План
1. Архитектуры процессоров.
1.1. RISC.
1.2. CISC.
1.3. Параметры процессоров.
1.4. Процесс производства.

1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
Процессор, или более полно - микропроцессор, часто
называемый ЦПУ (CPU - central processing unit), является
центральным компонентом компьютера. Это разум, который
прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри
компьютера.
Когда фон Нейман впервые предложил хранить после-
довательность инструкций, так называемые программы, в той
же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея.
Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в
1945 г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы-
рех основных частей: центрального арифметического устрой-
ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств
ввода/вывода.
Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую
архитектуру.
Каждый микропроцессор имеет определенное число эле-
ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес-
кое устройство (АЛУ) и устройство управления.
Регистры используются для временного хранения вы-
полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан-
ных и другой внутренней информации микропроцессора.
В АЛУ производится арифметическая и логическая, об-
работка данных.
Устройство управления реализует временную диаграм-
му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап-
паратурой через внешние шины микропроцесс ера.
На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров. Они различается принци-
пами построения архитектуры процессора. Накоолее распрос-
траненными являются архитектуры RISC и CISC.
1.1. RISC
Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction
Set Computers) используют сравнительно ызболылой (со-
кращенный) набор наиболее употребимых ком ад, определен-
ный в результате статистического анализа большого числа про-
грамм для основных областей применения CISC-процессоров
исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и
имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняет-
ся с помощью специальных команд загрузки регистра и запи-
си. Простота структуры и небольшой набор к J панд позволя-
ют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эф-
Процессор 269
фективный конвейер при небольшом объеме оборудования.
Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень
дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить так-
товую частоту (а значит, и производительность) компьютера;
чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе
работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-про-
цессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех
возможностей ускорения арифметических операций, поэто-
му их конвейеры обладают значительно более высоким бы-
стродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-про-
цессоры в 2-4 раза быстрее имеющих ту же тактовую час-
тоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более
высокопроизводительны, несмотря на больший размер про-
грамм. RISC-архитектура построена на 4 основных прин-
ципах:
1. Любая операция должна выполняться за один такт,
вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное коли-
чество наиболее часто используемых простейших инструкций
одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в
формате «регистр - регистр» (операнды выбираются из опе-
ративных регистров процессора, и результат операции запи-
сывается также в регистр; а обмен между оперативными реги-
страми и памятью выполняется только с помощью команд за-
грузки/записи).
4. Состав системы команд должен быть удобен для ком-
пиляции операторов языков высокого уровня.
Усложнение RISC-процессоров фактически приближает
их архитектуру к CISC-архитектуре.
В настоящее время число процессоров с RISC-архитек-
турой существенно возросло и все ведущие фирмы США их
производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производи-
тели основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.
1.2. CISC
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex
Instruction Set Computers - архитектура вычислений с полной
системой команд) реализуют на уровне машинного языка ком-
плексные наборы команд различной сложности, от простых,
характерных для микропроцессора первого поколения, до
очень сложных. Большинство современных процессоров для
персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.
В последнее время появились гибридные процессоры,
которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобра-
зовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются
ядром процессора.
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит
в направлении более совершенного управления машинными
ресурсами, а также в направлении сближения машинных язы-
ков с языками высокого уровня.
В то же время сложная система команд и переменный
формат команды процессором с CISC-архитектурой привели
к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 со-
держал 29 тыс. транзисторов, 80 386 - 275 000, Pentium -
3 100 000, Pentium 4 - 42 млн транзисторов. Для того чтобы
такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энер-
гопотреблением и размещаться на ограниченной площади, про-
изводители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже
достигнут уровень 0,09 мкм.
1.3. Параметры процессоров
Структуры различных типов процессоров могут существен-
но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее
важными параметрами являются архитектура, адресное простран-
ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд-
ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос-
новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис-
пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные
МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис-
пользовали последовательный принцип выполнения команд,
при котором очередная операция начинается только после
выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной
архитектурой используются принципы параллельной работы,
при которой одновременно с выполнением текущей команды
производятся предварительная выборка и хранение последу-
ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу-
ется конвейерный метод выполнения команд, при котором
несколько внутренних устройств МП работают параллельно,
производя одновременно обработку нескольких последова-
тельных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разряд-
ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз-
рядных МП адресные регистры обычно составляются из
двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину,
адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра-
вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад-
ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются
24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ
до 4 ГБ памяти.
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП
имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов-
падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе-
мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш-
ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд-
ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных.
Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име-
ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют
собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП
и обладают практически той же вычислительной мощностью.
Одним из важных параметров МП является тактовая
частота его работы и работы системной шины, которая обыч-
но задается внешними синхросигналами. Для современных про-
цессоров стандартными являются частоты системной шины
66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы-
полнение простейших команд (например, сложение двух опе-
рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах
МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль-
сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные
команды требуют для выполнения до 10-20 периодов такто-
вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в
памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе-
рандов в регистры и запись результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой
частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой
системой прерываний.
В соответствии с законом Мура (сформулированным в
1965 г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU
удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев.
Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лег.
270 Информатика
Однако законы физики ограничивают разработчиков
в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты
растут каждый год, это не может дать того прироста произ-
водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин-
женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы-
полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в
расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про-
цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы-
полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают
эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних
процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке
уже 64-разрядные.
1.4. Процесс производства
Кремний или силикон - это основной материал для про-
изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса-
жен добавками по специальной маске, становится транзисто-
ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс
подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере-
секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна
иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект
налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка
ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас - 8 дюймов. На
следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые
пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль-
ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно
из одной пластины делается много процессоров.
Электрическая схема состоит из разных материалов.
Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона
изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется
открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания
транзисторов - .это и называется присадкой.
Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность
пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются
вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором,
на который проектируется образ требуемых деталей. После
экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав-
ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило
вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство-
рителем.
Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного
создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером
в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин-
ка. Такая пьиинка может быть размером от микрона до ста - а
это в 3-300 раз больше детали. Микропроцессоры произво-
дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль-
ные защитные костюмы.
В прежние времена производство полупроводников при-
водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50%
работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на-
много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый
слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от-
мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде-
ляются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-
корпус (Pin Grid Arrays) - керамический прямоугольник с
рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство
людей принимают за процессор.
Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень-
шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод-
няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что
Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз-
мером 14×20 см и был бы медленным - быстрые транзисто-
ры малы. Большинство процессоров сегодня используют
0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик-
ронный процесс.

