Устройство процессора, из чего состоит процессор. Строение компьютера процессора

Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее...Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так "с лету" вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого - а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит.

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 - находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней - тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 - специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть большое количество золотистых "точек" - это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается "мостик" между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней - у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без "штырьков", поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где "штырьки" контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример - четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора - не одно и то же.

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип - графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

pc-information-guide.ru

Лекция 9. Структура процессора

Структура процессора станет совершенно понятной, если задуматься над тем, какие операции ему предстоит выполнять при обработке машинной команды.

• Извлечение команды — процессор считывает команду из памяти.

• Интерпретация команды — процессор расшифровывает команду и определяет, какие операции ему предстоит выполнить.

• Извлечение данных — для выполнения команды может потребоваться прочесть данные из памяти или из модуля ввода-вывода.

• Обработка данных — выполнение команды может потребовать преобразования данных, т.е. выполнения над ними определенных арифметических или логических операций.

• Запись данных — если в процессе выполнения команды данные были изменены, результат необходимо где-то зафиксировать. В частности, результат может быть записан в память или передан в модуль ввода-вывода.

Чтобы выполнить перечисленные операции, процессору требуются определенные средства временного хранения информации. Ему нужно помнить, где находится выполняемая команда, и тогда можно будет определить, откуда выбрать следующую. Ему нужно хранить коды команд и данных во время их обработки. Другими словами, процессор нуждается в собственной внутренней памяти.

На рис. 11.1 представлена упрощенная структурная схема процессора, на которой видно, как он взаимодействует с остальными компонентами компьютера через системную магистраль. Аналогичный интерфейс, как было описано в главе 3, должны иметь все взаимодействующие компоненты компьютера. Читатель должен припомнить, что главными структурными компонентами процессора являются арифметическое и логическое устройство (АЛУ) и устройство (или узел) управления (УУ). На АЛУ возлагаются собственно вычисления, т.е. преобразование информации, а УУ управляет как потоком данных и команд, поступающих в процессор и выходящих из него, так и порядком выполнения операций в АЛУ. Кроме того, на этой схеме показана и внутренняя память процессора — набор регистров.

Более детальная схема процессора представлена на рис. 11.2. На ней обозначены пути передачи данных и сигналов управления, включая и структурный компонент, обозначенный как внутренняя магистраль ЦП. По этой магистрали данные передаются между регистрами и АЛУ, поскольку АЛУ может оперировать только с данными, хранящимися в регистрах. На этой же схеме показана и типовая структура АЛУ. Обратите внимание на определенную схожесть структуры компьютера в целом и одного из его компонентов — центрального процессора. В обеих схемах несколько основных компонентов связываются между собой через магистраль.

Рис. 11.1. Укрупненная структурная схема процессора

Рис. 11.2, Внутренняя структура процессора

Организация набора регистров

Память в компьютерной системе имеет иерархическую структуру. Чем более высокое положение в иерархии занимает определенный блок памяти, тем выше его быстродействие, меньше объем и выше стоимость хранения в пересчете на 1 бит. Набор регистров процессора представляет память самого верхнего уровня, находящегося в иерархии над уровнями оперативной памяти и кэш-памяти. Регистры процессора разделяются по функциям.

• Программно доступные регистры позволяют программисту, разрабатывающему программы на машинном языке или на языке ассемблера, минимизировать в программе обращение к оперативной памяти и, где это возможно, использовать для хранения промежуточных результатов быстродействующую внутреннюю память процессора.

• Регистры управления и состояния используются для управления функционированием процессора. К этим регистрам иногда могут иметь доступ специальные привилегированные команды, которые используются только в программах операционной системы.

Не существует раз и навсегда узаконенного разделения регистров на эти категории. Например, в большинстве компьютеров счетчик команд, PC, программно недоступен, но существуют и такие машины, как VAX, в которых он доступен со стороны программы, как и любой другой. В дальнейших разделах данной главы мы все-таки будем опираться на разделение регистров на эти две категории.

studfiles.net

Микропроцессор - Строение компьютера - Каталог статей

(CPU, ЦП, камень, ядро, проц и другие) – Одна из главных частей любого компьютера, это его сердце и мозг. В нем происходят все руководящие операции компьютера, а так же обработка важной информации.

