. Это электронное устройство сравнительно мало по размерам, но потребляет значительный процент энергии, получаемой от блока питания, а его стоимость составляет львиную долю стоимости компьютера. Не случайно многие люди, обычно не очень сведущие в компьютерной терминологии, ассоциируют процессор с самим компьютером. Хотя это, конечно же, ошибочная точка зрения, но причины подобной ассоциации нетрудно понять. Ведь процессор вполне можно уподобить мозгу компьютера, и в таком случае он будет олицетворять суть компьютера, и идентифицировать его точно так же, как мозг человека олицетворяет суть человека и идентифицирует его личность.

Следует сразу оговориться, что в этой статье будет рассказано в основном о центральном процессоре компьютера, так называемом CPU (Central Processing Unit), между тем, как к процессорам относятся и многие вспомогательные чипы, расположенные в компьютере, как, например, процессор видеокарты или звуковой карты. Тем не менее, принципы работы, характерные для CPU, во многом справедливы и для других типов чипов.

Первые процессоры появились на самой заре зарождения компьютерных технологий. А бурное развитие микрокомпьютерной техники во многом являлось следствием появления первых микропроцессоров. Если раньше все необходимые элементы CPU были расположены на различных электронных схемах, то в микропроцессорах они впервые были объединены на одном-единственном кристалле. В дальнейшем под термином «процессор» мы будем иметь в виду именно микропроцессоры, поскольку эти слова давно превратились в синонимы.

Микропроцессор i4004 - прадедушка сегодняшних CPU

Одним из первых микропроцессоров был четырехразрядный процессор фирмы Intel i4004. Он имел смехотворные по нынешним временам характеристики, но для своего времени – начала 1970-x гг., его появление представляло собой настоящий технологический прорыв. Как можно догадаться из его обозначения, он был четырехразрядным и имел тактовую частоту около 0,1 МГц. И именно его прямой потомок, процессор i8088, был выбран фирмой IBM в качестве «мозга» первого персонального компьютера фирмы IBM PC.

Процессор i8088 использовавшийся в первом персональном компьютере фирмы IBM

Шли годы, характеристики CPU становились все более серьезными и внушительными, и, как следствие, становились все более солидными характеристики персональных компьютеров. Значительной вехой в развитии микропроцессоров стал i80386. Это был первый полностью 32-разрядный CPU, который мог адресовать к 4 ГБ оперативной памяти, в то время как большинство его предшественников могло работать максимум с 640 КБ ОЗУ. Подобная разрядность микропроцессоров настольных компьютеров продержалась довольно долго, почти два десятилетия. В середине 80-х объем ОЗУ в 4 ГБ казался фантастически огромным, но сейчас его можно считать небольшим для серьезного компьютера.

i80386 - первый полностью 32-разрядный CPU

Следующий микропроцессор компании Intel, 486DX, замечателен тем, что в нем впервые появился внутренний кэш – внутренняя оперативная память микропроцессора. Кроме того, в нем было применено много других усовершенствований, которые во многом определили дальнейшую эволюцию микропроцессоров. То же самое можно сказать и про следующий процессор компании Intel, Pentium.

Intel 486DX - первый процессор с внутренним кэшем

Процессор компании Intel - Pentium

Вместе с CPU Pentium 4 в ряду технологий, использующихся в микропроцессорах, появилась . А процессоры Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel открыли современную эпоху эволюции CPU, эпоху процессоров, имеющих несколько ядер. Сейчас на рынке представлено много CPU от различных производителей, но главными производителями до сих пор остаются две компании – Intel и AMD, причем на долю первой приходится более 80% рынка.

CPU Opteron от фирмы AMD и Pentium D от Intel

Устройство CPU

Любой CPU имеет вычислительное ядро (иногда их бывает несколько), а также кэш, то есть собственную оперативную память. Кэш обычно имеет два уровня – первый и второй (внутренний и внешний). Внутренний имеет меньший объем, но обладает большим быстродействием по сравнению с внешним. Емкость кэша второго уровня современных CPU составляет несколько мегабайт – больше, чем оперативная память первых персональных компьютеров!