Что такое процессор? Здесь Вы сможете прочитать небольшую терминологию данного понятия. Мы рассмотрим из чего он состоит, что такое ядро процессора, системная шина, кэш процессора, какие разъемы бывают у процессора, а также популярные изготовители. А теперь, приступим к делу.

Процессор (ЦП или CPU ) – это устройство или схема, которая исполняет машинные команды (инструкции). Является наиважнейшим компонентом любого компьютера и ноутбука. Выполняет любые, как логические, так и арифметические операции. Также управляет всеми устройствами, подключенными к ПК.

На данный момент процессоры представляют собой схему (микропроцессор) и является маленькой тонкой пластиной, квадратной по форме. На такой схеме расположены элементы, обеспечивающие функциональность самого процессора и ПК в целом. Такая пластина защищена пластмассовым или керамическим корпусом, подсоединенная золотыми проводами с наконечниками из металла. Данная конструкция позволяет присоединить процессор к системной плате.

Из чего состоит процессор?

• Регистры
• Арифметико-логическое устройство
• Шины данных и адресов
• Кэш память
• Математический сопроцессор

У специалистов разных профессий понятие об архитектуре процессора немного отличаются. Например, программисты думают, то архитектура процессора – это когда процессор способен выполнять наборы машинных кодов. Разработчики компьютерных составляющих думают иначе, а именно то, что архитектора процессора отражает какие-либо свойства и качества, которые присущи целому семейству процессоров (другими словами, организация процессоров или их внутренняя конструкция). Например, существует такая архитектура, как Intel Pentium, она обозначается, как P5. К примеру, Pentium IV обозначается, как NetBurst.

Модель архитектуры процессора Pentium 4

Даже если процессоры имеют одинаковую архитектуру, они могут иметь различия. В первую очередь это конечно же различие в процессорных , которые наделяют сам процессор, какими-либо характеристиками. Конечно, отличаться они могут и размерами кэша, и различиями в частоте системной шины. По сути, термин ядро процессора четкого определения не имеет, но может позволить выделить особенности какой-либо модели.

В случае замены ядра, скорее всего придется менять и процессорный разъем, что влечет за собой определенные трудности, которые связаны с совместимостью системных плат. Конечно, разработчики постоянно занимаются над совершенствованием ядер. Такие нововведения называются ревизией ядер, они в свою очередь обозначаются буквенными и цифирными значениями.

Что такое системная шина?

Системная шина или шина процессора (FSB ) – является совокупностью сигнальных линий, объединённых по назначению. Простыми словами, системная шина связывает все компоненты компьютера с процессором, будь это , или . Процессор подключается только к системной шине, остальные устройства подключаются через специальные контроллеры.

Что такое разъем (сокет) процессора?