Пройдя за короткий период использования, сложную эволюцию, процессор является сложным устройством и появился не сразу.

На протяжении всего существования процессоров, главными и доминирующими их разработчиками были две американские компании AMD и Intel . Конечно, кроме них есть другие производители, но конкурировать с лидерами такой величины очень сложно. Компании вкладывают огромные средства в развитие своей отрасли и поглощают любую конкуренцию из вне. Но конкуренция не исчезает даже на таких уровнях, благодаря ей технический прогресс не стоит на месте, и нашему взору предстают всё новые и более производительные разработки.

Визуально сам процессор не похож на сложное устройство – маленькая квадратная плата ~3х3 см. C одной стороны расположено множество контактов и металлический блок с другой. С виду ничего особенного, но именно в этом металлическом блоке происходят все системные операции. Дело в том, что под ним располагаются миллионы транзисторов, понять всю систему сложно, даже людям с определенной подготовкой и знаниями. Объяснить кратко, без сложных терминов, принципов, схем и тд невозможно, поэтому давайте рассмотрим главное:

Многоядерные процессоры – это процессоры в корпусе которых содержится от двух и более ядер. Такой способ повышения производительности признан весьма эффективным . Уже существуют компьютеры для домашнего пользования , которых содержаться процессоры до 6 ядер. Для серверных машин существуют похожие модели с количеством ядер в 12 единиц. Так же разрабатываться процессоры с количеством ядер рамным 100. Ясно одно, с прогрессом это значение будет только расти Как бы там ни было, становиться очевидно, что количество ядер значительно влияет на КПД компьютера. Но не следует забывать, что с приходом новых технологий, старые программы не исчезают. В таких случаях они работают только на одном ядре, и конкретно в этом примере роль играет тактовая частота.

Показатель, отображающий пропускную способность системы Количество пропорционально качеству. Потоки тоже очень важный показатель, который не всегда совпадает с количеством ядер. Современные процессоры i5 , i7 имеют по 4 и 8 потоков на свои 2 и 4 ядра.

Бывает двух и трех уровней. Кеш – это особая память процессора, служит для компенсации перебоев в момент работы с оперативной памятью. Больше кеша – лучше.

Похожая ситуация. Чем она выше, тем и быстрее процессор.

Служат для соединения с контролером системной платы, через северный мост.

Производителями AMD и Intel были созданы два основных типа :HyperTransport от AMD а так же QPI QuickPath Interconnect от Intel

Это значение характеризующее потребление электроэнергии процессором. Чем это значение меньше, тем меньше греться процессор и тем лучше его разгонять. Делается это исключительно под собственную ответственность, и с полным осознанием возможных последствий. Таким способом можно увеличить производительность процессора без его замены до 25%.

1. Главным составляющим материалом является кремний (песок) .Вдальнейшем на этих блинах создаться полупроводниковые структуры будущих процессов с применением технологии фотолитографии

Фотолитография похожа на процесс печати обычных фотографий с использованием фото-пленки. Фотобумагой в данном случае выступает нарезанные кремниевые блины. Ионы бора выполняют роль света, которые разгоняться с помощью специального ионного ускорителя. С помощью специальных трафаретов, эти ионы выпускаются на поверхность кремния. Таким образом получается миниатюрная версия транзисторных схем. Использование этой технологии позволяет создавать транзисторы толщиной 32нм , для сравнения можно взять человечески волос, толщина которого 50000нм. Следовательно, толщина техпроцесса пропорциональна мощности микропроцессора, чем она меньше, тем больше транзисторов можно разместить на одной кремниевой пластинке. В дальнейшем и эти показатели уменьшаться, предполагаемо с 32нм до 15-16нм.