В ядре CPU находится несколько функциональных блоков – блок управления, блок выборки инструкций, блок вычислений с плавающей точкой, блок целочисленных вычислений, и.т.д. Также в ядре располагаются главные регистры processor-а, в которых находятся обрабатываемые в определенный момент данные. В классической схеме микропроцессора архитектуры х86 этих регистров всего 16.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили две основные разновидности процессоров – CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). В CISC-процессорах мало внутренних регистров, но они поддерживают большой набор команд. В RISC-процессорах регистров много, зато набор команд ограничен. Традиционно микропроцессоры для персональных компьютеров архитектуры Intel х86 принадлежали к классу CISC-процессоров, однако в настоящее время большинство микропроцессоров представляют собой гибрид этих двух архитектур.

Если рассмотреть CPU на аппаратном уровне, то он является, по сути, огромной микросхемой, расположенной на цельном кристалле кремния, в которой содержатся миллионы, а то и миллиарды транзисторов. Чем меньше размеры транзисторов, тем больше их содержится на единицу площади CPU, и тем больше его вычислительная мощность. Кроме того, от размеров транзисторов зависит энерговыделение и энергопотребление процессора - чем меньше их размер, тем эти характеристики процессора меньше. Этот фактор немаловажен, так как CPU является наиболее энергоемким устройством современного ПК. Поэтому проблема уменьшения нагрева процессора входит в число самых важных, стоящих перед разработчиками ПК и самих процессоров.

Отдельно стоит сказать о корпусе, в котором находится CPU. Обычно материалом корпуса процессора служит керамика или пластик. Первоначально процессоры намертво впаивались в системную плату, сейчас же большинство вставляются в специальные гнезда – сокеты. Такой подход заметно упростил модернизацию системы пользователем – достаточно вставить в разъем другой CPU, поддерживаемый данной системной платой, и вы получите более мощный компьютер.

Сокет современного процессора

С другими устройствами процессор связан при помощи специальных каналов связи ­(шин) – шины памяти, шины данных и шины адреса. Разрядность последней очень важна, поскольку от этого параметра зависит объем доступной CPU, а значит, и программам, оперативной памяти.

Принцип работы

Для обработки данных управляющее устройство CPU получает из оперативной памяти или кэша процессора сами данные, а также команды, которые описывают процесс обработки данных. Данные помещаются во внутренние регистры микропроцессора, и над ними производятся операции при помощи арифметико-логического устройства в соответствии с поступившими командами.

Принцип работы процессора

Работу CPU синхронизируют так называемые тактовые сигналы. Наверняка каждому пользователю известно понятие тактовой частоты, которая отражает количество тактов работы процессора за секунду. Это значение во многом определят характеристики процессора. Тем не менее, производительность компьютера далеко не всегда пропорциональна его тактовой частоте. И дело тут не только в наличии у современных CPU нескольких ядер, а и в том, что разные процессоры имеют разную архитектуру и, как следствие, могут выполнять разное количество операций за секунду. Современные CPU могут выполнять несколько операций за один такт, тогда как у первых микропроцессоров на одну операцию, наоборот, могло уходить несколько тактов.

CPU архитектуры х86 исторически поддерживают следующие режимы работы процессора:

1. Реальный
2. Защищенный
3. Виртуальный
4. Режим супервизора

Реальный режим работы был единственным режимом, в котором работали все CPU до i80386. В этом режиме processor мог адресовать лишь 640 КБ ОЗУ. В результате появления защищенного режима процессор получил возможность работать с большими объемами оперативной памяти. Также существует разновидность защищенного режима – виртуальный режим, предназначенный для совместимости со старыми программами, написанными для процессоров 8086.

Режимы работы процессора также включают режим супервизора, который используется при работе в современных операционных системах. В этом режиме программный код имеет неограниченный доступ ко всем системным ресурсам.

Заключение

В этой статье вы в общих чертах познакомились с назначением центрального CPU, его историей, устройством, узнали про режимы работы процессора и ознакомились с принципами его функционирования. Central Processing Unit – это самое сложное и наиболее важное устройство компьютера. Можно смело утверждать, что развитие компьютерной техники во многом взаимосвязано с прогрессом в развитии CPU. От мощности микропроцессора и его особенностей его работы зависит производительность всего компьютера, а также возможности его отдельных компонентов.