Есть два типа разъемов (сокетов) – гнездовой и щелевой . Хотя это можно считать, как один разъем, потому что он создан лишь для установки процессора. Наличие сокета значительно облегчает замену процессора. Также его можно было бы снять на время ремонта компьютера. Кстати, если что, данный разъем расположен на . У компаний Intel и AMD свои типы разъемов, которые можно посмотреть .

Что такое регистр процессора?

Регистром в процессоре является блок ячеек, который образует сверхбыструю оперативную память. Такая память используется только процессором.

Что такое кэш процессора?

Кеш – это технология которая во всех современных процессорах является обязательной, еще ее называют быстрой памятью. Кэш технология является буфером между процессором и котроллером, который является медленной памятью. Буфер является хранилищем блоков данных, которые отрабатываются именно сейчас, таким образом процессору не нужно обращаться к контроллеру. Такое свойство очень хорошо увеличивает производительность процессора.

На данный момент существует несколько уровней кэша. L1 – кэш первого уровня , является самым быстрым и работает напрямую с ядром. Далее идет кэш второго уровня — L2 , который взаимодействует с L1. Такой кэш по объему намного больше, чем L1. Иногда может встречаться и кэш третьего уровня – L3 . Он достаточно медленный, а по объему еще больше, чем L2, но опять же, он быстрее, чем системная память.

Также, кэш разделяют на эксклюзивный и не эксклюзивный .

К первому типу относят кэш, в котором данные разделены на оригинальные в строгом порядке. К не эксклюзивному кэшу относят кэш, данные которого могут повторяться на всех уровнях кэша. Например, компания Intel, использует не эксклюзивный тип, а AMD – cсоответственно эксклюзивный. Трудно сказать, какой лучше, у обоих есть и достоинства, и недостатки.

Типы архитектур процессоров

В процессе работы процессор обрабатывает данные, которые находятся в его регистрах, в оперативной памяти и внешних буферных устройствах процессора. Всего существует 3 информационных потока, обрабатываемых процессором:

1. Команды
2. Адреса
3. Данные подлежащие обработки

Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах, тем дольше средняя продолжительность выполнения команд процессора. Процессоры Intel насчитывают более 1000 команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC).

Архитектурный облик IBM PC-совместимого компьютера определяется рядом свойств, обеспечивающих возможность функционирования программного обеспечения, управляющего подключенным оборудованием. Программы могут взаимодействовать с устройствами разными способами:

• Используя вызовы функций операционной системы(прерывания DOS, API Windows и т.д.);
• Используя вызовы функций базовой системы ввода-вывода (BIOS);
• Непосредственно взаимодействуя с известным им «железом» - портами и памятью устройств или контроллеров интерфейсов.

Такое разнообразие существует благодаря изначальной открытости архитектуры первых IBM PC и сохранения имеющихся решений (пускай иногда и не самых лучших) в последующих моделях, обрастающих новыми узлами.

Облик PC-совместимого компьютера в значительной степени определяется разработчиками из фирм Microsoft и Intel. Для этих фирм стало уже традицией выпускать объемистый документ, диктующий разработчикам аппаратуры требования для получения желаемого логотипа “Designed for Microsoft Windows”.

В спецификациях определяются требования к функциональности и производительности всех подсистем компьютера, включая и периферийные устройства.

В настоящее время выделяют следующие типы архитектур процессора:

• RISC – возможность выполнения меньшего количества команд, но с большой скоростью Команды состоящие из более простых команд, выполняются более производительно и с большой скоростью. Недостатки: сложные алгоритмы не всегда можно разбить на последовательность простых команд.
• CISC – процессоры универсальны и могут использоваться в любых компьютерных системах.
• MISC – промежуточный тип архитектуры. Имеет внутреннее ядро микропроцессора, выполненное по RISC-архитектуре и внешнее выполненное по структуре CISC.

Шины.

Слоты расширения предназначены для установки карт различного назначения, расширяющих функциональные возможности компьютера. На слоты выводятся стандартные шины расширения ввода-вывода, а также промежуточные интерфейсы, наподобие AMR и CNR. Стандартизованные шины расширения ввода-вывода обеспечивают основу функциональной расширяемости PC-совместимого персонального компьютера, который с самого рождения не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач.