Полупроводниковые структуры, вырезанные из кремния, в дальнейшем помещаются на специальные платы, которые и должны крепиться на материнской плате компьютера. Кварцевая структура микропроцессора защищена специальной металлической крышкой, если ее снять, то можно рассмотреть мельчайшие транзисторы, но не стоит забывать, что это чревато большим риском повреждения и выхода из строя всего устройства.

2. Пройдя сложную эволюцию, упомянутые выше полупроводниковые схемы не прекращают свое совершенствование. Таким образом, принцип создания, характеристики и количество элементов постоянно меняются. Те процессоры, в которых используются одинаковые принципы построения, называются процессорами одной архитектуры. Однако даже такие, похожие, на первый взгляд процессоры могут сильно отличаться друг от друга. Значения такие как : частота системной шины, тех. процессом изготовления , структурой и размером и др. Такие процессоры понимают как, процессоры с разными ядрами. С целью улучшения одного ядра, изготовители могут дорабатывать или изменять структуру. После таких изменений, такие «измененные» структуры процессоров называться ревизиями. Им присваиваются оригинальная маркировка из цифр и букв, а ядрам и архитектурам определенные названия. К примеру, Intel core 2 quad E6600

3. Судить о процессоре исключительно по тактовой частоте глупо. Кроме основной характеристики , есть ряд критериев , по которым менее частотный процессор будет производительней чем его более мощный аналог. Стоит обратить внимание на количество тактов, а так же количество команд выполняемых в один момент времени.

В самой же практике, нужно использовать данные, которые известны о процессоре, обычно они проставляться на коробках, прайсах, и самом процессоре.

4. При выборе микропроцессора обязательно нужно помнить о разъёме (socked) для которого он предназначен. Сокет – это гнездовой разъём на материнской плате, в который монтируется процессор. Любой процессор можно установить только в соответствующее для него гнездо (разьем). Эти гнезда по своей структуре разные, это заметно даже визуально.

5. Любой процессор, работая на высоких частотах, сильно греется и выделяет много тепла. Если его не охлаждать, то повышается вероятность поломки или полного его выхода из строя. Для охлаждения существуют всевозможные куллеры и системы охлаждения, как воздушные, так и водяные.

Как узнать температуру процессоров читайте тут

Для обычного домашнего компьютера хватит и стандартных вентиляторов, которые идут в комплекте с процессором. В случае если планируется использование вашего компьютера для конвертации виде-аудио или всевозможных высоко требовательных игр, лучше задуматься о приобретении более мощного охлаждения. Кроме того, чем меньшей температуры вам удастся добиться, тем больше из него удастся выжать путем разгона ( читай выше)

pk-master.at.ua

Устройство процессора компьютера

Сердцем персонального компьютера является процессор. Он представляет собой электронное цифровое устройство, которое может работать по заданной программе.

Рассмотрим устройство процессора компьютера. Сначала расшифруем отдельно прилагательные «электронное» и «цифровое».

Прилагательное «электронное» – означает, что процессор компьютера работает на электрической энергии и все сигналы, которые обрабатываются этим устройством, являются электрическими.Вместе с тем в радиоэлектронике электронные устройства делятся на 2 больших класса: аналоговые и цифровые. Прилагательное «цифровое» – означает, что процессор компьютера относится к классу цифровых, а не аналоговых устройств.

Упомянутые аналоговые устройства преобладали среди радиоэлектронной аппаратуры 20-30 лет назад. А появились они тогда, когда радиоинженеры научились записывать и передавать звук и изображение в виде аналоговых сигналов. Это были радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и т.п.

Аналоговые устройства уступили пальму первенства лишь в конце прошлого века, когда развитие цифровых устройств привело к тому, что с помощью цифровых кодов научились записывать и передавать любую информацию, включая уже упомянутые звуки и изображения.

Цифровые сигналы в отличие от аналоговых в незначительной степени подвержены помехам и без искажения передаются на расстояния, они лучше записываются, хранятся и не «портятся» со временем.

Процессор компьютера

Процессор компьютера является одним из наиболее сложных устройств среди цифровых электронных устройств. Это своего рода апофеоз развития цифровой техники.

Внешне он представляет собой кремниевую пластину, смонтированную в корпусе, имеющем множество электрических выводов для подключения к электропитанию и к другим устройствам компьютера.

За то, что процессор делается на кремниевых пластинах, на жаргоне компьютерщиков его иногда называют «камень», так как кремний является весьма прочным материалом.

На эту пластину путем очень точного напыления вещества (точность измеряется ангстремами) в вакууме и при соблюдении идеальной чистоты производства воспроизводят сложнейшую и чрезвычайно миниатюрную по своим размерам электрическую схему, состоящую из десятков и сотен тысяч мельчайших элементов (в основном, транзисторов), соединенных между собой специальным образом.

Производство таких устройств является настолько высокотехнологичным, что его смогли освоить только страны с самой развитой экономикой. Занятно, что при производстве процессоров не измеряют брак, как это принято практически во всех отраслях промышленности и производства, а измеряют так называемый процент выхода годных изделий, так как совсем немногие заготовки процессоров в конечном итоге становятся работоспособными устройствами.

Качественно произведенные кремниевые пластинки помещают в корпус с выводами и снабжают устройствами охлаждения (радиатор и вентилятор), так как сотни тысяч миниатюрных транзисторов при своей работе выделяют изрядное количество тепла.

Если посмотреть на внутреннюю логическую структуру процессора компьютера, то он представляет собой совокупность соединенных между собой устройств:

– арифметико-логическое устройство (АЛУ), в котором, собственно, и производится преобразование информации,

– устройство управления (УУ), которое предназначено для управления арифметико-логическим устройством,

– и регистры (ячейки) памяти, в которых хранятся входные данные, промежуточные данные и результирующие данные.

Команды, предназначенные для управления работой процессора, попадают из оперативной памяти в устройство управления. Это устройство управляет работой арифметико-логического устройства в соответствии с полученными командами.

В свою очередь, АЛУ в соответствии с полученными из УУ командами, осуществляет

ввод информации из регистров,
обработку информации и
запись обработанной информации в регистры.

Регистры процессора могут обмениваться информацией с ячейками оперативной памяти (тоже на основании команд АЛУ). Поэтому в конечном итоге процессор компьютера

осуществляет обработку данных, получаемых из оперативной памяти,
а обработанные данные также размещает в оперативной памяти.

Приведенное краткое описание работы процессора компьютера иллюстрирует, что обработка данных процессором представляет из себя последовательность очень «мелких» шагов:

считывание данных из оперативной памяти в регистры процессора,
обработка этих данных и
обратная запись данных из регистров процессора в ячейки оперативной памяти.

Но компенсацией за это является высочайшая скорость вычислений, сотни тысяч и миллионы таких «маленьких» операций ежесекундно. И соответственно, обеспечивается высокая скорость обработки информации, которая делает компьютер незаменимым помощником для работы, учебы, отдыха, развлечений.

P.S. Статья закончилась, но на блоге можно еще прочитать:

Устройство системного блока: часть 1

Как работает ПК: часть 1. Обработка информации

О работе процессора компьютера: часть 2

Оперативная память

Я чайник или юзер? Часть 1: Включение и выключение ПК

Получайте актуальные статьи по компьютерной грамотности прямо на ваш почтовый ящик. Уже более 3.000 подписчиков

Важно: необходимо подтвердить свою подписку! В своей почте откройте письмо для активации и кликните по указанной там ссылке. Если письма нет, проверьте папку Спам.

Автор: Юрий Воробьев

15 июня 2011

www.compgramotnost.ru

8.2.2. Назначение и структура простейшего процессора.

Центральный процессор- это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;
шины данных и шины адресов;
регистры;
счетчики команд;
кэш - очень быструю память малого объема,
математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристаллическая пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Основные характеристики процессора :

Производительность - основная характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации. Она в свою очередь зависит от следующих характеристик:
Тактовая частота - определяет число тактов работы процессора в секунду
Разрядность - определяет размер минимальной порции информации, называемой машинным словом

Адресное пространство - разрядность адресной шины, то есть максимальный объём оперативной памяти, которая может быть установлена на компьютере

8.2.3. Принцип действия процессора.