Шины расширения является средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам непосредственно использовать системные ресурсы PC – пространства памяти и ввода-вывода, прерывания, каналы прямого доступа к памяти. Как следствие, изготовителям модулей расширения приходится точно следовать протоколам шины, включая жесткие частотные и нагрузочные параметры, а также временные диаграммы. Отклонения приводят к несовместимости с некоторыми системными платами. Если при подключении к внешним интерфейсам это ведет к неработоспособности только самого устройства, то некорректное подключение к системной шине может блокировать работу всего компьютера. Следует также учитывать ограниченность ресурсов PC. Самые дефицитные из них – линии запросов прерываний, проблема прерываний, известная по шине ISA, так и не была радикально решена с переходом на PCI. Другой дефицит – каналы прямого доступа шины ISA, используемые и для прямого управления шиной, - в шине PCI исчез. Доступное адресное пространство памяти и портов ввода-вывода, в котором было тесновато абонентам шины ISA, в PCI существенно расширено. Проблемы распределения ресурсов на шинах решаются по-разному, но чаще всего применяется технология PnP.

В современных настольных компьютерах основной шиной расширения является PCI, порт AGP присутствует практически повсеместно, шина ISA, несмотря на рекомендации отойти от нее, сохраняется как средство подключения старых карт расширений.

Выделяют 3 вида шин:

1. Шина данных
2. Адресная шина
3. Шина команд

Шина данных – происходит копирование данных из оперативной памяти, в регистре процессора и наоборот. 64 разрядная.

Адресная шина – данные, которые передаются, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. С помощью этой шины процессор считывает адреса команд, которые надо выполнить, а также данные, которыми оперируют команды. 32-разрядная.

Шина команд (управления)– поставляет команды, которые выполняет процессором. Простые команды укладываются в один байт, более сложные в 2,3 байта. 32-разрядная.

Шины на материнской плате используют не только для связи с процессором, все остальные устройства ЭВМ тоже подключаются с помощью шин.

• ISA – позволяет связать между собой все устройства в системном блоке, а так же обеспечить подключение новых устройств через стандартные слоты. Пропускная способность составляет 5,5 Мб в секунду. Сейчас используют только для подключения внешних устройств, которые не требуют большой пропускной способности (звук, модемы).
• EISA - 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытеснена шиной PCI. Раньше применялась в серверных платформах, где необходимо устанавливать множество дополнительных плат расширения. В слот EISA можно устанавливать карты ISA(но не наоборот). Пропускная способность до 32-Мб-в секунду.
• VLB – локальная шина, которая представляет собой соединение процессора с оперативной памятью в обход основной магистральной шины. Эта шина работает на более высокой частоте и позволяет увеличить скорость передачи данных. Эта шина имеет интерфейс для подключения видео адаптера необходимого для подключения монитора в состав вычислительного комплекса. Пропускная способность до 130 Мб в секунду. Рабочая тактовая частота – 50 МГц. Зависит от типа устройств подключаемых к этой шине.
• PCI – стандарт подключения внешних устройств который введен для Pentium. По своей сути это интерфейс - локальные шины с разъемами для подключения внешних компонентов вычислительных систем. Тактовая частота - до 166 МГц и обеспечивает передачу информации со скоростью 264 Мб в секунду независимо от количества подключенных устройств. С введением этого стандарта появилась возможность для подключения технологии “Plug & Play”: после физического подключения устройства обеспечивается автоматическая конфигурация в составе вычислительной системы.
• FSB – шина, которая используется для связи процессора с оперативной памятью компьютера, эта шина работает на частоте 133-МГц и выше. Пропускная способность до 800 Мб/сек. Частота работы шины FSB является основным параметром, который указывается в спецификации материнской платы.
• AGP – специальный шинный интерфейс, который предназначен для подключения видео адаптера. Этот интерфейс необходим в современных вычислительных устройствах, потому что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптера по быстродействию. Пропускная способность 1066 Мб/сек. В отличие от шины PCI для порта AGP возникают проблемы совместимости карт акселераторов с типом системной платы (чипсета) и процессора даже при формальном соответствии их параметров.
• USB – стандарт универсальной последовательной шины, который определяет способ взаимодействия компьютера с современным периферийном оборудованием. Этот порт разрешает подключать 256 различных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подключаться последовательно (цепочкой). Преимущество этого стандарта в том, что периферийное устройство можно подключать. Во время текущего сеанса работы без перезагрузки. Этот порт позволяет соединять компьютеры в сеть без использования специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Конфигурирование шин расширения предполагает в основном настройку их временных параметров:

• Для шины PCI задается частота синхронизации, кроме того, с CMOS Setup для этой шины могут определяться некоторые её возможные режимы – конкурентные обращения, слежение за палитрами.
• Для порта AGP задается частота, поддерживаемые режимы, а также апертуры AGP.
• Для шин ISA и PCI иногда настройками CMOS Setup приходится распределять системные ресурсы (главным образом, линии запросов прерываний).
• Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу-выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления шины ISA, но в настоящее время понижение её производительности не сильно отражается на производительности компьютера в целом.