Процессор является главным элементом ЭВМ. Он прямо или косвенно управляет всеми устройствами и процессами, происходящими в ЭВМ.

В конструкции современных процессоров четко просматривается тенденция постоянного увеличения тактовой частоты. Это естественно: чем больше операций выполняет процессор, тем выше его производительность. Предельная тактовая частота во многом определяется существующей технологией производства микросхем (наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов).

Кроме повышения тактовой частоты, увеличение производительности процессоров достигается разработчиками менее очевидными приемами, связанными с изобретением новых архитектур и алгоритмов обработки информации. Некоторые из них рассмотрим на примере процессора Pentium (Р5) и последующих моделей.

Перечислим основные особенности процессора Pentium:

конвейерная обработка информации;
суперскалярная архитектура;
наличие раздельных кэш-памятей для команд и данных;
наличие блока предсказания адреса перехода;
динамическое исполнение программы;
наличие блока вычислений с плавающей точкой;
поддержка многопроцессорного режима работы;
наличие средства обнаружения ошибок.

Термин «суперскалярная архитектура» означает, что процессор содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки чаще называют конвейерами. Заметим, что первая суперскалярная архитектура была реализована в отечественной ЭВМ «Эльбрус-1» (1978 г.).

Наличие в процессоре двух конвейеров позволяет ему одновременно выполнять (завершать) две команды (инструкции).

Каждый конвейер разделяет процесс выполнения команды на несколько этапов (например, пять):

выборка (считывание) команды из ОЗУ или кэш-памяти;
декодирование (дешифрация) команды, т. е. определение кода выполняемой операции;
выполнение команды;
обращение к памяти;
запоминание полученных результатов в памяти.

Для реализации каждого из перечисленных этапов (каждой операции) служит отдельное устройство— ступень. Таким образом, в каждом конвейере процессора Pentium имеется пять ступеней.

При конвейерной обработке на выполнение каждого этапа отводится один такт синхронизирующей (тактовой) частоты. В каждом новом такте заканчивается выполнение одной команды и начинается выполнение новой команды. Такое выполнение команд называют поточной обработкой.

Образно ее можно сравнить с производственным конвейером (потоком), где на каждом участке с разными изделиями выполняют всегда одну и ту же операцию. При этом, когда готовое изделие сходит с конвейера, на него заходит новое, а остальные изделия в это время находятся на разных стадиях готовности. Переход изготавливаемых изделий с участка на участок должен происходить синхронно, по специальным сигналам (в процессоре это такты, формируемые тактовым генератором).

Общее время выполнения одной команды в конвейере с пятью ступенями будет составлять пять периодов тактовой частоты. В каждом такте конвейер будет одновременно обрабатывать (выполнять) пять различных команд. В результате за пять тактов будет выполнено пять команд. Таким образом, конвейеризация увеличивает производительность процессора, но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Выигрыш получается за счет того, что обрабатывается сразу несколько команд.

В действительности конвейеризация даже увеличивает время выполнения каждой отдельной команды из-за появления дополнительных расходов, связанных с организацией работы конвейера. При этом тактовая частота ограничивается быстродействием работы самой медленной ступени конвейера.

В качестве примера рассмотрим процесс выполнения команды, у которой длительности выполнения этапов составляют 60, 30, 40, 50 и 20 нс. Примем дополнительные расходы на организацию конвейерной обработки равными 5 нс.

Если бы не было конвейеризации, то на выполнение одной команды потребовалось

60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200 нс.

Если же используется конвейерная организация, то длительность такта должна быть равна длительности самого медленного этапа обработки с добавлением «накладных» расходов, т.е. 60 + 5 = 65 нс. Таким образом, полученное в результате конвейеризации сокращение времени выполнения команды составит 200/65»3,1 раза.

Заметим, что время выполнения конвейером одной команды составляет 5 × 65 = 325 нс. Эта величина существенно больше 200 нс — времени выполнения команды без конвейеризации. Но одновременное выполнение сразу пяти команд дает среднее время завершения одной команды 65 нс.

Процессор Pentium имеет две кэш-памяти первого уровня (они расположены внутри процессора). Как известно, кэширование увеличивает производительность процессора за счет уменьшения числа случаев ожидания поступления информации из медленной оперативной памяти. Нужные данные и команды берутся процессором из быстрой кэш-памяти (буфера), куда они заносятся заранее.

Наличие одной кэш-памяти в предыдущих конструкциях процессоров приводило к возникновению структурных конфликтов. Две команды, выполнявшиеся конвейером, порой одновременно пытались считать информацию из единственной кэш-памяти. Выполнение раздельного кэширования (буферизации) для команд и данных исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.

Развитие вычислительной техники идет непрерывно. Постоянно конструкторы ищут новые пути совершенствования своих изделий. Наиболее ценным ресурсом процессоров является их производительность. По этой причине изобретаются разнообразные приемы повышения производительности процессоров.

Одним из таких приемов является экономия времени за счет предсказания возможных путей выполнения разветвляющегося алгоритма. Это осуществляется с помощью блока предсказания адреса будущего перехода. Идея его работы похожа на идею работы кэш-памяти.

Как известно, существуют линейные, циклические и разветвляющиеся вычислительные процессы. В линейных алгоритмах команды выполняются в порядке их записи в оперативной памяти: последовательно одна за другой. Для таких алгоритмов введенный в процессор блок предсказания адреса перехода не может дать выигрыша.

В разветвляющихся алгоритмах выбор команды определяется результатами проверки условий ветвлений. Если ждать окончания вычислительного процесса в точке ветвления и затем выбирать из ОЗУ нужную команду, то неизбежно появятся потери времени из-за непроизводительного простоя процессора (считывание команды из ОЗУ идет медленно).

Блок предсказания адреса перехода работает на опережение и пытается заблаговременно предсказать адрес перехода, чтобы заранее перенести нужную команду из медленной оперативной памяти в специальный быстрый буфер перехода BTB (Branch Target Buffer).

Когда буфер ВТВ содержит правильное предсказание, переход происходит без задержки. Это напоминает работу кэш-памяти, у которой также бывают промахи. Из-за промахов операнды приходится считывать не из кэш-памяти, а из медленной ОП. Из-за этого происходит потеря времени.

Реализацию идеи предсказания адреса перехода осуществляют в процессоре два независимых буфера предварительной выборки. Они работают совместно с буфером предсказания переходов, причем один из буферов выбирает команды последовательно, а второй — согласно предсказаниям ВТВ.

Процессор Pentium имеет два пятиступенчатых конвейера для выполнения операций в формате с фиксированной точкой. Кроме того, в процессоре имеется конвейер с восьмью ступенями для вычислений в формате с плавающей точкой. Такие вычисления требуются при выполнении математических расчетов, а также для быстрой обработки динамических трехмерных цветных изображений.

Развитие архитектуры процессоров идет по пути постоянного увеличения объема кэш-памяти первого и второго уровней. Исключением стал процессор Pentium 4, у которого объем кэш-памяти неожиданно снизился по сравнению с Pentium III.

Для повышения производительности в новых конструкциях процессоров создают две системные шины, работающие с разными тактовыми частотами. Быстрая шина используется для работы с кэш-памятью второго уровня, а медленная — для традиционного обмена информацией с другими устройствами, например ОЗУ. Наличие двух шин исключает конфликты при обмене информацией процессора с основной памятью и кэш-памятью второго уровня, находящейся за пределами кристалла процессора.

Следующие за Pentium процессоры содержат большое число ступеней в конвейере. Это уменьшает время выполнения каждой операции в отдельной ступени, а значит, позволяет поднять тактовую частоту процессора.

В процессоре Pentium Pro (P6) применен новый подход к порядку выполнения команд, последовательно расположенных в ОЗУ.

Новый подход заключается в выполнении команд в произвольном порядке по мере их готовности (независимо от порядка расположения в ОЗУ). Однако конечный результат формируется всегда в соответствии с исходным порядком команд в программе. Такой порядок выполнения команд называется динамическим или опережающим.

Рассмотрим в качестве примера следующий фрагмент учебной программы, записанной на некотором (вымышленном) машинно-ориентированном языке.

r1 ¬mem[r4] Команда 1

r3 ¬r1 + r2 Команда 2

r5 ¬r5 + 1 Команда 3

r6 ¬r6 – r7 Команда 4

Символами r1…r7 обозначены регистры общего назначения (РОН), которые входят в блок регистров процессора.

Символом mem[r4]обозначена ячейка памяти ОЗУ.

Прокомментируем записанную программу.

Команда 1: записать в РОН r1 содержимое ячейки памяти ОЗУ, адрес которой указан в РОН r4.

Команда 2: записать в РОН r3 результат сложения содержимого регистров r1 и r2.

Команда 3: прибавить к содержимому регистра r5 единицу.

Команда 4: уменьшить содержимое РОН r6 на содержимое регистра r7.

Предположим, что при выполнении команды 1 (загрузка операнда из памяти в регистр общего назначения r1) оказалось, что содержимое ячейки памяти mem [r4] отсутствует в кэш-памяти процессора (произошел промах, нужный операнд не был заранее доставлен в буфер из ОЗУ).

При традиционном подходе процессор перейдет к выполнению команд 2, 3, 4 только после того, как данные из ячейки mem[r4] основной памяти поступят в процессор (точнее, в регистр r1). Так как считывание будет происходить из медленно работающей оперативной памяти, этот процесс займет достаточно много времени (по меркам процессора). Все время ожидания этого события процессор будет простаивать, не выполняя полезной работы.

В приведенном примере процессор не может выполнить команду 2 до завершения команды 1, так как команда 2 использует результаты выполнения команды 1. В то же время процессор мог бы заранее выполнить команды 3 и 4, которые не зависят от результата выполнения команд 1 и 2.

В подобных случаях процессор Р6 работает иначе.

Процессор Р6 не ждет окончания выполнения команд 1 и 2, а сразу переходит к внеочередному выполнению команд 3 и 4. Результаты опережающего выполнения команд 3 и 4 сохраняются и извлекаются позднее, после выполнения команд 1 и 2.Таким образом, процессор Р6 выполняет команды в соответствии с их готовностью к выполнению, вне зависимости от их первоначального расположения в программе.

Производительность, безусловно, важный показатель работы ЭВМ. Однако не менее важно, чтобы быстрые вычисления происходили при малом числе ошибок.

В процессоре имеется устройство самотестирования, которое автоматически проверяет работоспособность большинства элементов процессора.

Кроме того, выявление сбоев, произошедших внутри процессора, осуществляется с помощью специального формата данных. К каждому операнду добавляется бит четности, в результате чего все циркулирующие внутри процессора числа становятся четными. Появление нечетного числа сигнализирует о случившемся сбое. Наличие нечетного числа — это как бы появление фальшивой банкноты без водяных знаков.

Единицами измерения быстродействия процессоров (и ЭВМ) могут служить:

МИПС (MIPS— Mega Instruction Per Second)— миллион команд (инструкций) над числами с фиксированной точкой за секунду;
МФЛОПС (MFLOPS— Mega Floating Operation Per Second)— миллион операций над числами с плавающей точкой за секунду;
ГФЛОПС (GFLOPS— Giga Floating Operation Per Second)— миллиард операций над числами с плавающей точкой за секунду.

Имеются сообщения о самом быстром в мире компьютере ASCI White (корпорация IBM), быстродействие которого достигает 12,3 ТФЛОПС (триллиона операций).

studfiles.net

Микропроцессор - Строение компьютера - Каталог статей

Характеристика микропроцессора:

Количество ядер

Похожая ситуация. Чем она выше, тем и быстрее процессор.

Служат для соединения с контролером системной платы, через северный мост.

Производителями AMD и Intel были созданы два основных типа :HyperTransport от AMD а так же QPI QuickPath Interconnect от Intel

Как узнать температуру процессоров читайте тут

komrem.at.ua